src/gromacs/mdlib/nbnxn_search.c

   1 /* -*- mode: c; tab-width: 4; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 4; c-file-style: "stroustrup"; -*-
   2  *
   3  *
   4  *                This source code is part of
   5  *
   6  *                 G   R   O   M   A   C   S
   7  *
   8  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   9  *
  10  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  11  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  12  * Copyright (c) 2001-2012, The GROMACS development team,
  13  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  14
  15  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  16  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  17  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  18  * of the License, or (at your option) any later version.
  19  *
  20  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  21  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  22  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  23  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  24  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  25  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  26  *
  27  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  28  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  29  *
  30  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  31  */
  32
  33 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  34 #include <config.h>
  35 #endif
  36
  37 #include <math.h>
  38 #include <string.h>
  39 #include "sysstuff.h"
  40 #include "smalloc.h"
  41 #include "macros.h"
  42 #include "maths.h"
  43 #include "vec.h"
  44 #include "pbc.h"
  45 #include "nbnxn_consts.h"
  46 #include "nbnxn_internal.h"
  47 #include "nbnxn_atomdata.h"
  48 #include "nbnxn_search.h"
  49 #include "gmx_cyclecounter.h"
  50 #include "gmxfio.h"
  51 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  52 #include "nrnb.h"
  53
  54
  55 /* Pair search box lower and upper corner in x,y,z.
  56  * Store this in 4 iso 3 reals, which is useful with SSE.
  57  * To avoid complicating the code we also use 4 without SSE.
  58  */
  59 #define NNBSBB_C         4
  60 #define NNBSBB_B         (2*NNBSBB_C)
  61 /* Pair search box lower and upper bound in z only. */
  62 #define NNBSBB_D         2
  63 /* Pair search box lower and upper corner x,y,z indices */
  64 #define BBL_X  0
  65 #define BBL_Y  1
  66 #define BBL_Z  2
  67 #define BBU_X  4
  68 #define BBU_Y  5
  69 #define BBU_Z  6
  70
  71
  72 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SSE
  73 /* We use SSE or AVX-128bit for bounding box calculations */
  74
  75 #ifndef GMX_DOUBLE
  76 /* Single precision BBs + coordinates, we can also load coordinates using SSE */
  77 #define NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE
  78 #endif
  79
  80 /* Include basic SSE2 stuff */
  81 #include <emmintrin.h>
  82
  83 #if defined NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE && (GPU_NSUBCELL == 4 || GPU_NSUBCELL == 8)
  84 /* Store bounding boxes with x, y and z coordinates in packs of 4 */
  85 #define NBNXN_PBB_SSE
  86 #endif
  87
  88 /* The width of SSE/AVX128 with single precision for bounding boxes with GPU.
  89  * Here AVX-256 turns out to be slightly slower than AVX-128.
  90  */
  91 #define STRIDE_PBB        4
  92 #define STRIDE_PBB_2LOG   2
  93
  94 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SSE */
  95
  96 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
  97
  98 /* The functions below are macros as they are performance sensitive */
  99
 100 /* 4x4 list, pack=4: no complex conversion required */
 101 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 102 #define CI_TO_CJ_J4(ci)   (ci)
 103 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 104 #define X_IND_CI_J4(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
 105 #define X_IND_CJ_J4(cj)  ((cj)*STRIDE_P4)
 106
 107 /* 4x2 list, pack=4: j-cluster size is half the packing width */
 108 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 109 #define CI_TO_CJ_J2(ci)  ((ci)<<1)
 110 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 111 #define X_IND_CI_J2(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
 112 #define X_IND_CJ_J2(cj)  (((cj)>>1)*STRIDE_P4 + ((cj) & 1)*(PACK_X4>>1))
 113
 114 /* 4x8 list, pack=8: i-cluster size is half the packing width */
 115 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 116 #define CI_TO_CJ_J8(ci)  ((ci)>>1)
 117 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 118 #define X_IND_CI_J8(ci)  (((ci)>>1)*STRIDE_P8 + ((ci) & 1)*(PACK_X8>>1))
 119 #define X_IND_CJ_J8(cj)  ((cj)*STRIDE_P8)
 120
 121 /* The j-cluster size is matched to the SIMD width */
 122 #if GMX_NBNXN_SIMD_BITWIDTH == 128
 123 #ifdef GMX_DOUBLE
 124 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J2(ci)
 125 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J2(ci)
 126 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J2(cj)
 127 #else
 128 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J4(ci)
 129 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J4(ci)
 130 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J4(cj)
 131 #endif
 132 #else
 133 #if GMX_NBNXN_SIMD_BITWIDTH == 256
 134 #ifdef GMX_DOUBLE
 135 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J4(ci)
 136 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J4(ci)
 137 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J4(cj)
 138 #else
 139 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J8(ci)
 140 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J8(ci)
 141 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J8(cj)
 142 /* Half SIMD with j-cluster size */
 143 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J4(ci)
 144 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J4(ci)
 145 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J4(cj)
 146 #endif
 147 #else
 148 #error "unsupported GMX_NBNXN_SIMD_WIDTH"
 149 #endif
 150 #endif
 151
 152 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
 153
 154
 155 /* Interaction masks for 4xN atom interactions.
 156  * Bit i*CJ_SIZE + j tells if atom i and j interact.
 157  */
 158 /* All interaction mask is the same for all kernels */
 159 #define NBNXN_INT_MASK_ALL        0xffffffff
 160 /* 4x4 kernel diagonal mask */
 161 #define NBNXN_INT_MASK_DIAG       0x08ce
 162 /* 4x2 kernel diagonal masks */
 163 #define NBNXN_INT_MASK_DIAG_J2_0  0x0002
 164 #define NBNXN_INT_MASK_DIAG_J2_1  0x002F
 165 /* 4x8 kernel diagonal masks */
 166 #define NBNXN_INT_MASK_DIAG_J8_0  0xf0f8fcfe
 167 #define NBNXN_INT_MASK_DIAG_J8_1  0x0080c0e0
 168
 169
 170 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SSE
 171 /* Store bounding boxes corners as quadruplets: xxxxyyyyzzzz */
 172 #define NBNXN_BBXXXX
 173 /* Size of bounding box corners quadruplet */
 174 #define NNBSBB_XXXX      (NNBSBB_D*DIM*STRIDE_PBB)
 175 #endif
 176
 177 /* We shift the i-particles backward for PBC.
 178  * This leads to more conditionals than shifting forward.
 179  * We do this to get more balanced pair lists.
 180  */
 181 #define NBNXN_SHIFT_BACKWARD
 182
 183
 184 /* This define is a lazy way to avoid interdependence of the grid
 185  * and searching data structures.
 186  */
 187 #define NBNXN_NA_SC_MAX (GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE)
 188
 189
 190 static void nbs_cycle_clear(nbnxn_cycle_t *cc)
 191 {
 192     int i;
 193
 194     for (i = 0; i < enbsCCnr; i++)
 195     {
 196         cc[i].count = 0;
 197         cc[i].c     = 0;
 198     }
 199 }
 200
 201 static double Mcyc_av(const nbnxn_cycle_t *cc)
 202 {
 203     return (double)cc->c*1e-6/cc->count;
 204 }
 205
 206 static void nbs_cycle_print(FILE *fp, const nbnxn_search_t nbs)
 207 {
 208     int n;
 209     int t;
 210
 211     fprintf(fp, "\n");
 212     fprintf(fp, "ns %4d grid %4.1f search %4.1f red.f %5.3f",
 213             nbs->cc[enbsCCgrid].count,
 214             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCgrid]),
 215             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCsearch]),
 216             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCreducef]));
 217
 218     if (nbs->nthread_max > 1)
 219     {
 220         if (nbs->cc[enbsCCcombine].count > 0)
 221         {
 222             fprintf(fp, " comb %5.2f",
 223                     Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCcombine]));
 224         }
 225         fprintf(fp, " s. th");
 226         for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 227         {
 228             fprintf(fp, " %4.1f",
 229                     Mcyc_av(&nbs->work[t].cc[enbsCCsearch]));
 230         }
 231     }
 232     fprintf(fp, "\n");
 233 }
 234
 235 static void nbnxn_grid_init(nbnxn_grid_t * grid)
 236 {
 237     grid->cxy_na      = NULL;
 238     grid->cxy_ind     = NULL;
 239     grid->cxy_nalloc  = 0;
 240     grid->bb          = NULL;
 241     grid->bbj         = NULL;
 242     grid->nc_nalloc   = 0;
 243 }
 244
 245 static int get_2log(int n)
 246 {
 247     int log2;
 248
 249     log2 = 0;
 250     while ((1<<log2) < n)
 251     {
 252         log2++;
 253     }
 254     if ((1<<log2) != n)
 255     {
 256         gmx_fatal(FARGS, "nbnxn na_c (%d) is not a power of 2", n);
 257     }
 258
 259     return log2;
 260 }
 261
 262 static int nbnxn_kernel_to_ci_size(int nb_kernel_type)
 263 {
 264     switch (nb_kernel_type)
 265     {
 266         case nbnxnk4x4_PlainC:
 267         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 268         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 269             return NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 270         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 271         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 272             /* The cluster size for super/sub lists is only set here.
 273              * Any value should work for the pair-search and atomdata code.
 274              * The kernels, of course, might require a particular value.
 275              */
 276             return NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE;
 277         default:
 278             gmx_incons("unknown kernel type");
 279     }
 280
 281     return 0;
 282 }
 283
 284 int nbnxn_kernel_to_cj_size(int nb_kernel_type)
 285 {
 286     int nbnxn_simd_width = 0;
 287     int cj_size          = 0;
 288
 289 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 290     nbnxn_simd_width = GMX_NBNXN_SIMD_BITWIDTH/(sizeof(real)*8);
 291 #endif
 292
 293     switch (nb_kernel_type)
 294     {
 295         case nbnxnk4x4_PlainC:
 296             cj_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 297             break;
 298         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 299             cj_size = nbnxn_simd_width;
 300             break;
 301         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 302             cj_size = nbnxn_simd_width/2;
 303             break;
 304         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 305         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 306             cj_size = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
 307             break;
 308         default:
 309             gmx_incons("unknown kernel type");
 310     }
 311
 312     return cj_size;
 313 }
 314
 315 static int ci_to_cj(int na_cj_2log, int ci)
 316 {
 317     switch (na_cj_2log)
 318     {
 319         case 2: return ci;     break;
 320         case 1: return (ci<<1); break;
 321         case 3: return (ci>>1); break;
 322     }
 323
 324     return 0;
 325 }
 326
 327 gmx_bool nbnxn_kernel_pairlist_simple(int nb_kernel_type)
 328 {
 329     if (nb_kernel_type == nbnxnkNotSet)
 330     {
 331         gmx_fatal(FARGS, "Non-bonded kernel type not set for Verlet-style pair-list.");
 332     }
 333
 334     switch (nb_kernel_type)
 335     {
 336         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 337         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 338             return FALSE;
 339
 340         case nbnxnk4x4_PlainC:
 341         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 342         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 343             return TRUE;
 344
 345         default:
 346             gmx_incons("Invalid nonbonded kernel type passed!");
 347             return FALSE;
 348     }
 349 }
 350
 351 void nbnxn_init_search(nbnxn_search_t    * nbs_ptr,
 352                        ivec               *n_dd_cells,
 353                        gmx_domdec_zones_t *zones,
 354                        int                 nthread_max)
 355 {
 356     nbnxn_search_t nbs;
 357     int            d, g, t;
 358
 359     snew(nbs, 1);
 360     *nbs_ptr = nbs;
 361
 362     nbs->DomDec = (n_dd_cells != NULL);
 363
 364     clear_ivec(nbs->dd_dim);
 365     nbs->ngrid = 1;
 366     if (nbs->DomDec)
 367     {
 368         nbs->zones = zones;
 369
 370         for (d = 0; d < DIM; d++)
 371         {
 372             if ((*n_dd_cells)[d] > 1)
 373             {
 374                 nbs->dd_dim[d] = 1;
 375                 /* Each grid matches a DD zone */
 376                 nbs->ngrid *= 2;
 377             }
 378         }
 379     }
 380
 381     snew(nbs->grid, nbs->ngrid);
 382     for (g = 0; g < nbs->ngrid; g++)
 383     {
 384         nbnxn_grid_init(&nbs->grid[g]);
 385     }
 386     nbs->cell        = NULL;
 387     nbs->cell_nalloc = 0;
 388     nbs->a           = NULL;
 389     nbs->a_nalloc    = 0;
 390
 391     nbs->nthread_max = nthread_max;
 392
 393     /* Initialize the work data structures for each thread */
 394     snew(nbs->work, nbs->nthread_max);
 395     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 396     {
 397         nbs->work[t].cxy_na           = NULL;
 398         nbs->work[t].cxy_na_nalloc    = 0;
 399         nbs->work[t].sort_work        = NULL;
 400         nbs->work[t].sort_work_nalloc = 0;
 401     }
 402
 403     /* Initialize detailed nbsearch cycle counting */
 404     nbs->print_cycles = (getenv("GMX_NBNXN_CYCLE") != 0);
 405     nbs->search_count = 0;
 406     nbs_cycle_clear(nbs->cc);
 407     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 408     {
 409         nbs_cycle_clear(nbs->work[t].cc);
 410     }
 411 }
 412
 413 static real grid_atom_density(int n, rvec corner0, rvec corner1)
 414 {
 415     rvec size;
 416
 417     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 418
 419     return n/(size[XX]*size[YY]*size[ZZ]);
 420 }
 421
 422 static int set_grid_size_xy(const nbnxn_search_t nbs,
 423                             nbnxn_grid_t *grid,
 424                             int dd_zone,
 425                             int n, rvec corner0, rvec corner1,
 426                             real atom_density,
 427                             int XFormat)
 428 {
 429     rvec size;
 430     int  na_c;
 431     real adens, tlen, tlen_x, tlen_y, nc_max;
 432     int  t;
 433
 434     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 435
 436     if (n > grid->na_sc)
 437     {
 438         /* target cell length */
 439         if (grid->bSimple)
 440         {
 441             /* To minimize the zero interactions, we should make
 442              * the largest of the i/j cell cubic.
 443              */
 444             na_c = max(grid->na_c, grid->na_cj);
 445
 446             /* Approximately cubic cells */
 447             tlen   = pow(na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 448             tlen_x = tlen;
 449             tlen_y = tlen;
 450         }
 451         else
 452         {
 453             /* Approximately cubic sub cells */
 454             tlen   = pow(grid->na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 455             tlen_x = tlen*GPU_NSUBCELL_X;
 456             tlen_y = tlen*GPU_NSUBCELL_Y;
 457         }
 458         /* We round ncx and ncy down, because we get less cell pairs
 459          * in the nbsist when the fixed cell dimensions (x,y) are
 460          * larger than the variable one (z) than the other way around.
 461          */
 462         grid->ncx = max(1, (int)(size[XX]/tlen_x));
 463         grid->ncy = max(1, (int)(size[YY]/tlen_y));
 464     }
 465     else
 466     {
 467         grid->ncx = 1;
 468         grid->ncy = 1;
 469     }
 470
 471     grid->sx     = size[XX]/grid->ncx;
 472     grid->sy     = size[YY]/grid->ncy;
 473     grid->inv_sx = 1/grid->sx;
 474     grid->inv_sy = 1/grid->sy;
 475
 476     if (dd_zone > 0)
 477     {
 478         /* This is a non-home zone, add an extra row of cells
 479          * for particles communicated for bonded interactions.
 480          * These can be beyond the cut-off. It doesn't matter where
 481          * they end up on the grid, but for performance it's better
 482          * if they don't end up in cells that can be within cut-off range.
 483          */
 484         grid->ncx++;
 485         grid->ncy++;
 486     }
 487
 488     /* We need one additional cell entry for particles moved by DD */
 489     if (grid->ncx*grid->ncy+1 > grid->cxy_nalloc)
 490     {
 491         grid->cxy_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 492         srenew(grid->cxy_na, grid->cxy_nalloc);
 493         srenew(grid->cxy_ind, grid->cxy_nalloc+1);
 494     }
 495     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 496     {
 497         if (grid->ncx*grid->ncy+1 > nbs->work[t].cxy_na_nalloc)
 498         {
 499             nbs->work[t].cxy_na_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 500             srenew(nbs->work[t].cxy_na, nbs->work[t].cxy_na_nalloc);
 501         }
 502     }
 503
 504     /* Worst case scenario of 1 atom in each last cell */
 505     if (grid->na_cj <= grid->na_c)
 506     {
 507         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy;
 508     }
 509     else
 510     {
 511         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy*grid->na_cj/grid->na_c;
 512     }
 513
 514     if (nc_max > grid->nc_nalloc)
 515     {
 516         int bb_nalloc;
 517
 518         grid->nc_nalloc = over_alloc_large(nc_max);
 519         srenew(grid->nsubc, grid->nc_nalloc);
 520         srenew(grid->bbcz, grid->nc_nalloc*NNBSBB_D);
 521 #ifdef NBNXN_PBB_SSE
 522         bb_nalloc = grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX;
 523 #else
 524         bb_nalloc = grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL*NNBSBB_B;
 525 #endif
 526         sfree_aligned(grid->bb);
 527         /* This snew also zeros the contents, this avoid possible
 528          * floating exceptions in SSE with the unused bb elements.
 529          */
 530         snew_aligned(grid->bb, bb_nalloc, 16);
 531
 532         if (grid->bSimple)
 533         {
 534             if (grid->na_cj == grid->na_c)
 535             {
 536                 grid->bbj = grid->bb;
 537             }
 538             else
 539             {
 540                 sfree_aligned(grid->bbj);
 541                 snew_aligned(grid->bbj, bb_nalloc*grid->na_c/grid->na_cj, 16);
 542             }
 543         }
 544
 545         srenew(grid->flags, grid->nc_nalloc);
 546     }
 547
 548     copy_rvec(corner0, grid->c0);
 549     copy_rvec(corner1, grid->c1);
 550
 551     return nc_max;
 552 }
 553
 554 /* We need to sort paricles in grid columns on z-coordinate.
 555  * As particle are very often distributed homogeneously, we a sorting
 556  * algorithm similar to pigeonhole sort. We multiply the z-coordinate
 557  * by a factor, cast to an int and try to store in that hole. If the hole
 558  * is full, we move this or another particle. A second pass is needed to make
 559  * contiguous elements. SORT_GRID_OVERSIZE is the ratio of holes to particles.
 560  * 4 is the optimal value for homogeneous particle distribution and allows
 561  * for an O(#particles) sort up till distributions were all particles are
 562  * concentrated in 1/4 of the space. No NlogN fallback is implemented,
 563  * as it can be expensive to detect imhomogeneous particle distributions.
 564  * SGSF is the maximum ratio of holes used, in the worst case all particles
 565  * end up in the last hole and we need #particles extra holes at the end.
 566  */
 567 #define SORT_GRID_OVERSIZE 4
 568 #define SGSF (SORT_GRID_OVERSIZE + 1)
 569
 570 /* Sort particle index a on coordinates x along dim.
 571  * Backwards tells if we want decreasing iso increasing coordinates.
 572  * h0 is the minimum of the coordinate range.
 573  * invh is the inverse hole spacing.
 574  * nsort, the theortical hole limit, is only used for debugging.
 575  * sort is the sorting work array.
 576  */
 577 static void sort_atoms(int dim, gmx_bool Backwards,
 578                        int *a, int n, rvec *x,
 579                        real h0, real invh, int nsort, int *sort)
 580 {
 581     int i, c;
 582     int zi, zim, zi_min, zi_max;
 583     int cp, tmp;
 584
 585     if (n <= 1)
 586     {
 587         /* Nothing to do */
 588         return;
 589     }
 590
 591     /* Determine the index range used, so we can limit it for the second pass */
 592     zi_min = INT_MAX;
 593     zi_max = -1;
 594
 595     /* Sort the particles using a simple index sort */
 596     for (i = 0; i < n; i++)
 597     {
 598         /* The cast takes care of float-point rounding effects below zero.
 599          * This code assumes particles are less than 1/SORT_GRID_OVERSIZE
 600          * times the box height out of the box.
 601          */
 602         zi = (int)((x[a[i]][dim] - h0)*invh);
 603
 604 #ifdef DEBUG_NBNXN_GRIDDING
 605         if (zi < 0 || zi >= nsort)
 606         {
 607             gmx_fatal(FARGS, "(int)((x[%d][%c]=%f - %f)*%f) = %d, not in 0 - %d\n",
 608                       a[i], 'x'+dim, x[a[i]][dim], h0, invh, zi, nsort);
 609         }
 610 #endif
 611
 612         /* Ideally this particle should go in sort cell zi,
 613          * but that might already be in use,
 614          * in that case find the first empty cell higher up
 615          */
 616         if (sort[zi] < 0)
 617         {
 618             sort[zi] = a[i];
 619             zi_min   = min(zi_min, zi);
 620             zi_max   = max(zi_max, zi);
 621         }
 622         else
 623         {
 624             /* We have multiple atoms in the same sorting slot.
 625              * Sort on real z for minimal bounding box size.
 626              * There is an extra check for identical z to ensure
 627              * well-defined output order, independent of input order
 628              * to ensure binary reproducibility after restarts.
 629              */
 630             while (sort[zi] >= 0 && ( x[a[i]][dim] >  x[sort[zi]][dim] ||
 631                                       (x[a[i]][dim] == x[sort[zi]][dim] &&
 632                                        a[i] > sort[zi])))
 633             {
 634                 zi++;
 635             }
 636
 637             if (sort[zi] >= 0)
 638             {
 639                 /* Shift all elements by one slot until we find an empty slot */
 640                 cp  = sort[zi];
 641                 zim = zi + 1;
 642                 while (sort[zim] >= 0)
 643                 {
 644                     tmp       = sort[zim];
 645                     sort[zim] = cp;
 646                     cp        = tmp;
 647                     zim++;
 648                 }
 649                 sort[zim] = cp;
 650                 zi_max    = max(zi_max, zim);
 651             }
 652             sort[zi] = a[i];
 653             zi_max   = max(zi_max, zi);
 654         }
 655     }
 656
 657     c = 0;
 658     if (!Backwards)
 659     {
 660         for (zi = 0; zi < nsort; zi++)
 661         {
 662             if (sort[zi] >= 0)
 663             {
 664                 a[c++]   = sort[zi];
 665                 sort[zi] = -1;
 666             }
 667         }
 668     }
 669     else
 670     {
 671         for (zi = zi_max; zi >= zi_min; zi--)
 672         {
 673             if (sort[zi] >= 0)
 674             {
 675                 a[c++]   = sort[zi];
 676                 sort[zi] = -1;
 677             }
 678         }
 679     }
 680     if (c < n)
 681     {
 682         gmx_incons("Lost particles while sorting");
 683     }
 684 }
 685
 686 #ifdef GMX_DOUBLE
 687 #define R2F_D(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 688 #define R2F_U(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 689 #else
 690 #define R2F_D(x) (x)
 691 #define R2F_U(x) (x)
 692 #endif
 693
 694 /* Coordinate order x,y,z, bb order xyz0 */
 695 static void calc_bounding_box(int na, int stride, const real *x, float *bb)
 696 {
 697     int  i, j;
 698     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 699
 700     i  = 0;
 701     xl = x[i+XX];
 702     xh = x[i+XX];
 703     yl = x[i+YY];
 704     yh = x[i+YY];
 705     zl = x[i+ZZ];
 706     zh = x[i+ZZ];
 707     i += stride;
 708     for (j = 1; j < na; j++)
 709     {
 710         xl = min(xl, x[i+XX]);
 711         xh = max(xh, x[i+XX]);
 712         yl = min(yl, x[i+YY]);
 713         yh = max(yh, x[i+YY]);
 714         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 715         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 716         i += stride;
 717     }
 718     /* Note: possible double to float conversion here */
 719     bb[BBL_X] = R2F_D(xl);
 720     bb[BBL_Y] = R2F_D(yl);
 721     bb[BBL_Z] = R2F_D(zl);
 722     bb[BBU_X] = R2F_U(xh);
 723     bb[BBU_Y] = R2F_U(yh);
 724     bb[BBU_Z] = R2F_U(zh);
 725 }
 726
 727 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 728 static void calc_bounding_box_x_x4(int na, const real *x, float *bb)
 729 {
 730     int  j;
 731     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 732
 733     xl = x[XX*PACK_X4];
 734     xh = x[XX*PACK_X4];
 735     yl = x[YY*PACK_X4];
 736     yh = x[YY*PACK_X4];
 737     zl = x[ZZ*PACK_X4];
 738     zh = x[ZZ*PACK_X4];
 739     for (j = 1; j < na; j++)
 740     {
 741         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X4]);
 742         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X4]);
 743         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X4]);
 744         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X4]);
 745         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 746         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 747     }
 748     /* Note: possible double to float conversion here */
 749     bb[BBL_X] = R2F_D(xl);
 750     bb[BBL_Y] = R2F_D(yl);
 751     bb[BBL_Z] = R2F_D(zl);
 752     bb[BBU_X] = R2F_U(xh);
 753     bb[BBU_Y] = R2F_U(yh);
 754     bb[BBU_Z] = R2F_U(zh);
 755 }
 756
 757 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 758 static void calc_bounding_box_x_x8(int na, const real *x, float *bb)
 759 {
 760     int  j;
 761     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 762
 763     xl = x[XX*PACK_X8];
 764     xh = x[XX*PACK_X8];
 765     yl = x[YY*PACK_X8];
 766     yh = x[YY*PACK_X8];
 767     zl = x[ZZ*PACK_X8];
 768     zh = x[ZZ*PACK_X8];
 769     for (j = 1; j < na; j++)
 770     {
 771         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X8]);
 772         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X8]);
 773         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X8]);
 774         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X8]);
 775         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 776         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 777     }
 778     /* Note: possible double to float conversion here */
 779     bb[BBL_X] = R2F_D(xl);
 780     bb[BBL_Y] = R2F_D(yl);
 781     bb[BBL_Z] = R2F_D(zl);
 782     bb[BBU_X] = R2F_U(xh);
 783     bb[BBU_Y] = R2F_U(yh);
 784     bb[BBU_Z] = R2F_U(zh);
 785 }
 786
 787 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SSE
 788
 789 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 790 static void calc_bounding_box_x_x4_halves(int na, const real *x,
 791                                           float *bb, float *bbj)
 792 {
 793     calc_bounding_box_x_x4(min(na, 2), x, bbj);
 794
 795     if (na > 2)
 796     {
 797         calc_bounding_box_x_x4(min(na-2, 2), x+(PACK_X4>>1), bbj+NNBSBB_B);
 798     }
 799     else
 800     {
 801         /* Set the "empty" bounding box to the same as the first one,
 802          * so we don't need to treat special cases in the rest of the code.
 803          */
 804         _mm_store_ps(bbj+NNBSBB_B, _mm_load_ps(bbj));
 805         _mm_store_ps(bbj+NNBSBB_B+NNBSBB_C, _mm_load_ps(bbj+NNBSBB_C));
 806     }
 807
 808     _mm_store_ps(bb, _mm_min_ps(_mm_load_ps(bbj),
 809                                 _mm_load_ps(bbj+NNBSBB_B)));
 810     _mm_store_ps(bb+NNBSBB_C, _mm_max_ps(_mm_load_ps(bbj+NNBSBB_C),
 811                                          _mm_load_ps(bbj+NNBSBB_B+NNBSBB_C)));
 812 }
 813
 814 /* Coordinate order xyz, bb order xxxxyyyyzzzz */
 815 static void calc_bounding_box_xxxx(int na, int stride, const real *x, float *bb)
 816 {
 817     int  i, j;
 818     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 819
 820     i  = 0;
 821     xl = x[i+XX];
 822     xh = x[i+XX];
 823     yl = x[i+YY];
 824     yh = x[i+YY];
 825     zl = x[i+ZZ];
 826     zh = x[i+ZZ];
 827     i += stride;
 828     for (j = 1; j < na; j++)
 829     {
 830         xl = min(xl, x[i+XX]);
 831         xh = max(xh, x[i+XX]);
 832         yl = min(yl, x[i+YY]);
 833         yh = max(yh, x[i+YY]);
 834         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 835         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 836         i += stride;
 837     }
 838     /* Note: possible double to float conversion here */
 839     bb[0*STRIDE_PBB] = R2F_D(xl);
 840     bb[1*STRIDE_PBB] = R2F_D(yl);
 841     bb[2*STRIDE_PBB] = R2F_D(zl);
 842     bb[3*STRIDE_PBB] = R2F_U(xh);
 843     bb[4*STRIDE_PBB] = R2F_U(yh);
 844     bb[5*STRIDE_PBB] = R2F_U(zh);
 845 }
 846
 847 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SSE */
 848
 849 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE
 850
 851 /* Coordinate order xyz?, bb order xyz0 */
 852 static void calc_bounding_box_sse(int na, const float *x, float *bb)
 853 {
 854     __m128 bb_0_SSE, bb_1_SSE;
 855     __m128 x_SSE;
 856
 857     int    i;
 858
 859     bb_0_SSE = _mm_load_ps(x);
 860     bb_1_SSE = bb_0_SSE;
 861
 862     for (i = 1; i < na; i++)
 863     {
 864         x_SSE    = _mm_load_ps(x+i*NNBSBB_C);
 865         bb_0_SSE = _mm_min_ps(bb_0_SSE, x_SSE);
 866         bb_1_SSE = _mm_max_ps(bb_1_SSE, x_SSE);
 867     }
 868
 869     _mm_store_ps(bb, bb_0_SSE);
 870     _mm_store_ps(bb+4, bb_1_SSE);
 871 }
 872
 873 /* Coordinate order xyz?, bb order xxxxyyyyzzzz */
 874 static void calc_bounding_box_xxxx_sse(int na, const float *x,
 875                                        float *bb_work,
 876                                        real *bb)
 877 {
 878     calc_bounding_box_sse(na, x, bb_work);
 879
 880     bb[0*STRIDE_PBB] = bb_work[BBL_X];
 881     bb[1*STRIDE_PBB] = bb_work[BBL_Y];
 882     bb[2*STRIDE_PBB] = bb_work[BBL_Z];
 883     bb[3*STRIDE_PBB] = bb_work[BBU_X];
 884     bb[4*STRIDE_PBB] = bb_work[BBU_Y];
 885     bb[5*STRIDE_PBB] = bb_work[BBU_Z];
 886 }
 887
 888 #endif /* NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE */
 889
 890 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SSE
 891
 892 /* Combines pairs of consecutive bounding boxes */
 893 static void combine_bounding_box_pairs(nbnxn_grid_t *grid, const float *bb)
 894 {
 895     int    i, j, sc2, nc2, c2;
 896     __m128 min_SSE, max_SSE;
 897
 898     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
 899     {
 900         /* Starting bb in a column is expected to be 2-aligned */
 901         sc2 = grid->cxy_ind[i]>>1;
 902         /* For odd numbers skip the last bb here */
 903         nc2 = (grid->cxy_na[i]+3)>>(2+1);
 904         for (c2 = sc2; c2 < sc2+nc2; c2++)
 905         {
 906             min_SSE = _mm_min_ps(_mm_load_ps(bb+(c2*4+0)*NNBSBB_C),
 907                                  _mm_load_ps(bb+(c2*4+2)*NNBSBB_C));
 908             max_SSE = _mm_max_ps(_mm_load_ps(bb+(c2*4+1)*NNBSBB_C),
 909                                  _mm_load_ps(bb+(c2*4+3)*NNBSBB_C));
 910             _mm_store_ps(grid->bbj+(c2*2+0)*NNBSBB_C, min_SSE);
 911             _mm_store_ps(grid->bbj+(c2*2+1)*NNBSBB_C, max_SSE);
 912         }
 913         if (((grid->cxy_na[i]+3)>>2) & 1)
 914         {
 915             /* Copy the last bb for odd bb count in this column */
 916             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 917             {
 918                 grid->bbj[(c2*2+0)*NNBSBB_C+j] = bb[(c2*4+0)*NNBSBB_C+j];
 919                 grid->bbj[(c2*2+1)*NNBSBB_C+j] = bb[(c2*4+1)*NNBSBB_C+j];
 920             }
 921         }
 922     }
 923 }
 924
 925 #endif
 926
 927
 928 /* Prints the average bb size, used for debug output */
 929 static void print_bbsizes_simple(FILE                *fp,
 930                                  const nbnxn_search_t nbs,
 931                                  const nbnxn_grid_t  *grid)
 932 {
 933     int  c, d;
 934     dvec ba;
 935
 936     clear_dvec(ba);
 937     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
 938     {
 939         for (d = 0; d < DIM; d++)
 940         {
 941             ba[d] += grid->bb[c*NNBSBB_B+NNBSBB_C+d] - grid->bb[c*NNBSBB_B+d];
 942         }
 943     }
 944     dsvmul(1.0/grid->nc, ba, ba);
 945
 946     fprintf(fp, "ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
 947             nbs->box[XX][XX]/grid->ncx,
 948             nbs->box[YY][YY]/grid->ncy,
 949             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/grid->nc,
 950             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
 951             ba[XX]*grid->ncx/nbs->box[XX][XX],
 952             ba[YY]*grid->ncy/nbs->box[YY][YY],
 953             ba[ZZ]*grid->nc/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
 954 }
 955
 956 /* Prints the average bb size, used for debug output */
 957 static void print_bbsizes_supersub(FILE                *fp,
 958                                    const nbnxn_search_t nbs,
 959                                    const nbnxn_grid_t  *grid)
 960 {
 961     int  ns, c, s;
 962     dvec ba;
 963
 964     clear_dvec(ba);
 965     ns = 0;
 966     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
 967     {
 968 #ifdef NBNXN_BBXXXX
 969         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s += STRIDE_PBB)
 970         {
 971             int cs_w, i, d;
 972
 973             cs_w = (c*GPU_NSUBCELL + s)/STRIDE_PBB;
 974             for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
 975             {
 976                 for (d = 0; d < DIM; d++)
 977                 {
 978                     ba[d] +=
 979                         grid->bb[cs_w*NNBSBB_XXXX+(DIM+d)*STRIDE_PBB+i] -
 980                         grid->bb[cs_w*NNBSBB_XXXX+     d *STRIDE_PBB+i];
 981                 }
 982             }
 983         }
 984 #else
 985         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s++)
 986         {
 987             int cs, d;
 988
 989             cs = c*GPU_NSUBCELL + s;
 990             for (d = 0; d < DIM; d++)
 991             {
 992                 ba[d] +=
 993                     grid->bb[cs*NNBSBB_B+NNBSBB_C+d] -
 994                     grid->bb[cs*NNBSBB_B         +d];
 995             }
 996         }
 997 #endif
 998         ns += grid->nsubc[c];
 999     }
1000     dsvmul(1.0/ns, ba, ba);
1001
1002     fprintf(fp, "ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1003             nbs->box[XX][XX]/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X),
1004             nbs->box[YY][YY]/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y),
1005             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z),
1006             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1007             ba[XX]*grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X/nbs->box[XX][XX],
1008             ba[YY]*grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y/nbs->box[YY][YY],
1009             ba[ZZ]*grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
1010 }
1011
1012 /* Potentially sorts atoms on LJ coefficients !=0 and ==0.
1013  * Also sets interaction flags.
1014  */
1015 void sort_on_lj(nbnxn_atomdata_t *nbat, int na_c,
1016                 int a0, int a1, const int *atinfo,
1017                 int *order,
1018                 int *flags)
1019 {
1020     int      subc, s, a, n1, n2, a_lj_max, i, j;
1021     int      sort1[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1022     int      sort2[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1023     gmx_bool haveQ;
1024
1025     *flags = 0;
1026
1027     subc = 0;
1028     for (s = a0; s < a1; s += na_c)
1029     {
1030         /* Make lists for this (sub-)cell on atoms with and without LJ */
1031         n1       = 0;
1032         n2       = 0;
1033         haveQ    = FALSE;
1034         a_lj_max = -1;
1035         for (a = s; a < min(s+na_c, a1); a++)
1036         {
1037             haveQ = haveQ || GET_CGINFO_HAS_Q(atinfo[order[a]]);
1038
1039             if (GET_CGINFO_HAS_VDW(atinfo[order[a]]))
1040             {
1041                 sort1[n1++] = order[a];
1042                 a_lj_max    = a;
1043             }
1044             else
1045             {
1046                 sort2[n2++] = order[a];
1047             }
1048         }
1049
1050         /* If we don't have atom with LJ, there's nothing to sort */
1051         if (n1 > 0)
1052         {
1053             *flags |= NBNXN_CI_DO_LJ(subc);
1054
1055             if (2*n1 <= na_c)
1056             {
1057                 /* Only sort when strictly necessary. Ordering particles
1058                  * Ordering particles can lead to less accurate summation
1059                  * due to rounding, both for LJ and Coulomb interactions.
1060                  */
1061                 if (2*(a_lj_max - s) >= na_c)
1062                 {
1063                     for (i = 0; i < n1; i++)
1064                     {
1065                         order[a0+i] = sort1[i];
1066                     }
1067                     for (j = 0; j < n2; j++)
1068                     {
1069                         order[a0+n1+j] = sort2[j];
1070                     }
1071                 }
1072
1073                 *flags |= NBNXN_CI_HALF_LJ(subc);
1074             }
1075         }
1076         if (haveQ)
1077         {
1078             *flags |= NBNXN_CI_DO_COUL(subc);
1079         }
1080         subc++;
1081     }
1082 }
1083
1084 /* Fill a pair search cell with atoms.
1085  * Potentially sorts atoms and sets the interaction flags.
1086  */
1087 void fill_cell(const nbnxn_search_t nbs,
1088                nbnxn_grid_t *grid,
1089                nbnxn_atomdata_t *nbat,
1090                int a0, int a1,
1091                const int *atinfo,
1092                rvec *x,
1093                int sx, int sy, int sz,
1094                float *bb_work)
1095 {
1096     int     na, a;
1097     size_t  offset;
1098     float  *bb_ptr;
1099
1100     na = a1 - a0;
1101
1102     if (grid->bSimple)
1103     {
1104         sort_on_lj(nbat, grid->na_c, a0, a1, atinfo, nbs->a,
1105                    grid->flags+(a0>>grid->na_c_2log)-grid->cell0);
1106     }
1107
1108     /* Now we have sorted the atoms, set the cell indices */
1109     for (a = a0; a < a1; a++)
1110     {
1111         nbs->cell[nbs->a[a]] = a;
1112     }
1113
1114     copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+a0, a1-a0, grid->na_c, x,
1115                            nbat->XFormat, nbat->x, a0,
1116                            sx, sy, sz);
1117
1118     if (nbat->XFormat == nbatX4)
1119     {
1120         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1121         offset = ((a0 - grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log)*NNBSBB_B;
1122         bb_ptr = grid->bb + offset;
1123
1124 #if defined GMX_DOUBLE && defined NBNXN_SEARCH_BB_SSE
1125         if (2*grid->na_cj == grid->na_c)
1126         {
1127             calc_bounding_box_x_x4_halves(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr,
1128                                           grid->bbj+offset*2);
1129         }
1130         else
1131 #endif
1132         {
1133             calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr);
1134         }
1135     }
1136     else if (nbat->XFormat == nbatX8)
1137     {
1138         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1139         offset = ((a0 - grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log)*NNBSBB_B;
1140         bb_ptr = grid->bb + offset;
1141
1142         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(a0), bb_ptr);
1143     }
1144 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1145     else if (!grid->bSimple)
1146     {
1147         /* Store the bounding boxes in a format convenient
1148          * for SSE calculations: xxxxyyyyzzzz...
1149          */
1150         bb_ptr =
1151             grid->bb +
1152             ((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>(grid->na_c_2log+STRIDE_PBB_2LOG))*NNBSBB_XXXX +
1153             (((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log) & (STRIDE_PBB-1));
1154
1155 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE
1156         if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
1157         {
1158             calc_bounding_box_xxxx_sse(na, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1159                                        bb_work, bb_ptr);
1160         }
1161         else
1162 #endif
1163         {
1164             calc_bounding_box_xxxx(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1165                                    bb_ptr);
1166         }
1167         if (gmx_debug_at)
1168         {
1169             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1170                     sx, sy, sz,
1171                     bb_ptr[0*STRIDE_PBB], bb_ptr[3*STRIDE_PBB],
1172                     bb_ptr[1*STRIDE_PBB], bb_ptr[4*STRIDE_PBB],
1173                     bb_ptr[2*STRIDE_PBB], bb_ptr[5*STRIDE_PBB]);
1174         }
1175     }
1176 #endif
1177     else
1178     {
1179         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1180         bb_ptr = grid->bb+((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log)*NNBSBB_B;
1181
1182         calc_bounding_box(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1183                           bb_ptr);
1184
1185         if (gmx_debug_at)
1186         {
1187             int bbo;
1188             bbo = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc)/grid->na_c;
1189             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1190                     sx, sy, sz,
1191                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBL_X],
1192                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBU_X],
1193                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBL_Y],
1194                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBU_Y],
1195                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBL_Z],
1196                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBU_Z]);
1197         }
1198     }
1199 }
1200
1201 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1202 static void sort_columns_simple(const nbnxn_search_t nbs,
1203                                 int dd_zone,
1204                                 nbnxn_grid_t *grid,
1205                                 int a0, int a1,
1206                                 const int *atinfo,
1207                                 rvec *x,
1208                                 nbnxn_atomdata_t *nbat,
1209                                 int cxy_start, int cxy_end,
1210                                 int *sort_work)
1211 {
1212     int  cxy;
1213     int  cx, cy, cz, ncz, cfilled, c;
1214     int  na, ash, ind, a;
1215     int  na_c, ash_c;
1216
1217     if (debug)
1218     {
1219         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1220                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1221     }
1222
1223     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1224     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1225     {
1226         cx = cxy/grid->ncy;
1227         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1228
1229         na  = grid->cxy_na[cxy];
1230         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1231         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1232
1233         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1234         sort_atoms(ZZ, FALSE,
1235                    nbs->a+ash, na, x,
1236                    grid->c0[ZZ],
1237                    ncz*grid->na_sc*SORT_GRID_OVERSIZE/nbs->box[ZZ][ZZ],
1238                    ncz*grid->na_sc*SGSF, sort_work);
1239
1240         /* Fill the ncz cells in this column */
1241         cfilled = grid->cxy_ind[cxy];
1242         for (cz = 0; cz < ncz; cz++)
1243         {
1244             c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1245
1246             ash_c = ash + cz*grid->na_sc;
1247             na_c  = min(grid->na_sc, na-(ash_c-ash));
1248
1249             fill_cell(nbs, grid, nbat,
1250                       ash_c, ash_c+na_c, atinfo, x,
1251                       grid->na_sc*cx + (dd_zone >> 2),
1252                       grid->na_sc*cy + (dd_zone & 3),
1253                       grid->na_sc*cz,
1254                       NULL);
1255
1256             /* This copy to bbcz is not really necessary.
1257              * But it allows to use the same grid search code
1258              * for the simple and supersub cell setups.
1259              */
1260             if (na_c > 0)
1261             {
1262                 cfilled = c;
1263             }
1264             grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = grid->bb[cfilled*NNBSBB_B+2];
1265             grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = grid->bb[cfilled*NNBSBB_B+6];
1266         }
1267
1268         /* Set the unused atom indices to -1 */
1269         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1270         {
1271             nbs->a[ash+ind] = -1;
1272         }
1273     }
1274 }
1275
1276 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1277 static void sort_columns_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
1278                                   int dd_zone,
1279                                   nbnxn_grid_t *grid,
1280                                   int a0, int a1,
1281                                   const int *atinfo,
1282                                   rvec *x,
1283                                   nbnxn_atomdata_t *nbat,
1284                                   int cxy_start, int cxy_end,
1285                                   int *sort_work)
1286 {
1287     int  cxy;
1288     int  cx, cy, cz = -1, c = -1, ncz;
1289     int  na, ash, na_c, ind, a;
1290     int  subdiv_z, sub_z, na_z, ash_z;
1291     int  subdiv_y, sub_y, na_y, ash_y;
1292     int  subdiv_x, sub_x, na_x, ash_x;
1293
1294     /* cppcheck-suppress unassignedVariable */
1295     float bb_work_array[NNBSBB_B+3], *bb_work_align;
1296
1297     bb_work_align = (float *)(((size_t)(bb_work_array+3)) & (~((size_t)15)));
1298
1299     if (debug)
1300     {
1301         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1302                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1303     }
1304
1305     subdiv_x = grid->na_c;
1306     subdiv_y = GPU_NSUBCELL_X*subdiv_x;
1307     subdiv_z = GPU_NSUBCELL_Y*subdiv_y;
1308
1309     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1310     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1311     {
1312         cx = cxy/grid->ncy;
1313         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1314
1315         na  = grid->cxy_na[cxy];
1316         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1317         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1318
1319         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1320         sort_atoms(ZZ, FALSE,
1321                    nbs->a+ash, na, x,
1322                    grid->c0[ZZ],
1323                    ncz*grid->na_sc*SORT_GRID_OVERSIZE/nbs->box[ZZ][ZZ],
1324                    ncz*grid->na_sc*SGSF, sort_work);
1325
1326         /* This loop goes over the supercells and subcells along z at once */
1327         for (sub_z = 0; sub_z < ncz*GPU_NSUBCELL_Z; sub_z++)
1328         {
1329             ash_z = ash + sub_z*subdiv_z;
1330             na_z  = min(subdiv_z, na-(ash_z-ash));
1331
1332             /* We have already sorted on z */
1333
1334             if (sub_z % GPU_NSUBCELL_Z == 0)
1335             {
1336                 cz = sub_z/GPU_NSUBCELL_Z;
1337                 c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1338
1339                 /* The number of atoms in this supercell */
1340                 na_c = min(grid->na_sc, na-(ash_z-ash));
1341
1342                 grid->nsubc[c] = min(GPU_NSUBCELL, (na_c+grid->na_c-1)/grid->na_c);
1343
1344                 /* Store the z-boundaries of the super cell */
1345                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = x[nbs->a[ash_z]][ZZ];
1346                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = x[nbs->a[ash_z+na_c-1]][ZZ];
1347             }
1348
1349 #if GPU_NSUBCELL_Y > 1
1350             /* Sort the atoms along y */
1351             sort_atoms(YY, (sub_z & 1),
1352                        nbs->a+ash_z, na_z, x,
1353                        grid->c0[YY]+cy*grid->sy, grid->inv_sy,
1354                        subdiv_y*SGSF, sort_work);
1355 #endif
1356
1357             for (sub_y = 0; sub_y < GPU_NSUBCELL_Y; sub_y++)
1358             {
1359                 ash_y = ash_z + sub_y*subdiv_y;
1360                 na_y  = min(subdiv_y, na-(ash_y-ash));
1361
1362 #if GPU_NSUBCELL_X > 1
1363                 /* Sort the atoms along x */
1364                 sort_atoms(XX, ((cz*GPU_NSUBCELL_Y + sub_y) & 1),
1365                            nbs->a+ash_y, na_y, x,
1366                            grid->c0[XX]+cx*grid->sx, grid->inv_sx,
1367                            subdiv_x*SGSF, sort_work);
1368 #endif
1369
1370                 for (sub_x = 0; sub_x < GPU_NSUBCELL_X; sub_x++)
1371                 {
1372                     ash_x = ash_y + sub_x*subdiv_x;
1373                     na_x  = min(subdiv_x, na-(ash_x-ash));
1374
1375                     fill_cell(nbs, grid, nbat,
1376                               ash_x, ash_x+na_x, atinfo, x,
1377                               grid->na_c*(cx*GPU_NSUBCELL_X+sub_x) + (dd_zone >> 2),
1378                               grid->na_c*(cy*GPU_NSUBCELL_Y+sub_y) + (dd_zone & 3),
1379                               grid->na_c*sub_z,
1380                               bb_work_align);
1381                 }
1382             }
1383         }
1384
1385         /* Set the unused atom indices to -1 */
1386         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1387         {
1388             nbs->a[ash+ind] = -1;
1389         }
1390     }
1391 }
1392
1393 /* Determine in which grid column atoms should go */
1394 static void calc_column_indices(nbnxn_grid_t *grid,
1395                                 int a0, int a1,
1396                                 rvec *x,
1397                                 int dd_zone, const int *move,
1398                                 int thread, int nthread,
1399                                 int *cell,
1400                                 int *cxy_na)
1401 {
1402     int  n0, n1, i;
1403     int  cx, cy;
1404
1405     /* We add one extra cell for particles which moved during DD */
1406     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1407     {
1408         cxy_na[i] = 0;
1409     }
1410
1411     n0 = a0 + (int)((thread+0)*(a1 - a0))/nthread;
1412     n1 = a0 + (int)((thread+1)*(a1 - a0))/nthread;
1413     if (dd_zone == 0)
1414     {
1415         /* Home zone */
1416         for (i = n0; i < n1; i++)
1417         {
1418             if (move == NULL || move[i] >= 0)
1419             {
1420                 /* We need to be careful with rounding,
1421                  * particles might be a few bits outside the local zone.
1422                  * The int cast takes care of the lower bound,
1423                  * we will explicitly take care of the upper bound.
1424                  */
1425                 cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1426                 cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1427
1428 #ifdef DEBUG_NBNXN_GRIDDING
1429                 if (cx < 0 || cx >= grid->ncx ||
1430                     cy < 0 || cy >= grid->ncy)
1431                 {
1432                     gmx_fatal(FARGS,
1433                               "grid cell cx %d cy %d out of range (max %d %d)\n"
1434                               "atom %f %f %f, grid->c0 %f %f",
1435                               cx, cy, grid->ncx, grid->ncy,
1436                               x[i][XX], x[i][YY], x[i][ZZ], grid->c0[XX], grid->c0[YY]);
1437                 }
1438 #endif
1439                 /* Take care of potential rouding issues */
1440                 cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1441                 cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1442
1443                 /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1444                  * x and y indices, not z.
1445                  */
1446                 cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1447             }
1448             else
1449             {
1450                 /* Put this moved particle after the end of the grid,
1451                  * so we can process it later without using conditionals.
1452                  */
1453                 cell[i] = grid->ncx*grid->ncy;
1454             }
1455
1456             cxy_na[cell[i]]++;
1457         }
1458     }
1459     else
1460     {
1461         /* Non-home zone */
1462         for (i = n0; i < n1; i++)
1463         {
1464             cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1465             cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1466
1467             /* For non-home zones there could be particles outside
1468              * the non-bonded cut-off range, which have been communicated
1469              * for bonded interactions only. For the result it doesn't
1470              * matter where these end up on the grid. For performance
1471              * we put them in an extra row at the border.
1472              */
1473             cx = max(cx, 0);
1474             cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1475             cy = max(cy, 0);
1476             cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1477
1478             /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1479              * x and y indices, not z.
1480              */
1481             cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1482
1483             cxy_na[cell[i]]++;
1484         }
1485     }
1486 }
1487
1488 /* Determine in which grid cells the atoms should go */
1489 static void calc_cell_indices(const nbnxn_search_t nbs,
1490                               int dd_zone,
1491                               nbnxn_grid_t *grid,
1492                               int a0, int a1,
1493                               const int *atinfo,
1494                               rvec *x,
1495                               const int *move,
1496                               nbnxn_atomdata_t *nbat)
1497 {
1498     int   n0, n1, i;
1499     int   cx, cy, cxy, ncz_max, ncz;
1500     int   nthread, thread;
1501     int  *cxy_na, cxy_na_i;
1502
1503     nthread = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1504
1505 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1506     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1507     {
1508         calc_column_indices(grid, a0, a1, x, dd_zone, move, thread, nthread,
1509                             nbs->cell, nbs->work[thread].cxy_na);
1510     }
1511
1512     /* Make the cell index as a function of x and y */
1513     ncz_max          = 0;
1514     ncz              = 0;
1515     grid->cxy_ind[0] = 0;
1516     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1517     {
1518         /* We set ncz_max at the beginning of the loop iso at the end
1519          * to skip i=grid->ncx*grid->ncy which are moved particles
1520          * that do not need to be ordered on the grid.
1521          */
1522         if (ncz > ncz_max)
1523         {
1524             ncz_max = ncz;
1525         }
1526         cxy_na_i = nbs->work[0].cxy_na[i];
1527         for (thread = 1; thread < nthread; thread++)
1528         {
1529             cxy_na_i += nbs->work[thread].cxy_na[i];
1530         }
1531         ncz = (cxy_na_i + grid->na_sc - 1)/grid->na_sc;
1532         if (nbat->XFormat == nbatX8)
1533         {
1534             /* Make the number of cell a multiple of 2 */
1535             ncz = (ncz + 1) & ~1;
1536         }
1537         grid->cxy_ind[i+1] = grid->cxy_ind[i] + ncz;
1538         /* Clear cxy_na, so we can reuse the array below */
1539         grid->cxy_na[i] = 0;
1540     }
1541     grid->nc = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy] - grid->cxy_ind[0];
1542
1543     nbat->natoms = (grid->cell0 + grid->nc)*grid->na_sc;
1544
1545     if (debug)
1546     {
1547         fprintf(debug, "ns na_sc %d na_c %d super-cells: %d x %d y %d z %.1f maxz %d\n",
1548                 grid->na_sc, grid->na_c, grid->nc,
1549                 grid->ncx, grid->ncy, grid->nc/((double)(grid->ncx*grid->ncy)),
1550                 ncz_max);
1551         if (gmx_debug_at)
1552         {
1553             i = 0;
1554             for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
1555             {
1556                 for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
1557                 {
1558                     fprintf(debug, " %2d", grid->cxy_ind[i+1]-grid->cxy_ind[i]);
1559                     i++;
1560                 }
1561                 fprintf(debug, "\n");
1562             }
1563         }
1564     }
1565
1566     /* Make sure the work array for sorting is large enough */
1567     if (ncz_max*grid->na_sc*SGSF > nbs->work[0].sort_work_nalloc)
1568     {
1569         for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1570         {
1571             nbs->work[thread].sort_work_nalloc =
1572                 over_alloc_large(ncz_max*grid->na_sc*SGSF);
1573             srenew(nbs->work[thread].sort_work,
1574                    nbs->work[thread].sort_work_nalloc);
1575             /* When not in use, all elements should be -1 */
1576             for (i = 0; i < nbs->work[thread].sort_work_nalloc; i++)
1577             {
1578                 nbs->work[thread].sort_work[i] = -1;
1579             }
1580         }
1581     }
1582
1583     /* Now we know the dimensions we can fill the grid.
1584      * This is the first, unsorted fill. We sort the columns after this.
1585      */
1586     for (i = a0; i < a1; i++)
1587     {
1588         /* At this point nbs->cell contains the local grid x,y indices */
1589         cxy = nbs->cell[i];
1590         nbs->a[(grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc + grid->cxy_na[cxy]++] = i;
1591     }
1592
1593     if (dd_zone == 0)
1594     {
1595         /* Set the cell indices for the moved particles */
1596         n0 = grid->nc*grid->na_sc;
1597         n1 = grid->nc*grid->na_sc+grid->cxy_na[grid->ncx*grid->ncy];
1598         if (dd_zone == 0)
1599         {
1600             for (i = n0; i < n1; i++)
1601             {
1602                 nbs->cell[nbs->a[i]] = i;
1603             }
1604         }
1605     }
1606
1607     /* Sort the super-cell columns along z into the sub-cells. */
1608 #pragma omp parallel for num_threads(nbs->nthread_max) schedule(static)
1609     for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1610     {
1611         if (grid->bSimple)
1612         {
1613             sort_columns_simple(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1614                                 ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1615                                 ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1616                                 nbs->work[thread].sort_work);
1617         }
1618         else
1619         {
1620             sort_columns_supersub(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1621                                   ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1622                                   ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1623                                   nbs->work[thread].sort_work);
1624         }
1625     }
1626
1627 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SSE
1628     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1629     {
1630         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb);
1631     }
1632 #endif
1633
1634     if (!grid->bSimple)
1635     {
1636         grid->nsubc_tot = 0;
1637         for (i = 0; i < grid->nc; i++)
1638         {
1639             grid->nsubc_tot += grid->nsubc[i];
1640         }
1641     }
1642
1643     if (debug)
1644     {
1645         if (grid->bSimple)
1646         {
1647             print_bbsizes_simple(debug, nbs, grid);
1648         }
1649         else
1650         {
1651             fprintf(debug, "ns non-zero sub-cells: %d average atoms %.2f\n",
1652                     grid->nsubc_tot, (a1-a0)/(double)grid->nsubc_tot);
1653
1654             print_bbsizes_supersub(debug, nbs, grid);
1655         }
1656     }
1657 }
1658
1659 static void init_buffer_flags(nbnxn_buffer_flags_t *flags,
1660                               int                   natoms)
1661 {
1662     int b;
1663
1664     flags->nflag = (natoms + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE - 1)/NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE;
1665     if (flags->nflag > flags->flag_nalloc)
1666     {
1667         flags->flag_nalloc = over_alloc_large(flags->nflag);
1668         srenew(flags->flag, flags->flag_nalloc);
1669     }
1670     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
1671     {
1672         flags->flag[b] = 0;
1673     }
1674 }
1675
1676 /* Sets up a grid and puts the atoms on the grid.
1677  * This function only operates on one domain of the domain decompostion.
1678  * Note that without domain decomposition there is only one domain.
1679  */
1680 void nbnxn_put_on_grid(nbnxn_search_t nbs,
1681                        int ePBC, matrix box,
1682                        int dd_zone,
1683                        rvec corner0, rvec corner1,
1684                        int a0, int a1,
1685                        real atom_density,
1686                        const int *atinfo,
1687                        rvec *x,
1688                        int nmoved, int *move,
1689                        int nb_kernel_type,
1690                        nbnxn_atomdata_t *nbat)
1691 {
1692     nbnxn_grid_t *grid;
1693     int           n;
1694     int           nc_max_grid, nc_max;
1695
1696     grid = &nbs->grid[dd_zone];
1697
1698     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1699
1700     grid->bSimple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
1701
1702     grid->na_c      = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
1703     grid->na_cj     = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
1704     grid->na_sc     = (grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL)*grid->na_c;
1705     grid->na_c_2log = get_2log(grid->na_c);
1706
1707     nbat->na_c = grid->na_c;
1708
1709     if (dd_zone == 0)
1710     {
1711         grid->cell0 = 0;
1712     }
1713     else
1714     {
1715         grid->cell0 =
1716             (nbs->grid[dd_zone-1].cell0 + nbs->grid[dd_zone-1].nc)*
1717             nbs->grid[dd_zone-1].na_sc/grid->na_sc;
1718     }
1719
1720     n = a1 - a0;
1721
1722     if (dd_zone == 0)
1723     {
1724         nbs->ePBC = ePBC;
1725         copy_mat(box, nbs->box);
1726
1727         if (atom_density >= 0)
1728         {
1729             grid->atom_density = atom_density;
1730         }
1731         else
1732         {
1733             grid->atom_density = grid_atom_density(n-nmoved, corner0, corner1);
1734         }
1735
1736         grid->cell0 = 0;
1737
1738         nbs->natoms_local    = a1 - nmoved;
1739         /* We assume that nbnxn_put_on_grid is called first
1740          * for the local atoms (dd_zone=0).
1741          */
1742         nbs->natoms_nonlocal = a1 - nmoved;
1743     }
1744     else
1745     {
1746         nbs->natoms_nonlocal = max(nbs->natoms_nonlocal, a1);
1747     }
1748
1749     nc_max_grid = set_grid_size_xy(nbs, grid,
1750                                    dd_zone, n-nmoved, corner0, corner1,
1751                                    nbs->grid[0].atom_density,
1752                                    nbat->XFormat);
1753
1754     nc_max = grid->cell0 + nc_max_grid;
1755
1756     if (a1 > nbs->cell_nalloc)
1757     {
1758         nbs->cell_nalloc = over_alloc_large(a1);
1759         srenew(nbs->cell, nbs->cell_nalloc);
1760     }
1761
1762     /* To avoid conditionals we store the moved particles at the end of a,
1763      * make sure we have enough space.
1764      */
1765     if (nc_max*grid->na_sc + nmoved > nbs->a_nalloc)
1766     {
1767         nbs->a_nalloc = over_alloc_large(nc_max*grid->na_sc + nmoved);
1768         srenew(nbs->a, nbs->a_nalloc);
1769     }
1770
1771     /* We need padding up to a multiple of the buffer flag size: simply add */
1772     if (nc_max*grid->na_sc + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE > nbat->nalloc)
1773     {
1774         nbnxn_atomdata_realloc(nbat, nc_max*grid->na_sc+NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE);
1775     }
1776
1777     calc_cell_indices(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, move, nbat);
1778
1779     if (dd_zone == 0)
1780     {
1781         nbat->natoms_local = nbat->natoms;
1782     }
1783
1784     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1785 }
1786
1787 /* Calls nbnxn_put_on_grid for all non-local domains */
1788 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nbnxn_search_t            nbs,
1789                                 const gmx_domdec_zones_t *zones,
1790                                 const int                *atinfo,
1791                                 rvec                     *x,
1792                                 int                       nb_kernel_type,
1793                                 nbnxn_atomdata_t         *nbat)
1794 {
1795     int  zone, d;
1796     rvec c0, c1;
1797
1798     for (zone = 1; zone < zones->n; zone++)
1799     {
1800         for (d = 0; d < DIM; d++)
1801         {
1802             c0[d] = zones->size[zone].bb_x0[d];
1803             c1[d] = zones->size[zone].bb_x1[d];
1804         }
1805
1806         nbnxn_put_on_grid(nbs, nbs->ePBC, NULL,
1807                           zone, c0, c1,
1808                           zones->cg_range[zone],
1809                           zones->cg_range[zone+1],
1810                           -1,
1811                           atinfo,
1812                           x,
1813                           0, NULL,
1814                           nb_kernel_type,
1815                           nbat);
1816     }
1817 }
1818
1819 /* Add simple grid type information to the local super/sub grid */
1820 void nbnxn_grid_add_simple(nbnxn_search_t    nbs,
1821                            nbnxn_atomdata_t *nbat)
1822 {
1823     nbnxn_grid_t *grid;
1824     float        *bbcz, *bb;
1825     int           ncd, sc;
1826
1827     grid = &nbs->grid[0];
1828
1829     if (grid->bSimple)
1830     {
1831         gmx_incons("nbnxn_grid_simple called with a simple grid");
1832     }
1833
1834     ncd = grid->na_sc/NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1835
1836     if (grid->nc*ncd > grid->nc_nalloc_simple)
1837     {
1838         grid->nc_nalloc_simple = over_alloc_large(grid->nc*ncd);
1839         srenew(grid->bbcz_simple, grid->nc_nalloc_simple*NNBSBB_D);
1840         srenew(grid->bb_simple, grid->nc_nalloc_simple*NNBSBB_B);
1841         srenew(grid->flags_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1842         if (nbat->XFormat)
1843         {
1844             sfree_aligned(grid->bbj);
1845             snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc_simple/2, 16);
1846         }
1847     }
1848
1849     bbcz = grid->bbcz_simple;
1850     bb   = grid->bb_simple;
1851
1852 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
1853     for (sc = 0; sc < grid->nc; sc++)
1854     {
1855         int c, tx, na;
1856
1857         for (c = 0; c < ncd; c++)
1858         {
1859             tx = sc*ncd + c;
1860
1861             na = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1862             while (na > 0 &&
1863                    nbat->type[tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+na-1] == nbat->ntype-1)
1864             {
1865                 na--;
1866             }
1867
1868             if (na > 0)
1869             {
1870                 switch (nbat->XFormat)
1871                 {
1872                     case nbatX4:
1873                         /* PACK_X4==NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, so this is simple */
1874                         calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+tx*STRIDE_P4,
1875                                                bb+tx*NNBSBB_B);
1876                         break;
1877                     case nbatX8:
1878                         /* PACK_X8>NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, more complicated */
1879                         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE),
1880                                                bb+tx*NNBSBB_B);
1881                         break;
1882                     default:
1883                         calc_bounding_box(na, nbat->xstride,
1884                                           nbat->x+tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*nbat->xstride,
1885                                           bb+tx*NNBSBB_B);
1886                         break;
1887                 }
1888                 bbcz[tx*NNBSBB_D+0] = bb[tx*NNBSBB_B         +ZZ];
1889                 bbcz[tx*NNBSBB_D+1] = bb[tx*NNBSBB_B+NNBSBB_C+ZZ];
1890
1891                 /* No interaction optimization yet here */
1892                 grid->flags_simple[tx] = NBNXN_CI_DO_LJ(0) | NBNXN_CI_DO_COUL(0);
1893             }
1894             else
1895             {
1896                 grid->flags_simple[tx] = 0;
1897             }
1898         }
1899     }
1900
1901 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SSE
1902     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1903     {
1904         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb_simple);
1905     }
1906 #endif
1907 }
1908
1909 void nbnxn_get_ncells(nbnxn_search_t nbs, int *ncx, int *ncy)
1910 {
1911     *ncx = nbs->grid[0].ncx;
1912     *ncy = nbs->grid[0].ncy;
1913 }
1914
1915 void nbnxn_get_atomorder(nbnxn_search_t nbs, int **a, int *n)
1916 {
1917     const nbnxn_grid_t *grid;
1918
1919     grid = &nbs->grid[0];
1920
1921     /* Return the atom order for the home cell (index 0) */
1922     *a  = nbs->a;
1923
1924     *n = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy]*grid->na_sc;
1925 }
1926
1927 void nbnxn_set_atomorder(nbnxn_search_t nbs)
1928 {
1929     nbnxn_grid_t *grid;
1930     int           ao, cx, cy, cxy, cz, j;
1931
1932     /* Set the atom order for the home cell (index 0) */
1933     grid = &nbs->grid[0];
1934
1935     ao = 0;
1936     for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
1937     {
1938         for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
1939         {
1940             cxy = cx*grid->ncy + cy;
1941             j   = grid->cxy_ind[cxy]*grid->na_sc;
1942             for (cz = 0; cz < grid->cxy_na[cxy]; cz++)
1943             {
1944                 nbs->a[j]     = ao;
1945                 nbs->cell[ao] = j;
1946                 ao++;
1947                 j++;
1948             }
1949         }
1950     }
1951 }
1952
1953 /* Determines the cell range along one dimension that
1954  * the bounding box b0 - b1 sees.
1955  */
1956 static void get_cell_range(real b0, real b1,
1957                            int nc, real c0, real s, real invs,
1958                            real d2, real r2, int *cf, int *cl)
1959 {
1960     *cf = max((int)((b0 - c0)*invs), 0);
1961
1962     while (*cf > 0 && d2 + sqr((b0 - c0) - (*cf-1+1)*s) < r2)
1963     {
1964         (*cf)--;
1965     }
1966
1967     *cl = min((int)((b1 - c0)*invs), nc-1);
1968     while (*cl < nc-1 && d2 + sqr((*cl+1)*s - (b1 - c0)) < r2)
1969     {
1970         (*cl)++;
1971     }
1972 }
1973
1974 /* Reference code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
1975 static float box_dist2(float bx0, float bx1, float by0,
1976                        float by1, float bz0, float bz1,
1977                        const float *bb)
1978 {
1979     float d2;
1980     float dl, dh, dm, dm0;
1981
1982     d2 = 0;
1983
1984     dl  = bx0 - bb[BBU_X];
1985     dh  = bb[BBL_X] - bx1;
1986     dm  = max(dl, dh);
1987     dm0 = max(dm, 0);
1988     d2 += dm0*dm0;
1989
1990     dl  = by0 - bb[BBU_Y];
1991     dh  = bb[BBL_Y] - by1;
1992     dm  = max(dl, dh);
1993     dm0 = max(dm, 0);
1994     d2 += dm0*dm0;
1995
1996     dl  = bz0 - bb[BBU_Z];
1997     dh  = bb[BBL_Z] - bz1;
1998     dm  = max(dl, dh);
1999     dm0 = max(dm, 0);
2000     d2 += dm0*dm0;
2001
2002     return d2;
2003 }
2004
2005 /* Plain C code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2006 static float subc_bb_dist2(int si, const float *bb_i_ci,
2007                            int csj, const float *bb_j_all)
2008 {
2009     const float *bb_i, *bb_j;
2010     float        d2;
2011     float        dl, dh, dm, dm0;
2012
2013     bb_i = bb_i_ci  +  si*NNBSBB_B;
2014     bb_j = bb_j_all + csj*NNBSBB_B;
2015
2016     d2 = 0;
2017
2018     dl  = bb_i[BBL_X] - bb_j[BBU_X];
2019     dh  = bb_j[BBL_X] - bb_i[BBU_X];
2020     dm  = max(dl, dh);
2021     dm0 = max(dm, 0);
2022     d2 += dm0*dm0;
2023
2024     dl  = bb_i[BBL_Y] - bb_j[BBU_Y];
2025     dh  = bb_j[BBL_Y] - bb_i[BBU_Y];
2026     dm  = max(dl, dh);
2027     dm0 = max(dm, 0);
2028     d2 += dm0*dm0;
2029
2030     dl  = bb_i[BBL_Z] - bb_j[BBU_Z];
2031     dh  = bb_j[BBL_Z] - bb_i[BBU_Z];
2032     dm  = max(dl, dh);
2033     dm0 = max(dm, 0);
2034     d2 += dm0*dm0;
2035
2036     return d2;
2037 }
2038
2039 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SSE
2040
2041 /* SSE code for bb distance for bb format xyz0 */
2042 static float subc_bb_dist2_sse(int na_c,
2043                                int si, const float *bb_i_ci,
2044                                int csj, const float *bb_j_all)
2045 {
2046     const float *bb_i, *bb_j;
2047
2048     __m128       bb_i_SSE0, bb_i_SSE1;
2049     __m128       bb_j_SSE0, bb_j_SSE1;
2050     __m128       dl_SSE;
2051     __m128       dh_SSE;
2052     __m128       dm_SSE;
2053     __m128       dm0_SSE;
2054     __m128       d2_SSE;
2055 #ifndef GMX_X86_SSE4_1
2056     float        d2_array[7], *d2_align;
2057
2058     d2_align = (float *)(((size_t)(d2_array+3)) & (~((size_t)15)));
2059 #else
2060     float d2;
2061 #endif
2062
2063     bb_i = bb_i_ci  +  si*NNBSBB_B;
2064     bb_j = bb_j_all + csj*NNBSBB_B;
2065
2066     bb_i_SSE0 = _mm_load_ps(bb_i);
2067     bb_i_SSE1 = _mm_load_ps(bb_i+NNBSBB_C);
2068     bb_j_SSE0 = _mm_load_ps(bb_j);
2069     bb_j_SSE1 = _mm_load_ps(bb_j+NNBSBB_C);
2070
2071     dl_SSE    = _mm_sub_ps(bb_i_SSE0, bb_j_SSE1);
2072     dh_SSE    = _mm_sub_ps(bb_j_SSE0, bb_i_SSE1);
2073
2074     dm_SSE    = _mm_max_ps(dl_SSE, dh_SSE);
2075     dm0_SSE   = _mm_max_ps(dm_SSE, _mm_setzero_ps());
2076 #ifndef GMX_X86_SSE4_1
2077     d2_SSE    = _mm_mul_ps(dm0_SSE, dm0_SSE);
2078
2079     _mm_store_ps(d2_align, d2_SSE);
2080
2081     return d2_align[0] + d2_align[1] + d2_align[2];
2082 #else
2083     /* SSE4.1 dot product of components 0,1,2 */
2084     d2_SSE    = _mm_dp_ps(dm0_SSE, dm0_SSE, 0x71);
2085
2086     _mm_store_ss(&d2, d2_SSE);
2087
2088     return d2;
2089 #endif
2090 }
2091
2092 /* Calculate bb bounding distances of bb_i[si,...,si+3] and store them in d2 */
2093 #define SUBC_BB_DIST2_SSE_XXXX_INNER(si, bb_i, d2) \
2094     {                                                \
2095         int    shi;                                  \
2096                                                  \
2097         __m128 dx_0, dy_0, dz_0;                       \
2098         __m128 dx_1, dy_1, dz_1;                       \
2099                                                  \
2100         __m128 mx, my, mz;                             \
2101         __m128 m0x, m0y, m0z;                          \
2102                                                  \
2103         __m128 d2x, d2y, d2z;                          \
2104         __m128 d2s, d2t;                              \
2105                                                  \
2106         shi = si*NNBSBB_D*DIM;                       \
2107                                                  \
2108         xi_l = _mm_load_ps(bb_i+shi+0*STRIDE_PBB);   \
2109         yi_l = _mm_load_ps(bb_i+shi+1*STRIDE_PBB);   \
2110         zi_l = _mm_load_ps(bb_i+shi+2*STRIDE_PBB);   \
2111         xi_h = _mm_load_ps(bb_i+shi+3*STRIDE_PBB);   \
2112         yi_h = _mm_load_ps(bb_i+shi+4*STRIDE_PBB);   \
2113         zi_h = _mm_load_ps(bb_i+shi+5*STRIDE_PBB);   \
2114                                                  \
2115         dx_0 = _mm_sub_ps(xi_l, xj_h);                \
2116         dy_0 = _mm_sub_ps(yi_l, yj_h);                \
2117         dz_0 = _mm_sub_ps(zi_l, zj_h);                \
2118                                                  \
2119         dx_1 = _mm_sub_ps(xj_l, xi_h);                \
2120         dy_1 = _mm_sub_ps(yj_l, yi_h);                \
2121         dz_1 = _mm_sub_ps(zj_l, zi_h);                \
2122                                                  \
2123         mx   = _mm_max_ps(dx_0, dx_1);                \
2124         my   = _mm_max_ps(dy_0, dy_1);                \
2125         mz   = _mm_max_ps(dz_0, dz_1);                \
2126                                                  \
2127         m0x  = _mm_max_ps(mx, zero);                  \
2128         m0y  = _mm_max_ps(my, zero);                  \
2129         m0z  = _mm_max_ps(mz, zero);                  \
2130                                                  \
2131         d2x  = _mm_mul_ps(m0x, m0x);                  \
2132         d2y  = _mm_mul_ps(m0y, m0y);                  \
2133         d2z  = _mm_mul_ps(m0z, m0z);                  \
2134                                                  \
2135         d2s  = _mm_add_ps(d2x, d2y);                  \
2136         d2t  = _mm_add_ps(d2s, d2z);                  \
2137                                                  \
2138         _mm_store_ps(d2+si, d2t);                     \
2139     }
2140
2141 /* SSE code for nsi bb distances for bb format xxxxyyyyzzzz */
2142 static void subc_bb_dist2_sse_xxxx(const float *bb_j,
2143                                    int nsi, const float *bb_i,
2144                                    float *d2)
2145 {
2146     __m128 xj_l, yj_l, zj_l;
2147     __m128 xj_h, yj_h, zj_h;
2148     __m128 xi_l, yi_l, zi_l;
2149     __m128 xi_h, yi_h, zi_h;
2150
2151     __m128 zero;
2152
2153     zero = _mm_setzero_ps();
2154
2155     xj_l = _mm_set1_ps(bb_j[0*STRIDE_PBB]);
2156     yj_l = _mm_set1_ps(bb_j[1*STRIDE_PBB]);
2157     zj_l = _mm_set1_ps(bb_j[2*STRIDE_PBB]);
2158     xj_h = _mm_set1_ps(bb_j[3*STRIDE_PBB]);
2159     yj_h = _mm_set1_ps(bb_j[4*STRIDE_PBB]);
2160     zj_h = _mm_set1_ps(bb_j[5*STRIDE_PBB]);
2161
2162     /* Here we "loop" over si (0,STRIDE_PBB) from 0 to nsi with step STRIDE_PBB.
2163      * But as we know the number of iterations is 1 or 2, we unroll manually.
2164      */
2165     SUBC_BB_DIST2_SSE_XXXX_INNER(0, bb_i, d2);
2166     if (STRIDE_PBB < nsi)
2167     {
2168         SUBC_BB_DIST2_SSE_XXXX_INNER(STRIDE_PBB, bb_i, d2);
2169     }
2170 }
2171
2172 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SSE */
2173
2174 /* Plain C function which determines if any atom pair between two cells
2175  * is within distance sqrt(rl2).
2176  */
2177 static gmx_bool subc_in_range_x(int na_c,
2178                                 int si, const real *x_i,
2179                                 int csj, int stride, const real *x_j,
2180                                 real rl2)
2181 {
2182     int  i, j, i0, j0;
2183     real d2;
2184
2185     for (i = 0; i < na_c; i++)
2186     {
2187         i0 = (si*na_c + i)*DIM;
2188         for (j = 0; j < na_c; j++)
2189         {
2190             j0 = (csj*na_c + j)*stride;
2191
2192             d2 = sqr(x_i[i0  ] - x_j[j0  ]) +
2193                 sqr(x_i[i0+1] - x_j[j0+1]) +
2194                 sqr(x_i[i0+2] - x_j[j0+2]);
2195
2196             if (d2 < rl2)
2197             {
2198                 return TRUE;
2199             }
2200         }
2201     }
2202
2203     return FALSE;
2204 }
2205
2206 /* SSE function which determines if any atom pair between two cells,
2207  * both with 8 atoms, is within distance sqrt(rl2).
2208  */
2209 static gmx_bool subc_in_range_sse8(int na_c,
2210                                    int si, const real *x_i,
2211                                    int csj, int stride, const real *x_j,
2212                                    real rl2)
2213 {
2214 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE
2215     __m128 ix_SSE0, iy_SSE0, iz_SSE0;
2216     __m128 ix_SSE1, iy_SSE1, iz_SSE1;
2217
2218     __m128 rc2_SSE;
2219
2220     int    na_c_sse;
2221     int    j0, j1;
2222
2223     rc2_SSE   = _mm_set1_ps(rl2);
2224
2225     na_c_sse = NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/STRIDE_PBB;
2226     ix_SSE0  = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+0)*STRIDE_PBB);
2227     iy_SSE0  = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+1)*STRIDE_PBB);
2228     iz_SSE0  = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+2)*STRIDE_PBB);
2229     ix_SSE1  = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+3)*STRIDE_PBB);
2230     iy_SSE1  = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+4)*STRIDE_PBB);
2231     iz_SSE1  = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+5)*STRIDE_PBB);
2232
2233     /* We loop from the outer to the inner particles to maximize
2234      * the chance that we find a pair in range quickly and return.
2235      */
2236     j0 = csj*na_c;
2237     j1 = j0 + na_c - 1;
2238     while (j0 < j1)
2239     {
2240         __m128 jx0_SSE, jy0_SSE, jz0_SSE;
2241         __m128 jx1_SSE, jy1_SSE, jz1_SSE;
2242
2243         __m128 dx_SSE0, dy_SSE0, dz_SSE0;
2244         __m128 dx_SSE1, dy_SSE1, dz_SSE1;
2245         __m128 dx_SSE2, dy_SSE2, dz_SSE2;
2246         __m128 dx_SSE3, dy_SSE3, dz_SSE3;
2247
2248         __m128 rsq_SSE0;
2249         __m128 rsq_SSE1;
2250         __m128 rsq_SSE2;
2251         __m128 rsq_SSE3;
2252
2253         __m128 wco_SSE0;
2254         __m128 wco_SSE1;
2255         __m128 wco_SSE2;
2256         __m128 wco_SSE3;
2257         __m128 wco_any_SSE01, wco_any_SSE23, wco_any_SSE;
2258
2259         jx0_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j0*stride+0);
2260         jy0_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j0*stride+1);
2261         jz0_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j0*stride+2);
2262
2263         jx1_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j1*stride+0);
2264         jy1_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j1*stride+1);
2265         jz1_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j1*stride+2);
2266
2267         /* Calculate distance */
2268         dx_SSE0            = _mm_sub_ps(ix_SSE0, jx0_SSE);
2269         dy_SSE0            = _mm_sub_ps(iy_SSE0, jy0_SSE);
2270         dz_SSE0            = _mm_sub_ps(iz_SSE0, jz0_SSE);
2271         dx_SSE1            = _mm_sub_ps(ix_SSE1, jx0_SSE);
2272         dy_SSE1            = _mm_sub_ps(iy_SSE1, jy0_SSE);
2273         dz_SSE1            = _mm_sub_ps(iz_SSE1, jz0_SSE);
2274         dx_SSE2            = _mm_sub_ps(ix_SSE0, jx1_SSE);
2275         dy_SSE2            = _mm_sub_ps(iy_SSE0, jy1_SSE);
2276         dz_SSE2            = _mm_sub_ps(iz_SSE0, jz1_SSE);
2277         dx_SSE3            = _mm_sub_ps(ix_SSE1, jx1_SSE);
2278         dy_SSE3            = _mm_sub_ps(iy_SSE1, jy1_SSE);
2279         dz_SSE3            = _mm_sub_ps(iz_SSE1, jz1_SSE);
2280
2281         /* rsq = dx*dx+dy*dy+dz*dz */
2282         rsq_SSE0           = gmx_mm_calc_rsq_ps(dx_SSE0, dy_SSE0, dz_SSE0);
2283         rsq_SSE1           = gmx_mm_calc_rsq_ps(dx_SSE1, dy_SSE1, dz_SSE1);
2284         rsq_SSE2           = gmx_mm_calc_rsq_ps(dx_SSE2, dy_SSE2, dz_SSE2);
2285         rsq_SSE3           = gmx_mm_calc_rsq_ps(dx_SSE3, dy_SSE3, dz_SSE3);
2286
2287         wco_SSE0           = _mm_cmplt_ps(rsq_SSE0, rc2_SSE);
2288         wco_SSE1           = _mm_cmplt_ps(rsq_SSE1, rc2_SSE);
2289         wco_SSE2           = _mm_cmplt_ps(rsq_SSE2, rc2_SSE);
2290         wco_SSE3           = _mm_cmplt_ps(rsq_SSE3, rc2_SSE);
2291
2292         wco_any_SSE01      = _mm_or_ps(wco_SSE0, wco_SSE1);
2293         wco_any_SSE23      = _mm_or_ps(wco_SSE2, wco_SSE3);
2294         wco_any_SSE        = _mm_or_ps(wco_any_SSE01, wco_any_SSE23);
2295
2296         if (_mm_movemask_ps(wco_any_SSE))
2297         {
2298             return TRUE;
2299         }
2300
2301         j0++;
2302         j1--;
2303     }
2304     return FALSE;
2305
2306 #else
2307     /* No SSE */
2308     gmx_incons("SSE function called without SSE support");
2309
2310     return TRUE;
2311 #endif
2312 }
2313
2314 /* Returns the j sub-cell for index cj_ind */
2315 static int nbl_cj(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2316 {
2317     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].cj[cj_ind & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1)];
2318 }
2319
2320 /* Returns the i-interaction mask of the j sub-cell for index cj_ind */
2321 static unsigned nbl_imask0(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2322 {
2323     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].imei[0].imask;
2324 }
2325
2326 /* Ensures there is enough space for extra extra exclusion masks */
2327 static void check_excl_space(nbnxn_pairlist_t *nbl, int extra)
2328 {
2329     if (nbl->nexcl+extra > nbl->excl_nalloc)
2330     {
2331         nbl->excl_nalloc = over_alloc_small(nbl->nexcl+extra);
2332         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->excl,
2333                            nbl->nexcl*sizeof(*nbl->excl),
2334                            nbl->excl_nalloc*sizeof(*nbl->excl),
2335                            nbl->alloc, nbl->free);
2336     }
2337 }
2338
2339 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-cells in the list */
2340 static void check_subcell_list_space_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2341                                             int               ncell)
2342 {
2343     int cj_max;
2344
2345     cj_max = nbl->ncj + ncell;
2346
2347     if (cj_max > nbl->cj_nalloc)
2348     {
2349         nbl->cj_nalloc = over_alloc_small(cj_max);
2350         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj,
2351                            nbl->ncj*sizeof(*nbl->cj),
2352                            nbl->cj_nalloc*sizeof(*nbl->cj),
2353                            nbl->alloc, nbl->free);
2354     }
2355 }
2356
2357 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-subcells in the list */
2358 static void check_subcell_list_space_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2359                                               int               nsupercell)
2360 {
2361     int ncj4_max, j4, j, w, t;
2362
2363 #define NWARP       2
2364 #define WARP_SIZE  32
2365
2366     /* We can have maximally nsupercell*GPU_NSUBCELL sj lists */
2367     /* We can store 4 j-subcell - i-supercell pairs in one struct.
2368      * since we round down, we need one extra entry.
2369      */
2370     ncj4_max = ((nbl->work->cj_ind + nsupercell*GPU_NSUBCELL + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2371
2372     if (ncj4_max > nbl->cj4_nalloc)
2373     {
2374         nbl->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4_max);
2375         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj4,
2376                            nbl->work->cj4_init*sizeof(*nbl->cj4),
2377                            nbl->cj4_nalloc*sizeof(*nbl->cj4),
2378                            nbl->alloc, nbl->free);
2379     }
2380
2381     if (ncj4_max > nbl->work->cj4_init)
2382     {
2383         for (j4 = nbl->work->cj4_init; j4 < ncj4_max; j4++)
2384         {
2385             /* No i-subcells and no excl's in the list initially */
2386             for (w = 0; w < NWARP; w++)
2387             {
2388                 nbl->cj4[j4].imei[w].imask    = 0U;
2389                 nbl->cj4[j4].imei[w].excl_ind = 0;
2390
2391             }
2392         }
2393         nbl->work->cj4_init = ncj4_max;
2394     }
2395 }
2396
2397 /* Set all excl masks for one GPU warp no exclusions */
2398 static void set_no_excls(nbnxn_excl_t *excl)
2399 {
2400     int t;
2401
2402     for (t = 0; t < WARP_SIZE; t++)
2403     {
2404         /* Turn all interaction bits on */
2405         excl->pair[t] = NBNXN_INT_MASK_ALL;
2406     }
2407 }
2408
2409 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
2410 static void nbnxn_init_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2411                                 gmx_bool          bSimple,
2412                                 nbnxn_alloc_t    *alloc,
2413                                 nbnxn_free_t     *free)
2414 {
2415     if (alloc == NULL)
2416     {
2417         nbl->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
2418     }
2419     else
2420     {
2421         nbl->alloc = alloc;
2422     }
2423     if (free == NULL)
2424     {
2425         nbl->free = nbnxn_free_aligned;
2426     }
2427     else
2428     {
2429         nbl->free = free;
2430     }
2431
2432     nbl->bSimple     = bSimple;
2433     nbl->na_sc       = 0;
2434     nbl->na_ci       = 0;
2435     nbl->na_cj       = 0;
2436     nbl->nci         = 0;
2437     nbl->ci          = NULL;
2438     nbl->ci_nalloc   = 0;
2439     nbl->ncj         = 0;
2440     nbl->cj          = NULL;
2441     nbl->cj_nalloc   = 0;
2442     nbl->ncj4        = 0;
2443     /* We need one element extra in sj, so alloc initially with 1 */
2444     nbl->cj4_nalloc  = 0;
2445     nbl->cj4         = NULL;
2446     nbl->nci_tot     = 0;
2447
2448     if (!nbl->bSimple)
2449     {
2450         nbl->excl        = NULL;
2451         nbl->excl_nalloc = 0;
2452         nbl->nexcl       = 0;
2453         check_excl_space(nbl, 1);
2454         nbl->nexcl       = 1;
2455         set_no_excls(&nbl->excl[0]);
2456     }
2457
2458     snew(nbl->work, 1);
2459 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2460     snew_aligned(nbl->work->bb_ci, GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX, NBNXN_MEM_ALIGN);
2461 #else
2462     snew_aligned(nbl->work->bb_ci, GPU_NSUBCELL*NNBSBB_B, NBNXN_MEM_ALIGN);
2463 #endif
2464     snew_aligned(nbl->work->x_ci, NBNXN_NA_SC_MAX*DIM, NBNXN_MEM_ALIGN);
2465 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2466     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_4xn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2467     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_2xnn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2468 #endif
2469     snew_aligned(nbl->work->d2, GPU_NSUBCELL, NBNXN_MEM_ALIGN);
2470
2471     nbl->work->sort            = NULL;
2472     nbl->work->sort_nalloc     = 0;
2473     nbl->work->sci_sort        = NULL;
2474     nbl->work->sci_sort_nalloc = 0;
2475 }
2476
2477 void nbnxn_init_pairlist_set(nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
2478                              gmx_bool bSimple, gmx_bool bCombined,
2479                              nbnxn_alloc_t *alloc,
2480                              nbnxn_free_t  *free)
2481 {
2482     int i;
2483
2484     nbl_list->bSimple   = bSimple;
2485     nbl_list->bCombined = bCombined;
2486
2487     nbl_list->nnbl = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
2488
2489     if (!nbl_list->bCombined &&
2490         nbl_list->nnbl > NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS)
2491     {
2492         gmx_fatal(FARGS, "%d OpenMP threads were requested. Since the non-bonded force buffer reduction is prohibitively slow with more than %d threads, we do not allow this. Use %d or less OpenMP threads.",
2493                   nbl_list->nnbl, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS);
2494     }
2495
2496     snew(nbl_list->nbl, nbl_list->nnbl);
2497     /* Execute in order to avoid memory interleaving between threads */
2498 #pragma omp parallel for num_threads(nbl_list->nnbl) schedule(static)
2499     for (i = 0; i < nbl_list->nnbl; i++)
2500     {
2501         /* Allocate the nblist data structure locally on each thread
2502          * to optimize memory access for NUMA architectures.
2503          */
2504         snew(nbl_list->nbl[i], 1);
2505
2506         /* Only list 0 is used on the GPU, use normal allocation for i>0 */
2507         if (i == 0)
2508         {
2509             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, alloc, free);
2510         }
2511         else
2512         {
2513             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, NULL, NULL);
2514         }
2515     }
2516 }
2517
2518 /* Print statistics of a pair list, used for debug output */
2519 static void print_nblist_statistics_simple(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2520                                            const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2521 {
2522     const nbnxn_grid_t *grid;
2523     int                 cs[SHIFTS];
2524     int                 s, i, j;
2525     int                 npexcl;
2526
2527     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2528     grid = &nbs->grid[0];
2529
2530     fprintf(fp, "nbl nci %d ncj %d\n",
2531             nbl->nci, nbl->ncj);
2532     fprintf(fp, "nbl na_sc %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2533             nbl->na_sc, rl, nbl->ncj, nbl->ncj/(double)grid->nc,
2534             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc,
2535             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc/(0.5*4.0/3.0*M_PI*rl*rl*rl*grid->nc*grid->na_sc/det(nbs->box)));
2536
2537     fprintf(fp, "nbl average j cell list length %.1f\n",
2538             0.25*nbl->ncj/(double)nbl->nci);
2539
2540     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2541     {
2542         cs[s] = 0;
2543     }
2544     npexcl = 0;
2545     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
2546     {
2547         cs[nbl->ci[i].shift & NBNXN_CI_SHIFT] +=
2548             nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start;
2549
2550         j = nbl->ci[i].cj_ind_start;
2551         while (j < nbl->ci[i].cj_ind_end &&
2552                nbl->cj[j].excl != NBNXN_INT_MASK_ALL)
2553         {
2554             npexcl++;
2555             j++;
2556         }
2557     }
2558     fprintf(fp, "nbl cell pairs, total: %d excl: %d %.1f%%\n",
2559             nbl->ncj, npexcl, 100*npexcl/(double)nbl->ncj);
2560     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2561     {
2562         if (cs[s] > 0)
2563         {
2564             fprintf(fp, "nbl shift %2d ncj %3d\n", s, cs[s]);
2565         }
2566     }
2567 }
2568
2569 /* Print statistics of a pair lists, used for debug output */
2570 static void print_nblist_statistics_supersub(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2571                                              const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2572 {
2573     const nbnxn_grid_t *grid;
2574     int                 i, j4, j, si, b;
2575     int                 c[GPU_NSUBCELL+1];
2576
2577     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2578     grid = &nbs->grid[0];
2579
2580     fprintf(fp, "nbl nsci %d ncj4 %d nsi %d excl4 %d\n",
2581             nbl->nsci, nbl->ncj4, nbl->nci_tot, nbl->nexcl);
2582     fprintf(fp, "nbl na_c %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2583             nbl->na_ci, rl, nbl->nci_tot, nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot,
2584             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c,
2585             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c/(0.5*4.0/3.0*M_PI*rl*rl*rl*grid->nsubc_tot*grid->na_c/det(nbs->box)));
2586
2587     fprintf(fp, "nbl average j super cell list length %.1f\n",
2588             0.25*nbl->ncj4/(double)nbl->nsci);
2589     fprintf(fp, "nbl average i sub cell list length %.1f\n",
2590             nbl->nci_tot/((double)nbl->ncj4));
2591
2592     for (si = 0; si <= GPU_NSUBCELL; si++)
2593     {
2594         c[si] = 0;
2595     }
2596     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
2597     {
2598         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
2599         {
2600             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
2601             {
2602                 b = 0;
2603                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
2604                 {
2605                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
2606                     {
2607                         b++;
2608                     }
2609                 }
2610                 c[b]++;
2611             }
2612         }
2613     }
2614     for (b = 0; b <= GPU_NSUBCELL; b++)
2615     {
2616         fprintf(fp, "nbl j-list #i-subcell %d %7d %4.1f\n",
2617                 b, c[b], 100.0*c[b]/(double)(nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE));
2618     }
2619 }
2620
2621 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp */
2622 static void low_get_nbl_exclusions(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2623                                    int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2624 {
2625     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2626     {
2627         /* No exclusions set, make a new list entry */
2628         nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind = nbl->nexcl;
2629         nbl->nexcl++;
2630         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2631         set_no_excls(*excl);
2632     }
2633     else
2634     {
2635         /* We already have some exclusions, new ones can be added to the list */
2636         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2637     }
2638 }
2639
2640 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp,
2641  * allocates extra memory, if necessary.
2642  */
2643 static void get_nbl_exclusions_1(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2644                                  int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2645 {
2646     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2647     {
2648         /* We need to make a new list entry, check if we have space */
2649         check_excl_space(nbl, 1);
2650     }
2651     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, warp, excl);
2652 }
2653
2654 /* Returns pointers to the exclusion mask for cj4-unit cj4 for both warps,
2655  * allocates extra memory, if necessary.
2656  */
2657 static void get_nbl_exclusions_2(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2658                                  nbnxn_excl_t **excl_w0,
2659                                  nbnxn_excl_t **excl_w1)
2660 {
2661     /* Check for space we might need */
2662     check_excl_space(nbl, 2);
2663
2664     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 0, excl_w0);
2665     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 1, excl_w1);
2666 }
2667
2668 /* Sets the self exclusions i=j and pair exclusions i>j */
2669 static void set_self_and_newton_excls_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2670                                                int cj4_ind, int sj_offset,
2671                                                int si)
2672 {
2673     nbnxn_excl_t *excl[2];
2674     int           ei, ej, w;
2675
2676     /* Here we only set the set self and double pair exclusions */
2677
2678     get_nbl_exclusions_2(nbl, cj4_ind, &excl[0], &excl[1]);
2679
2680     /* Only minor < major bits set */
2681     for (ej = 0; ej < nbl->na_ci; ej++)
2682     {
2683         w = (ej>>2);
2684         for (ei = ej; ei < nbl->na_ci; ei++)
2685         {
2686             excl[w]->pair[(ej & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1))*nbl->na_ci + ei] &=
2687                 ~(1U << (sj_offset*GPU_NSUBCELL + si));
2688         }
2689     }
2690 }
2691
2692 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for plain C lists */
2693 static unsigned int get_imask(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2694 {
2695     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INT_MASK_DIAG : NBNXN_INT_MASK_ALL);
2696 }
2697
2698 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for SIMD128 lists */
2699 static unsigned int get_imask_x86_simd128(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2700 {
2701 #ifndef GMX_DOUBLE /* cj-size = 4 */
2702     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INT_MASK_DIAG : NBNXN_INT_MASK_ALL);
2703 #else              /* cj-size = 2 */
2704     return (rdiag && ci*2 == cj ? NBNXN_INT_MASK_DIAG_J2_0 :
2705             (rdiag && ci*2+1 == cj ? NBNXN_INT_MASK_DIAG_J2_1 :
2706              NBNXN_INT_MASK_ALL));
2707 #endif
2708 }
2709
2710 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for SIMD256 lists */
2711 static unsigned int get_imask_x86_simd256(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2712 {
2713 #ifndef GMX_DOUBLE /* cj-size = 8 */
2714     return (rdiag && ci == cj*2 ? NBNXN_INT_MASK_DIAG_J8_0 :
2715             (rdiag && ci == cj*2+1 ? NBNXN_INT_MASK_DIAG_J8_1 :
2716              NBNXN_INT_MASK_ALL));
2717 #else              /* cj-size = 4 */
2718     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INT_MASK_DIAG : NBNXN_INT_MASK_ALL);
2719 #endif
2720 }
2721
2722 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2723 #if GMX_NBNXN_SIMD_BITWIDTH == 128
2724 #define get_imask_x86_simd_4xn  get_imask_x86_simd128
2725 #else
2726 #if GMX_NBNXN_SIMD_BITWIDTH == 256
2727 #define get_imask_x86_simd_4xn  get_imask_x86_simd256
2728 #define get_imask_x86_simd_2xnn get_imask_x86_simd128
2729 #else
2730 #error "unsupported GMX_NBNXN_SIMD_BITWIDTH"
2731 #endif
2732 #endif
2733 #endif
2734
2735 /* Plain C code for making a pair list of cell ci vs cell cjf-cjl.
2736  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2737  */
2738 static void make_cluster_list_simple(const nbnxn_grid_t *gridj,
2739                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
2740                                      int ci, int cjf, int cjl,
2741                                      gmx_bool remove_sub_diag,
2742                                      const real *x_j,
2743                                      real rl2, float rbb2,
2744                                      int *ndistc)
2745 {
2746     const nbnxn_list_work_t *work;
2747
2748     const float             *bb_ci;
2749     const real              *x_ci;
2750
2751     gmx_bool                 InRange;
2752     real                     d2;
2753     int                      cjf_gl, cjl_gl, cj;
2754
2755     work = nbl->work;
2756
2757     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
2758     x_ci  = nbl->work->x_ci;
2759
2760     InRange = FALSE;
2761     while (!InRange && cjf <= cjl)
2762     {
2763         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjf, gridj->bb);
2764         *ndistc += 2;
2765
2766         /* Check if the distance is within the distance where
2767          * we use only the bounding box distance rbb,
2768          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2769          * within the cut-off.
2770          */
2771         if (d2 < rbb2)
2772         {
2773             InRange = TRUE;
2774         }
2775         else if (d2 < rl2)
2776         {
2777             int i, j;
2778
2779             cjf_gl = gridj->cell0 + cjf;
2780             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2781             {
2782                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2783                 {
2784                     InRange = InRange ||
2785                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2786                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2787                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2788                 }
2789             }
2790             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2791         }
2792         if (!InRange)
2793         {
2794             cjf++;
2795         }
2796     }
2797     if (!InRange)
2798     {
2799         return;
2800     }
2801
2802     InRange = FALSE;
2803     while (!InRange && cjl > cjf)
2804     {
2805         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjl, gridj->bb);
2806         *ndistc += 2;
2807
2808         /* Check if the distance is within the distance where
2809          * we use only the bounding box distance rbb,
2810          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2811          * within the cut-off.
2812          */
2813         if (d2 < rbb2)
2814         {
2815             InRange = TRUE;
2816         }
2817         else if (d2 < rl2)
2818         {
2819             int i, j;
2820
2821             cjl_gl = gridj->cell0 + cjl;
2822             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2823             {
2824                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2825                 {
2826                     InRange = InRange ||
2827                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2828                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2829                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2830                 }
2831             }
2832             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2833         }
2834         if (!InRange)
2835         {
2836             cjl--;
2837         }
2838     }
2839
2840     if (cjf <= cjl)
2841     {
2842         for (cj = cjf; cj <= cjl; cj++)
2843         {
2844             /* Store cj and the interaction mask */
2845             nbl->cj[nbl->ncj].cj   = gridj->cell0 + cj;
2846             nbl->cj[nbl->ncj].excl = get_imask(remove_sub_diag, ci, cj);
2847             nbl->ncj++;
2848         }
2849         /* Increase the closing index in i super-cell list */
2850         nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end = nbl->ncj;
2851     }
2852 }
2853
2854 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
2855 #include "nbnxn_search_simd_4xn.h"
2856 #endif
2857 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
2858 #include "nbnxn_search_simd_2xnn.h"
2859 #endif
2860
2861 /* Plain C or SSE code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
2862  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2863  */
2864 static void make_cluster_list_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
2865                                        const nbnxn_grid_t *gridi,
2866                                        const nbnxn_grid_t *gridj,
2867                                        nbnxn_pairlist_t *nbl,
2868                                        int sci, int scj,
2869                                        gmx_bool sci_equals_scj,
2870                                        int stride, const real *x,
2871                                        real rl2, float rbb2,
2872                                        int *ndistc)
2873 {
2874     int          na_c;
2875     int          npair;
2876     int          cjo, ci1, ci, cj, cj_gl;
2877     int          cj4_ind, cj_offset;
2878     unsigned     imask;
2879     nbnxn_cj4_t *cj4;
2880     const float *bb_ci;
2881     const real  *x_ci;
2882     float       *d2l, d2;
2883     int          w;
2884 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE
2885 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2886     int  ci_last = -1;
2887 #endif
2888
2889     d2l = nbl->work->d2;
2890
2891     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
2892     x_ci  = nbl->work->x_ci;
2893
2894     na_c = gridj->na_c;
2895
2896     for (cjo = 0; cjo < gridj->nsubc[scj]; cjo++)
2897     {
2898         cj4_ind   = (nbl->work->cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2899         cj_offset = nbl->work->cj_ind - cj4_ind*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
2900         cj4       = &nbl->cj4[cj4_ind];
2901
2902         cj = scj*GPU_NSUBCELL + cjo;
2903
2904         cj_gl = gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cj;
2905
2906         /* Initialize this j-subcell i-subcell list */
2907         cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
2908         imask              = 0;
2909
2910         if (sci_equals_scj)
2911         {
2912             ci1 = cjo + 1;
2913         }
2914         else
2915         {
2916             ci1 = gridi->nsubc[sci];
2917         }
2918
2919 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2920         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SSE */
2921         subc_bb_dist2_sse_xxxx(gridj->bb+(cj>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX+(cj & (STRIDE_PBB-1)),
2922                                ci1, bb_ci, d2l);
2923         *ndistc += na_c*2;
2924 #endif
2925
2926         npair = 0;
2927         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
2928         for (ci = 0; ci < GPU_NSUBCELL; ci++)
2929         {
2930             if (ci == ci1)
2931             {
2932                 break;
2933             }
2934
2935 #ifndef NBNXN_BBXXXX
2936             /* Determine the bb distance between ci and cj */
2937             d2l[ci]  = subc_bb_dist2(ci, bb_ci, cj, gridj->bb);
2938             *ndistc += 2;
2939 #endif
2940             d2 = d2l[ci];
2941
2942 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ALL
2943             /* Check if the distance is within the distance where
2944              * we use only the bounding box distance rbb,
2945              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2946              * within the cut-off. This check is very costly.
2947              */
2948             *ndistc += na_c*na_c;
2949             if (d2 < rbb2 ||
2950                 (d2 < rl2 &&
2951 #ifdef NBNXN_PBB_SSE
2952                 subc_in_range_sse8
2953 #else
2954                 subc_in_range_x
2955 #endif
2956                     (na_c, ci, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2)))
2957 #else
2958             /* Check if the distance between the two bounding boxes
2959              * in within the pair-list cut-off.
2960              */
2961             if (d2 < rl2)
2962 #endif
2963             {
2964                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
2965                 imask |= (1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci));
2966
2967 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2968                 ci_last = ci;
2969 #endif
2970
2971                 npair++;
2972             }
2973         }
2974
2975 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2976         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
2977          * within the cut-off, so we could get rid of it.
2978          */
2979         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2)
2980         {
2981             /* Avoid using function pointers here, as it's slower */
2982             if (
2983 #ifdef NBNXN_PBB_SSE
2984                 !subc_in_range_sse8
2985 #else
2986                 !subc_in_range_x
2987 #endif
2988                     (na_c, ci_last, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2))
2989             {
2990                 imask &= ~(1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci_last));
2991                 npair--;
2992             }
2993         }
2994 #endif
2995
2996         if (npair > 0)
2997         {
2998             /* We have a useful sj entry, close it now */
2999
3000             /* Set the exclucions for the ci== sj entry.
3001              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
3002              * as it will nearly always be in the list.
3003              */
3004             if (sci_equals_scj)
3005             {
3006                 set_self_and_newton_excls_supersub(nbl, cj4_ind, cj_offset, cjo);
3007             }
3008
3009             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
3010             for (w = 0; w < NWARP; w++)
3011             {
3012                 cj4->imei[w].imask |= imask;
3013             }
3014
3015             nbl->work->cj_ind++;
3016
3017             /* Keep the count */
3018             nbl->nci_tot += npair;
3019
3020             /* Increase the closing index in i super-cell list */
3021             nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end =
3022                 ((nbl->work->cj_ind+NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3023         }
3024     }
3025 }
3026
3027 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3028  * as masks in the pair-list for simple list i-entry nbl_ci
3029  */
3030 static void set_ci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3031                              nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3032                              gmx_bool             diagRemoved,
3033                              int                  na_ci_2log,
3034                              int                  na_cj_2log,
3035                              const nbnxn_ci_t    *nbl_ci,
3036                              const t_blocka      *excl)
3037 {
3038     const int    *cell;
3039     int           ci;
3040     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3041     int           cj_first, cj_last;
3042     int           ndirect;
3043     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3044     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3045     int           cj_m;
3046     gmx_bool      Found_si;
3047     int           si_ind;
3048     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3049     int           inner_i, inner_e;
3050
3051     cell = nbs->cell;
3052
3053     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3054     {
3055         /* Empty list */
3056         return;
3057     }
3058
3059     ci = nbl_ci->ci;
3060
3061     cj_ind_first = nbl_ci->cj_ind_start;
3062     cj_ind_last  = nbl->ncj - 1;
3063
3064     cj_first = nbl->cj[cj_ind_first].cj;
3065     cj_last  = nbl->cj[cj_ind_last].cj;
3066
3067     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
3068      * from the first i-cell. This number can be used to directly
3069      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
3070      */
3071     ndirect = 0;
3072     if (na_ci_2log == na_cj_2log)
3073     {
3074         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3075                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci + ndirect)
3076         {
3077             ndirect++;
3078         }
3079     }
3080 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SSE
3081     else
3082     {
3083         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3084                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci_to_cj(na_cj_2log, ci) + ndirect)
3085         {
3086             ndirect++;
3087         }
3088     }
3089 #endif
3090
3091     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3092     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3093     {
3094         ai = nbs->a[ci*nbl->na_sc+i];
3095         if (ai >= 0)
3096         {
3097             si  = (i>>na_ci_2log);
3098
3099             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3100             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3101             {
3102                 aj = excl->a[eind];
3103
3104                 if (aj == ai)
3105                 {
3106                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3107                     continue;
3108                 }
3109
3110                 ge = cell[aj];
3111
3112                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3113                  * for one-way pair-lists.
3114                  */
3115                 if (diagRemoved && ge <= ci*nbl->na_sc + i)
3116                 {
3117                     continue;
3118                 }
3119
3120                 se = (ge >> na_cj_2log);
3121
3122                 /* Could the cluster se be in our list? */
3123                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3124                 {
3125                     if (se < cj_first + ndirect)
3126                     {
3127                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3128                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3129                     }
3130                     else
3131                     {
3132                         /* Search for se using bisection */
3133                         found    = -1;
3134                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3135                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3136                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3137                         {
3138                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3139
3140                             cj_m = nbl->cj[cj_ind_m].cj;
3141
3142                             if (se == cj_m)
3143                             {
3144                                 found = cj_ind_m;
3145                             }
3146                             else if (se < cj_m)
3147                             {
3148                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3149                             }
3150                             else
3151                             {
3152                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3153                             }
3154                         }
3155                     }
3156
3157                     if (found >= 0)
3158                     {
3159                         inner_i = i  - (si << na_ci_2log);
3160                         inner_e = ge - (se << na_cj_2log);
3161
3162                         nbl->cj[found].excl &= ~(1U<<((inner_i<<na_cj_2log) + inner_e));
3163                     }
3164                 }
3165             }
3166         }
3167     }
3168 }
3169
3170 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3171  * as masks in the pair-list for i-super-cell entry nbl_sci
3172  */
3173 static void set_sci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3174                               nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3175                               gmx_bool             diagRemoved,
3176                               int                  na_c_2log,
3177                               const nbnxn_sci_t   *nbl_sci,
3178                               const t_blocka      *excl)
3179 {
3180     const int    *cell;
3181     int           na_c;
3182     int           sci;
3183     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3184     int           cj_first, cj_last;
3185     int           ndirect;
3186     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3187     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3188     int           cj_m;
3189     gmx_bool      Found_si;
3190     int           si_ind;
3191     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3192     int           inner_i, inner_e, w;
3193
3194     cell = nbs->cell;
3195
3196     na_c = nbl->na_ci;
3197
3198     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3199     {
3200         /* Empty list */
3201         return;
3202     }
3203
3204     sci = nbl_sci->sci;
3205
3206     cj_ind_first = nbl_sci->cj4_ind_start*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3207     cj_ind_last  = nbl->work->cj_ind - 1;
3208
3209     cj_first = nbl->cj4[nbl_sci->cj4_ind_start].cj[0];
3210     cj_last  = nbl_cj(nbl, cj_ind_last);
3211
3212     /* Determine how many contiguous j-clusters we have starting
3213      * from the first i-cluster. This number can be used to directly
3214      * calculate j-cluster indices for excluded atoms.
3215      */
3216     ndirect = 0;
3217     while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3218            nbl_cj(nbl, cj_ind_first+ndirect) == sci*GPU_NSUBCELL + ndirect)
3219     {
3220         ndirect++;
3221     }
3222
3223     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3224     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3225     {
3226         ai = nbs->a[sci*nbl->na_sc+i];
3227         if (ai >= 0)
3228         {
3229             si  = (i>>na_c_2log);
3230
3231             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3232             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3233             {
3234                 aj = excl->a[eind];
3235
3236                 if (aj == ai)
3237                 {
3238                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3239                     continue;
3240                 }
3241
3242                 ge = cell[aj];
3243
3244                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3245                  * for one-way pair-lists.
3246                  */
3247                 if (diagRemoved && ge <= sci*nbl->na_sc + i)
3248                 {
3249                     continue;
3250                 }
3251
3252                 se = ge>>na_c_2log;
3253                 /* Could the cluster se be in our list? */
3254                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3255                 {
3256                     if (se < cj_first + ndirect)
3257                     {
3258                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3259                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3260                     }
3261                     else
3262                     {
3263                         /* Search for se using bisection */
3264                         found    = -1;
3265                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3266                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3267                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3268                         {
3269                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3270
3271                             cj_m = nbl_cj(nbl, cj_ind_m);
3272
3273                             if (se == cj_m)
3274                             {
3275                                 found = cj_ind_m;
3276                             }
3277                             else if (se < cj_m)
3278                             {
3279                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3280                             }
3281                             else
3282                             {
3283                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3284                             }
3285                         }
3286                     }
3287
3288                     if (found >= 0)
3289                     {
3290                         inner_i = i  - si*na_c;
3291                         inner_e = ge - se*na_c;
3292
3293 /* Macro for getting the index of atom a within a cluster */
3294 #define AMODCJ4(a)  ((a) & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1))
3295 /* Macro for converting an atom number to a cluster number */
3296 #define A2CJ4(a)    ((a) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG)
3297 /* Macro for getting the index of an i-atom within a warp */
3298 #define AMODWI(a)   ((a) & (NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/2 - 1))
3299
3300                         if (nbl_imask0(nbl, found) & (1U << (AMODCJ4(found)*GPU_NSUBCELL + si)))
3301                         {
3302                             w       = (inner_e >> 2);
3303
3304                             get_nbl_exclusions_1(nbl, A2CJ4(found), w, &nbl_excl);
3305
3306                             nbl_excl->pair[AMODWI(inner_e)*nbl->na_ci+inner_i] &=
3307                                 ~(1U << (AMODCJ4(found)*GPU_NSUBCELL + si));
3308                         }
3309
3310 #undef AMODCJ4
3311 #undef A2CJ4
3312 #undef AMODWI
3313                     }
3314                 }
3315             }
3316         }
3317     }
3318 }
3319
3320 /* Reallocate the simple ci list for at least n entries */
3321 static void nb_realloc_ci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3322 {
3323     nbl->ci_nalloc = over_alloc_small(n);
3324     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->ci,
3325                        nbl->nci*sizeof(*nbl->ci),
3326                        nbl->ci_nalloc*sizeof(*nbl->ci),
3327                        nbl->alloc, nbl->free);
3328 }
3329
3330 /* Reallocate the super-cell sci list for at least n entries */
3331 static void nb_realloc_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3332 {
3333     nbl->sci_nalloc = over_alloc_small(n);
3334     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->sci,
3335                        nbl->nsci*sizeof(*nbl->sci),
3336                        nbl->sci_nalloc*sizeof(*nbl->sci),
3337                        nbl->alloc, nbl->free);
3338 }
3339
3340 /* Make a new ci entry at index nbl->nci */
3341 static void new_ci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int ci, int shift, int flags,
3342                          nbnxn_list_work_t *work)
3343 {
3344     if (nbl->nci + 1 > nbl->ci_nalloc)
3345     {
3346         nb_realloc_ci(nbl, nbl->nci+1);
3347     }
3348     nbl->ci[nbl->nci].ci            = ci;
3349     nbl->ci[nbl->nci].shift         = shift;
3350     /* Store the interaction flags along with the shift */
3351     nbl->ci[nbl->nci].shift        |= flags;
3352     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start  = nbl->ncj;
3353     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end    = nbl->ncj;
3354 }
3355
3356 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
3357 static void new_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int sci, int shift, int flags,
3358                           nbnxn_list_work_t *work)
3359 {
3360     if (nbl->nsci + 1 > nbl->sci_nalloc)
3361     {
3362         nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3363     }
3364     nbl->sci[nbl->nsci].sci           = sci;
3365     nbl->sci[nbl->nsci].shift         = shift;
3366     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start = nbl->ncj4;
3367     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end   = nbl->ncj4;
3368 }
3369
3370 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
3371  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
3372  */
3373 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t *cj, int ncj,
3374                          nbnxn_list_work_t *work)
3375 {
3376     int jnew, j;
3377
3378     if (ncj > work->cj_nalloc)
3379     {
3380         work->cj_nalloc = over_alloc_large(ncj);
3381         srenew(work->cj, work->cj_nalloc);
3382     }
3383
3384     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
3385     jnew = 0;
3386     for (j = 0; j < ncj; j++)
3387     {
3388         if (cj[j].excl != NBNXN_INT_MASK_ALL)
3389         {
3390             work->cj[jnew++] = cj[j];
3391         }
3392     }
3393     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
3394     if (!((jnew == 0) ||
3395           (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INT_MASK_ALL)))
3396     {
3397         for (j = 0; j < ncj; j++)
3398         {
3399             if (cj[j].excl == NBNXN_INT_MASK_ALL)
3400             {
3401                 work->cj[jnew++] = cj[j];
3402             }
3403         }
3404         for (j = 0; j < ncj; j++)
3405         {
3406             cj[j] = work->cj[j];
3407         }
3408     }
3409 }
3410
3411 /* Close this simple list i entry */
3412 static void close_ci_entry_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3413 {
3414     int jlen;
3415
3416     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3417      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3418      */
3419     jlen = nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end - nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start;
3420     if (jlen > 0)
3421     {
3422         sort_cj_excl(nbl->cj+nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start, jlen, nbl->work);
3423
3424         /* The counts below are used for non-bonded pair/flop counts
3425          * and should therefore match the available kernel setups.
3426          */
3427         if (!(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
3428         {
3429             nbl->work->ncj_noq += jlen;
3430         }
3431         else if ((nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0)) ||
3432                  !(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_LJ(0)))
3433         {
3434             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
3435         }
3436
3437         nbl->nci++;
3438     }
3439 }
3440
3441 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
3442  * Splitting ensures we have enough lists to fully utilize the whole GPU.
3443  * With progBal we generate progressively smaller lists, which improves
3444  * load balancing. As we only know the current count on our own thread,
3445  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
3446  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
3447  * both on nthread and our own thread index.
3448  */
3449 static void split_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3450                             int nsp_max_av, gmx_bool progBal, int nc_bal,
3451                             int thread, int nthread)
3452 {
3453     int nsci_est;
3454     int nsp_max;
3455     int cj4_start, cj4_end, j4len, cj4;
3456     int sci;
3457     int nsp, nsp_sci, nsp_cj4, nsp_cj4_e, nsp_cj4_p;
3458     int p;
3459
3460     if (progBal)
3461     {
3462         /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
3463          * over all threads using the target number of ci's.
3464          */
3465         nsci_est = nc_bal*thread/nthread + nbl->nsci;
3466
3467         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
3468          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
3469          */
3470         nsp_max = max(1,
3471                       nsp_max_av*nc_bal*3/(2*(nsci_est - 1 + nc_bal)));
3472     }
3473     else
3474     {
3475         nsp_max = nsp_max_av;
3476     }
3477
3478     cj4_start = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_start;
3479     cj4_end   = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_end;
3480     j4len     = cj4_end - cj4_start;
3481
3482     if (j4len > 1 && j4len*GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE > nsp_max)
3483     {
3484         /* Remove the last ci entry and process the cj4's again */
3485         nbl->nsci -= 1;
3486
3487         sci        = nbl->nsci;
3488         nsp        = 0;
3489         nsp_sci    = 0;
3490         nsp_cj4_e  = 0;
3491         nsp_cj4    = 0;
3492         for (cj4 = cj4_start; cj4 < cj4_end; cj4++)
3493         {
3494             nsp_cj4_p = nsp_cj4;
3495             /* Count the number of cluster pairs in this cj4 group */
3496             nsp_cj4   = 0;
3497             for (p = 0; p < GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; p++)
3498             {
3499                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
3500             }
3501
3502             if (nsp_cj4 > 0 && nsp + nsp_cj4 > nsp_max)
3503             {
3504                 /* Split the list at cj4 */
3505                 nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4;
3506                 /* Create a new sci entry */
3507                 sci++;
3508                 nbl->nsci++;
3509                 if (nbl->nsci+1 > nbl->sci_nalloc)
3510                 {
3511                     nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3512                 }
3513                 nbl->sci[sci].sci           = nbl->sci[nbl->nsci-1].sci;
3514                 nbl->sci[sci].shift         = nbl->sci[nbl->nsci-1].shift;
3515                 nbl->sci[sci].cj4_ind_start = cj4;
3516                 nsp_sci                     = nsp;
3517                 nsp_cj4_e                   = nsp_cj4_p;
3518                 nsp                         = 0;
3519             }
3520             nsp += nsp_cj4;
3521         }
3522
3523         /* Put the remaining cj4's in the last sci entry */
3524         nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4_end;
3525
3526         /* Possibly balance out the last two sci's
3527          * by moving the last cj4 of the second last sci.
3528          */
3529         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
3530         {
3531             nbl->sci[sci-1].cj4_ind_end--;
3532             nbl->sci[sci].cj4_ind_start--;
3533         }
3534
3535         nbl->nsci++;
3536     }
3537 }
3538
3539 /* Clost this super/sub list i entry */
3540 static void close_ci_entry_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3541                                     int nsp_max_av,
3542                                     gmx_bool progBal, int nc_bal,
3543                                     int thread, int nthread)
3544 {
3545     int j4len, tlen;
3546     int nb, b;
3547
3548     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3549      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3550      */
3551     j4len = nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end - nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start;
3552     if (j4len > 0)
3553     {
3554         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
3555          * so round the count up before closing.
3556          */
3557         nbl->ncj4         = ((nbl->work->cj_ind + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3558         nbl->work->cj_ind = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3559
3560         nbl->nsci++;
3561
3562         if (nsp_max_av > 0)
3563         {
3564             /* Measure the size of the new entry and potentially split it */
3565             split_sci_entry(nbl, nsp_max_av, progBal, nc_bal, thread, nthread);
3566         }
3567     }
3568 }
3569
3570 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the list */
3571 static void sync_work(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3572 {
3573     if (!nbl->bSimple)
3574     {
3575         nbl->work->cj_ind   = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3576         nbl->work->cj4_init = nbl->ncj4;
3577     }
3578 }
3579
3580 /* Clears an nbnxn_pairlist_t data structure */
3581 static void clear_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3582 {
3583     nbl->nci           = 0;
3584     nbl->nsci          = 0;
3585     nbl->ncj           = 0;
3586     nbl->ncj4          = 0;
3587     nbl->nci_tot       = 0;
3588     nbl->nexcl         = 1;
3589
3590     nbl->work->ncj_noq = 0;
3591     nbl->work->ncj_hlj = 0;
3592 }
3593
3594 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
3595 static void set_icell_bb_simple(const float *bb, int ci,
3596                                 real shx, real shy, real shz,
3597                                 float *bb_ci)
3598 {
3599     int ia;
3600
3601     ia           = ci*NNBSBB_B;
3602     bb_ci[BBL_X] = bb[ia+BBL_X] + shx;
3603     bb_ci[BBL_Y] = bb[ia+BBL_Y] + shy;
3604     bb_ci[BBL_Z] = bb[ia+BBL_Z] + shz;
3605     bb_ci[BBU_X] = bb[ia+BBU_X] + shx;
3606     bb_ci[BBU_Y] = bb[ia+BBU_Y] + shy;
3607     bb_ci[BBU_Z] = bb[ia+BBU_Z] + shz;
3608 }
3609
3610 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
3611 static void set_icell_bb_supersub(const float *bb, int ci,
3612                                   real shx, real shy, real shz,
3613                                   float *bb_ci)
3614 {
3615     int ia, m, i;
3616
3617 #ifdef NBNXN_BBXXXX
3618     ia = ci*(GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX;
3619     for (m = 0; m < (GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX; m += NNBSBB_XXXX)
3620     {
3621         for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
3622         {
3623             bb_ci[m+0*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+0*STRIDE_PBB+i] + shx;
3624             bb_ci[m+1*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+1*STRIDE_PBB+i] + shy;
3625             bb_ci[m+2*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+2*STRIDE_PBB+i] + shz;
3626             bb_ci[m+3*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+3*STRIDE_PBB+i] + shx;
3627             bb_ci[m+4*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+4*STRIDE_PBB+i] + shy;
3628             bb_ci[m+5*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+5*STRIDE_PBB+i] + shz;
3629         }
3630     }
3631 #else
3632     ia = ci*GPU_NSUBCELL*NNBSBB_B;
3633     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL*NNBSBB_B; i += NNBSBB_B)
3634     {
3635         bb_ci[i+BBL_X] = bb[ia+i+BBL_X] + shx;
3636         bb_ci[i+BBL_Y] = bb[ia+i+BBL_Y] + shy;
3637         bb_ci[i+BBL_Z] = bb[ia+i+BBL_Z] + shz;
3638         bb_ci[i+BBU_X] = bb[ia+i+BBU_X] + shx;
3639         bb_ci[i+BBU_Y] = bb[ia+i+BBU_Y] + shy;
3640         bb_ci[i+BBU_Z] = bb[ia+i+BBU_Z] + shz;
3641     }
3642 #endif
3643 }
3644
3645 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
3646 static void icell_set_x_simple(int ci,
3647                                real shx, real shy, real shz,
3648                                int na_c,
3649                                int stride, const real *x,
3650                                nbnxn_list_work_t *work)
3651 {
3652     int  ia, i;
3653
3654     ia = ci*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
3655
3656     for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; i++)
3657     {
3658         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] = x[(ia+i)*stride+XX] + shx;
3659         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] = x[(ia+i)*stride+YY] + shy;
3660         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] = x[(ia+i)*stride+ZZ] + shz;
3661     }
3662 }
3663
3664 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
3665 static void icell_set_x_supersub(int ci,
3666                                  real shx, real shy, real shz,
3667                                  int na_c,
3668                                  int stride, const real *x,
3669                                  nbnxn_list_work_t *work)
3670 {
3671     int  ia, i;
3672     real *x_ci;
3673
3674     x_ci = work->x_ci;
3675
3676     ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c;
3677     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL*na_c; i++)
3678     {
3679         x_ci[i*DIM + XX] = x[(ia+i)*stride + XX] + shx;
3680         x_ci[i*DIM + YY] = x[(ia+i)*stride + YY] + shy;
3681         x_ci[i*DIM + ZZ] = x[(ia+i)*stride + ZZ] + shz;
3682     }
3683 }
3684
3685 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SSE
3686 /* Copies PBC shifted super-cell packed atom coordinates to working array */
3687 static void icell_set_x_supersub_sse8(int ci,
3688                                       real shx, real shy, real shz,
3689                                       int na_c,
3690                                       int stride, const real *x,
3691                                       nbnxn_list_work_t *work)
3692 {
3693     int  si, io, ia, i, j;
3694     real *x_ci;
3695
3696     x_ci = work->x_ci;
3697
3698     for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
3699     {
3700         for (i = 0; i < na_c; i += STRIDE_PBB)
3701         {
3702             io = si*na_c + i;
3703             ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c + io;
3704             for (j = 0; j < STRIDE_PBB; j++)
3705             {
3706                 x_ci[io*DIM + j + XX*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+XX] + shx;
3707                 x_ci[io*DIM + j + YY*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+YY] + shy;
3708                 x_ci[io*DIM + j + ZZ*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+ZZ] + shz;
3709             }
3710         }
3711     }
3712 }
3713 #endif
3714
3715 static real nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac = 0.6;
3716
3717 /* Due to the cluster size the effective pair-list is longer than
3718  * that of a simple atom pair-list. This function gives the extra distance.
3719  */
3720 real nbnxn_get_rlist_effective_inc(int cluster_size, real atom_density)
3721 {
3722     return ((0.5 + nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac)*sqr(((cluster_size) - 1.0)/(cluster_size))*pow((cluster_size)/(atom_density), 1.0/3.0));
3723 }
3724
3725 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
3726 static real nonlocal_vol2(const gmx_domdec_zones_t *zones, rvec ls, real r)
3727 {
3728     int  z, d;
3729     real cl, ca, za;
3730     real vold_est;
3731     real vol2_est_tot;
3732
3733     vol2_est_tot = 0;
3734
3735     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
3736      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
3737      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
3738      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
3739      * as small parts as possible.
3740      */
3741
3742     for (z = 0; z < zones->n; z++)
3743     {
3744         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
3745         {
3746             cl = 0;
3747             ca = 1;
3748             za = 1;
3749             for (d = 0; d < DIM; d++)
3750             {
3751                 if (zones->shift[z][d] == 0)
3752                 {
3753                     cl += 0.5*ls[d];
3754                     ca *= ls[d];
3755                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
3756                 }
3757             }
3758
3759             /* 4 octants of a sphere */
3760             vold_est  = 0.25*M_PI*r*r*r*r;
3761             /* 4 quarter pie slices on the edges */
3762             vold_est += 4*cl*M_PI/6.0*r*r*r;
3763             /* One rectangular volume on a face */
3764             vold_est += ca*0.5*r*r;
3765
3766             vol2_est_tot += vold_est*za;
3767         }
3768     }
3769
3770     return vol2_est_tot;
3771 }
3772
3773 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
3774 static int get_nsubpair_max(const nbnxn_search_t nbs,
3775                             int                  iloc,
3776                             real                 rlist,
3777                             int                  min_ci_balanced)
3778 {
3779     const nbnxn_grid_t *grid;
3780     rvec ls;
3781     real xy_diag2, r_eff_sup, vol_est, nsp_est, nsp_est_nl;
3782     int  nsubpair_max;
3783
3784     grid = &nbs->grid[0];
3785
3786     ls[XX] = (grid->c1[XX] - grid->c0[XX])/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X);
3787     ls[YY] = (grid->c1[YY] - grid->c0[YY])/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y);
3788     ls[ZZ] = (grid->c1[ZZ] - grid->c0[ZZ])*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z);
3789
3790     /* The average squared length of the diagonal of a sub cell */
3791     xy_diag2 = ls[XX]*ls[XX] + ls[YY]*ls[YY] + ls[ZZ]*ls[ZZ];
3792
3793     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
3794     r_eff_sup = rlist + nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac*sqr((grid->na_c - 1.0)/grid->na_c)*sqrt(xy_diag2/3);
3795
3796     if (!nbs->DomDec || nbs->zones->n == 1)
3797     {
3798         nsp_est_nl = 0;
3799     }
3800     else
3801     {
3802         nsp_est_nl =
3803             sqr(grid->atom_density/grid->na_c)*
3804             nonlocal_vol2(nbs->zones, ls, r_eff_sup);
3805     }
3806
3807     if (LOCAL_I(iloc))
3808     {
3809         /* Sub-cell interacts with itself */
3810         vol_est  = ls[XX]*ls[YY]*ls[ZZ];
3811         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
3812         vol_est += (ls[XX]*ls[YY] + ls[XX]*ls[ZZ] + ls[YY]*ls[ZZ])*r_eff_sup;
3813         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
3814         vol_est += 2*(ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ])*0.25*M_PI*sqr(r_eff_sup);
3815         /* 4 octants of a sphere */
3816         vol_est += 0.5*4.0/3.0*M_PI*pow(r_eff_sup, 3);
3817
3818         nsp_est = grid->nsubc_tot*vol_est*grid->atom_density/grid->na_c;
3819
3820         /* Subtract the non-local pair count */
3821         nsp_est -= nsp_est_nl;
3822
3823         if (debug)
3824         {
3825             fprintf(debug, "nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n",
3826                     nsp_est, nsp_est_nl);
3827         }
3828     }
3829     else
3830     {
3831         nsp_est = nsp_est_nl;
3832     }
3833
3834     if (min_ci_balanced <= 0 || grid->nc >= min_ci_balanced || grid->nc == 0)
3835     {
3836         /* We don't need to worry */
3837         nsubpair_max = -1;
3838     }
3839     else
3840     {
3841         /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows */
3842         nsubpair_max = max(1, (int)(nsp_est/min_ci_balanced+0.5));
3843
3844         /* Since the target value is a maximum (this avoids high outliers,
3845          * which lead to load imbalance), not average, we add half the
3846          * number of pairs in a cj4 block to get the average about right.
3847          */
3848         nsubpair_max += GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE/2;
3849     }
3850
3851     if (debug)
3852     {
3853         fprintf(debug, "nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_max %d\n",
3854                 nsp_est, nsubpair_max);
3855     }
3856
3857     return nsubpair_max;
3858 }
3859
3860 /* Debug list print function */
3861 static void print_nblist_ci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
3862 {
3863     int i, j;
3864
3865     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
3866     {
3867         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n",
3868                 nbl->ci[i].ci, nbl->ci[i].shift,
3869                 nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start);
3870
3871         for (j = nbl->ci[i].cj_ind_start; j < nbl->ci[i].cj_ind_end; j++)
3872         {
3873             fprintf(fp, "  cj %5d  imask %x\n",
3874                     nbl->cj[j].cj,
3875                     nbl->cj[j].excl);
3876         }
3877     }
3878 }
3879
3880 /* Debug list print function */
3881 static void print_nblist_sci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
3882 {
3883     int i, j4, j, ncp, si;
3884
3885     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
3886     {
3887         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n",
3888                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
3889                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start);
3890
3891         ncp = 0;
3892         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
3893         {
3894             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
3895             {
3896                 fprintf(fp, "  sj %5d  imask %x\n",
3897                         nbl->cj4[j4].cj[j],
3898                         nbl->cj4[j4].imei[0].imask);
3899                 for (si=0; si<GPU_NSUBCELL; si++)
3900                 {
3901                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
3902                     {
3903                         ncp++;
3904                     }
3905                 }
3906             }
3907         }
3908         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d ncp %3d\n",
3909                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
3910                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start,
3911                 ncp);
3912     }
3913 }
3914
3915 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
3916 static void combine_nblists(int nnbl, nbnxn_pairlist_t **nbl,
3917                             nbnxn_pairlist_t *nblc)
3918 {
3919     int nsci, ncj4, nexcl;
3920     int n, i;
3921
3922     if (nblc->bSimple)
3923     {
3924         gmx_incons("combine_nblists does not support simple lists");
3925     }
3926
3927     nsci  = nblc->nsci;
3928     ncj4  = nblc->ncj4;
3929     nexcl = nblc->nexcl;
3930     for (i = 0; i < nnbl; i++)
3931     {
3932         nsci  += nbl[i]->nsci;
3933         ncj4  += nbl[i]->ncj4;
3934         nexcl += nbl[i]->nexcl;
3935     }
3936
3937     if (nsci > nblc->sci_nalloc)
3938     {
3939         nb_realloc_sci(nblc, nsci);
3940     }
3941     if (ncj4 > nblc->cj4_nalloc)
3942     {
3943         nblc->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4);
3944         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->cj4,
3945                            nblc->ncj4*sizeof(*nblc->cj4),
3946                            nblc->cj4_nalloc*sizeof(*nblc->cj4),
3947                            nblc->alloc, nblc->free);
3948     }
3949     if (nexcl > nblc->excl_nalloc)
3950     {
3951         nblc->excl_nalloc = over_alloc_small(nexcl);
3952         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->excl,
3953                            nblc->nexcl*sizeof(*nblc->excl),
3954                            nblc->excl_nalloc*sizeof(*nblc->excl),
3955                            nblc->alloc, nblc->free);
3956     }
3957
3958     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
3959      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
3960      */
3961 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
3962     for (n = 0; n < nnbl; n++)
3963     {
3964         int sci_offset;
3965         int cj4_offset;
3966         int ci_offset;
3967         int excl_offset;
3968         int i, j4;
3969         const nbnxn_pairlist_t *nbli;
3970
3971         /* Determine the offset in the combined data for our thread */
3972         sci_offset  = nblc->nsci;
3973         cj4_offset  = nblc->ncj4;
3974         ci_offset   = nblc->nci_tot;
3975         excl_offset = nblc->nexcl;
3976
3977         for (i = 0; i < n; i++)
3978         {
3979             sci_offset  += nbl[i]->nsci;
3980             cj4_offset  += nbl[i]->ncj4;
3981             ci_offset   += nbl[i]->nci_tot;
3982             excl_offset += nbl[i]->nexcl;
3983         }
3984
3985         nbli = nbl[n];
3986
3987         for (i = 0; i < nbli->nsci; i++)
3988         {
3989             nblc->sci[sci_offset+i]                = nbli->sci[i];
3990             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_start += cj4_offset;
3991             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_end   += cj4_offset;
3992         }
3993
3994         for (j4 = 0; j4 < nbli->ncj4; j4++)
3995         {
3996             nblc->cj4[cj4_offset+j4]                   = nbli->cj4[j4];
3997             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
3998             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
3999         }
4000
4001         for (j4 = 0; j4 < nbli->nexcl; j4++)
4002         {
4003             nblc->excl[excl_offset+j4] = nbli->excl[j4];
4004         }
4005     }
4006
4007     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4008     {
4009         nblc->nsci    += nbl[n]->nsci;
4010         nblc->ncj4    += nbl[n]->ncj4;
4011         nblc->nci_tot += nbl[n]->nci_tot;
4012         nblc->nexcl   += nbl[n]->nexcl;
4013     }
4014 }
4015
4016 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
4017 static gmx_bool next_ci(const nbnxn_grid_t *grid,
4018                         int conv,
4019                         int nth, int ci_block,
4020                         int *ci_x, int *ci_y,
4021                         int *ci_b, int *ci)
4022 {
4023     (*ci_b)++;
4024     (*ci)++;
4025
4026     if (*ci_b == ci_block)
4027     {
4028         /* Jump to the next block assigned to this task */
4029         *ci   += (nth - 1)*ci_block;
4030         *ci_b  = 0;
4031     }
4032
4033     if (*ci >= grid->nc*conv)
4034     {
4035         return FALSE;
4036     }
4037
4038     while (*ci >= grid->cxy_ind[*ci_x*grid->ncy + *ci_y + 1]*conv)
4039     {
4040         *ci_y += 1;
4041         if (*ci_y == grid->ncy)
4042         {
4043             *ci_x += 1;
4044             *ci_y  = 0;
4045         }
4046     }
4047
4048     return TRUE;
4049 }
4050
4051 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
4052  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
4053  */
4054 static float boundingbox_only_distance2(const nbnxn_grid_t *gridi,
4055                                         const nbnxn_grid_t *gridj,
4056                                         real                rlist,
4057                                         gmx_bool            simple)
4058 {
4059     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
4060      * than this distance, do not check the distance between
4061      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
4062      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
4063      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
4064      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
4065      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
4066      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
4067      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
4068      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
4069      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
4070      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
4071      */
4072     real bbx, bby;
4073     real rbb2;
4074
4075     bbx = 0.5*(gridi->sx + gridj->sx);
4076     bby = 0.5*(gridi->sy + gridj->sy);
4077     if (!simple)
4078     {
4079         bbx /= GPU_NSUBCELL_X;
4080         bby /= GPU_NSUBCELL_Y;
4081     }
4082
4083     rbb2 = sqr(max(0, rlist - 0.5*sqrt(bbx*bbx + bby*bby)));
4084
4085 #ifndef GMX_DOUBLE
4086     return rbb2;
4087 #else
4088     return (float)((1+GMX_FLOAT_EPS)*rbb2);
4089 #endif
4090 }
4091
4092 static int get_ci_block_size(const nbnxn_grid_t *gridi,
4093                              gmx_bool bDomDec, int nth)
4094 {
4095     const int ci_block_enum      = 5;
4096     const int ci_block_denom     = 11;
4097     const int ci_block_min_atoms = 16;
4098     int ci_block;
4099
4100     /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
4101      * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
4102      * a multiple of the number of threads, which would lead to some
4103      * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
4104      * which in turns will lead to load imbalance between threads.
4105      * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
4106      * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
4107      * of the grid parts of the different thread along all three grid
4108      * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
4109      * the blocks will not become too small.
4110      */
4111     ci_block = (gridi->nc*ci_block_enum)/(ci_block_denom*gridi->ncx*nth);
4112
4113     /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
4114     if (ci_block*gridi->na_sc < ci_block_min_atoms)
4115     {
4116         ci_block = (ci_block_min_atoms + gridi->na_sc - 1)/gridi->na_sc;
4117     }
4118
4119     /* Without domain decomposition
4120      * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
4121      */
4122     if (!bDomDec || ci_block*3*nth > gridi->nc)
4123     {
4124         ci_block = (gridi->nc + nth - 1)/nth;
4125     }
4126
4127     return ci_block;
4128 }
4129
4130 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
4131 static void nbnxn_make_pairlist_part(const nbnxn_search_t nbs,
4132                                      const nbnxn_grid_t *gridi,
4133                                      const nbnxn_grid_t *gridj,
4134                                      nbnxn_search_work_t *work,
4135                                      const nbnxn_atomdata_t *nbat,
4136                                      const t_blocka *excl,
4137                                      real rlist,
4138                                      int nb_kernel_type,
4139                                      int ci_block,
4140                                      gmx_bool bFBufferFlag,
4141                                      int nsubpair_max,
4142                                      gmx_bool progBal,
4143                                      int min_ci_balanced,
4144                                      int th, int nth,
4145                                      nbnxn_pairlist_t *nbl)
4146 {
4147     int  na_cj_2log;
4148     matrix box;
4149     real rl2;
4150     float rbb2;
4151     int  d;
4152     int  ci_b, ci, ci_x, ci_y, ci_xy, cj;
4153     ivec shp;
4154     int  tx, ty, tz;
4155     int  shift;
4156     gmx_bool bMakeList;
4157     real shx, shy, shz;
4158     int  conv_i, cell0_i;
4159     const float *bb_i, *bbcz_i, *bbcz_j;
4160     const int *flags_i;
4161     real bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1;
4162     real bz1_frac;
4163     real d2cx, d2z, d2z_cx, d2z_cy, d2zx, d2zxy, d2xy;
4164     int  cxf, cxl, cyf, cyf_x, cyl;
4165     int  cx, cy;
4166     int  c0, c1, cs, cf, cl;
4167     int  ndistc;
4168     int  ncpcheck;
4169     int  gridi_flag_shift = 0, gridj_flag_shift = 0;
4170     unsigned *gridj_flag  = NULL;
4171     int  ncj_old_i, ncj_old_j;
4172
4173     nbs_cycle_start(&work->cc[enbsCCsearch]);
4174
4175     if (gridj->bSimple != nbl->bSimple)
4176     {
4177         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
4178     }
4179
4180     sync_work(nbl);
4181     nbl->na_sc = gridj->na_sc;
4182     nbl->na_ci = gridj->na_c;
4183     nbl->na_cj = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
4184     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
4185
4186     nbl->rlist  = rlist;
4187
4188     if (bFBufferFlag)
4189     {
4190         /* Determine conversion of clusters to flag blocks */
4191         gridi_flag_shift = 0;
4192         while ((nbl->na_ci<<gridi_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4193         {
4194             gridi_flag_shift++;
4195         }
4196         gridj_flag_shift = 0;
4197         while ((nbl->na_cj<<gridj_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4198         {
4199             gridj_flag_shift++;
4200         }
4201
4202         gridj_flag = work->buffer_flags.flag;
4203     }
4204
4205     copy_mat(nbs->box, box);
4206
4207     rl2 = nbl->rlist*nbl->rlist;
4208
4209     rbb2 = boundingbox_only_distance2(gridi, gridj, nbl->rlist, nbl->bSimple);
4210
4211     if (debug)
4212     {
4213         fprintf(debug, "nbl bounding box only distance %f\n", sqrt(rbb2));
4214     }
4215
4216     /* Set the shift range */
4217     for (d = 0; d < DIM; d++)
4218     {
4219         /* Check if we need periodicity shifts.
4220          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
4221          */
4222         if (d >= ePBC2npbcdim(nbs->ePBC) || nbs->dd_dim[d])
4223         {
4224             shp[d] = 0;
4225         }
4226         else
4227         {
4228             if (d == XX &&
4229                 box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < sqrt(rl2))
4230             {
4231                 shp[d] = 2;
4232             }
4233             else
4234             {
4235                 shp[d] = 1;
4236             }
4237         }
4238     }
4239
4240     if (nbl->bSimple && !gridi->bSimple)
4241     {
4242         conv_i  = gridi->na_sc/gridj->na_sc;
4243         bb_i    = gridi->bb_simple;
4244         bbcz_i  = gridi->bbcz_simple;
4245         flags_i = gridi->flags_simple;
4246     }
4247     else
4248     {
4249         conv_i  = 1;
4250         bb_i    = gridi->bb;
4251         bbcz_i  = gridi->bbcz;
4252         flags_i = gridi->flags;
4253     }
4254     cell0_i = gridi->cell0*conv_i;
4255
4256     bbcz_j = gridj->bbcz;
4257
4258     if (conv_i != 1)
4259     {
4260         /* Blocks of the conversion factor - 1 give a large repeat count
4261          * combined with a small block size. This should result in good
4262          * load balancing for both small and large domains.
4263          */
4264         ci_block = conv_i - 1;
4265     }
4266     if (debug)
4267     {
4268         fprintf(debug, "nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n",
4269                 gridi->nc, gridi->nc/(double)(gridi->ncx*gridi->ncy), ci_block);
4270     }
4271
4272     ndistc   = 0;
4273     ncpcheck = 0;
4274
4275     /* Initially ci_b and ci to 1 before where we want them to start,
4276      * as they will both be incremented in next_ci.
4277      */
4278     ci_b = -1;
4279     ci   = th*ci_block - 1;
4280     ci_x = 0;
4281     ci_y = 0;
4282     while (next_ci(gridi, conv_i, nth, ci_block, &ci_x, &ci_y, &ci_b, &ci))
4283     {
4284         if (nbl->bSimple && flags_i[ci] == 0)
4285         {
4286             continue;
4287         }
4288
4289         ncj_old_i = nbl->ncj;
4290
4291         d2cx = 0;
4292         if (gridj != gridi && shp[XX] == 0)
4293         {
4294             if (nbl->bSimple)
4295             {
4296                 bx1 = bb_i[ci*NNBSBB_B+NNBSBB_C+XX];
4297             }
4298             else
4299             {
4300                 bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx;
4301             }
4302             if (bx1 < gridj->c0[XX])
4303             {
4304                 d2cx = sqr(gridj->c0[XX] - bx1);
4305
4306                 if (d2cx >= rl2)
4307                 {
4308                     continue;
4309                 }
4310             }
4311         }
4312
4313         ci_xy = ci_x*gridi->ncy + ci_y;
4314
4315         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
4316         for (tz = -shp[ZZ]; tz <= shp[ZZ]; tz++)
4317         {
4318             shz = tz*box[ZZ][ZZ];
4319
4320             bz0 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D  ] + shz;
4321             bz1 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D+1] + shz;
4322
4323             if (tz == 0)
4324             {
4325                 d2z = 0;
4326             }
4327             else if (tz < 0)
4328             {
4329                 d2z = sqr(bz1);
4330             }
4331             else
4332             {
4333                 d2z = sqr(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
4334             }
4335
4336             d2z_cx = d2z + d2cx;
4337
4338             if (d2z_cx >= rl2)
4339             {
4340                 continue;
4341             }
4342
4343             bz1_frac =
4344                 bz1/((real)(gridi->cxy_ind[ci_xy+1] - gridi->cxy_ind[ci_xy]));
4345             if (bz1_frac < 0)
4346             {
4347                 bz1_frac = 0;
4348             }
4349             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
4350
4351             for (ty = -shp[YY]; ty <= shp[YY]; ty++)
4352             {
4353                 shy = ty*box[YY][YY] + tz*box[ZZ][YY];
4354
4355                 if (nbl->bSimple)
4356                 {
4357                     by0 = bb_i[ci*NNBSBB_B         +YY] + shy;
4358                     by1 = bb_i[ci*NNBSBB_B+NNBSBB_C+YY] + shy;
4359                 }
4360                 else
4361                 {
4362                     by0 = gridi->c0[YY] + (ci_y  )*gridi->sy + shy;
4363                     by1 = gridi->c0[YY] + (ci_y+1)*gridi->sy + shy;
4364                 }
4365
4366                 get_cell_range(by0, by1,
4367                                gridj->ncy, gridj->c0[YY], gridj->sy, gridj->inv_sy,
4368                                d2z_cx, rl2,
4369                                &cyf, &cyl);
4370
4371                 if (cyf > cyl)
4372                 {
4373                     continue;
4374                 }
4375
4376                 d2z_cy = d2z;
4377                 if (by1 < gridj->c0[YY])
4378                 {
4379                     d2z_cy += sqr(gridj->c0[YY] - by1);
4380                 }
4381                 else if (by0 > gridj->c1[YY])
4382                 {
4383                     d2z_cy += sqr(by0 - gridj->c1[YY]);
4384                 }
4385
4386                 for (tx = -shp[XX]; tx <= shp[XX]; tx++)
4387                 {
4388                     shift = XYZ2IS(tx, ty, tz);
4389
4390 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4391                     if (gridi == gridj && shift > CENTRAL)
4392                     {
4393                         continue;
4394                     }
4395 #endif
4396
4397                     shx = tx*box[XX][XX] + ty*box[YY][XX] + tz*box[ZZ][XX];
4398
4399                     if (nbl->bSimple)
4400                     {
4401                         bx0 = bb_i[ci*NNBSBB_B         +XX] + shx;
4402                         bx1 = bb_i[ci*NNBSBB_B+NNBSBB_C+XX] + shx;
4403                     }
4404                     else
4405                     {
4406                         bx0 = gridi->c0[XX] + (ci_x  )*gridi->sx + shx;
4407                         bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx + shx;
4408                     }
4409
4410                     get_cell_range(bx0, bx1,
4411                                    gridj->ncx, gridj->c0[XX], gridj->sx, gridj->inv_sx,
4412                                    d2z_cy, rl2,
4413                                    &cxf, &cxl);
4414
4415                     if (cxf > cxl)
4416                     {
4417                         continue;
4418                     }
4419
4420                     if (nbl->bSimple)
4421                     {
4422                         new_ci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci],
4423                                      nbl->work);
4424                     }
4425                     else
4426                     {
4427                         new_sci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci],
4428                                       nbl->work);
4429                     }
4430
4431 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4432                     if (cxf < ci_x)
4433 #else
4434                     if (shift == CENTRAL && gridi == gridj &&
4435                         cxf < ci_x)
4436 #endif
4437                     {
4438                         /* Leave the pairs with i > j.
4439                          * x is the major index, so skip half of it.
4440                          */
4441                         cxf = ci_x;
4442                     }
4443
4444                     if (nbl->bSimple)
4445                     {
4446                         set_icell_bb_simple(bb_i, ci, shx, shy, shz,
4447                                             nbl->work->bb_ci);
4448                     }
4449                     else
4450                     {
4451                         set_icell_bb_supersub(bb_i, ci, shx, shy, shz,
4452                                               nbl->work->bb_ci);
4453                     }
4454
4455                     nbs->icell_set_x(cell0_i+ci, shx, shy, shz,
4456                                      gridi->na_c, nbat->xstride, nbat->x,
4457                                      nbl->work);
4458
4459                     for (cx = cxf; cx <= cxl; cx++)
4460                     {
4461                         d2zx = d2z;
4462                         if (gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx > bx1)
4463                         {
4464                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx - bx1);
4465                         }
4466                         else if (gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx < bx0)
4467                         {
4468                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx - bx0);
4469                         }
4470
4471 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4472                         if (gridi == gridj &&
4473                             cx == 0 && cyf < ci_y)
4474 #else
4475                         if (gridi == gridj &&
4476                             cx == 0 && shift == CENTRAL && cyf < ci_y)
4477 #endif
4478                         {
4479                             /* Leave the pairs with i > j.
4480                              * Skip half of y when i and j have the same x.
4481                              */
4482                             cyf_x = ci_y;
4483                         }
4484                         else
4485                         {
4486                             cyf_x = cyf;
4487                         }
4488
4489                         for (cy = cyf_x; cy <= cyl; cy++)
4490                         {
4491                             c0 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy];
4492                             c1 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy+1];
4493 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4494                             if (gridi == gridj &&
4495                                 shift == CENTRAL && c0 < ci)
4496                             {
4497                                 c0 = ci;
4498                             }
4499 #endif
4500
4501                             d2zxy = d2zx;
4502                             if (gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy > by1)
4503                             {
4504                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy - by1);
4505                             }
4506                             else if (gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy < by0)
4507                             {
4508                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy - by0);
4509                             }
4510                             if (c1 > c0 && d2zxy < rl2)
4511                             {
4512                                 cs = c0 + (int)(bz1_frac*(c1 - c0));
4513                                 if (cs >= c1)
4514                                 {
4515                                     cs = c1 - 1;
4516                                 }
4517
4518                                 d2xy = d2zxy - d2z;
4519
4520                                 /* Find the lowest cell that can possibly
4521                                  * be within range.
4522                                  */
4523                                 cf = cs;
4524                                 while (cf > c0 &&
4525                                        (bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] >= bz0 ||
4526                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] - bz0) < rl2))
4527                                 {
4528                                     cf--;
4529                                 }
4530
4531                                 /* Find the highest cell that can possibly
4532                                  * be within range.
4533                                  */
4534                                 cl = cs;
4535                                 while (cl < c1-1 &&
4536                                        (bbcz_j[cl*NNBSBB_D] <= bz1 ||
4537                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cl*NNBSBB_D] - bz1) < rl2))
4538                                 {
4539                                     cl++;
4540                                 }
4541
4542 #ifdef NBNXN_REFCODE
4543                                 {
4544                                     /* Simple reference code, for debugging,
4545                                      * overrides the more complex code above.
4546                                      */
4547                                     int k;
4548                                     cf = c1;
4549                                     cl = -1;
4550                                     for (k = c0; k < c1; k++)
4551                                     {
4552                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1,
4553                                                       bb+k*NNBSBB_B) < rl2 &&
4554                                             k < cf)
4555                                         {
4556                                             cf = k;
4557                                         }
4558                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1,
4559                                                       bb+k*NNBSBB_B) < rl2 &&
4560                                             k > cl)
4561                                         {
4562                                             cl = k;
4563                                         }
4564                                     }
4565                                 }
4566 #endif
4567
4568                                 if (gridi == gridj)
4569                                 {
4570                                     /* We want each atom/cell pair only once,
4571                                      * only use cj >= ci.
4572                                      */
4573 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4574                                     cf = max(cf, ci);
4575 #else
4576                                     if (shift == CENTRAL)
4577                                     {
4578                                         cf = max(cf, ci);
4579                                     }
4580 #endif
4581                                 }
4582
4583                                 if (cf <= cl)
4584                                 {
4585                                     /* For f buffer flags with simple lists */
4586                                     ncj_old_j = nbl->ncj;
4587
4588                                     switch (nb_kernel_type)
4589                                     {
4590                                         case nbnxnk4x4_PlainC:
4591                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, cl-cf+1);
4592
4593                                             make_cluster_list_simple(gridj,
4594                                                                      nbl, ci, cf, cl,
4595                                                                      (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4596                                                                      nbat->x,
4597                                                                      rl2, rbb2,
4598                                                                      &ndistc);
4599                                             break;
4600 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
4601                                         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
4602                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
4603                                             make_cluster_list_simd_4xn(gridj,
4604                                                                        nbl, ci, cf, cl,
4605                                                                        (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4606                                                                        nbat->x,
4607                                                                        rl2, rbb2,
4608                                                                        &ndistc);
4609                                             break;
4610 #endif
4611 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
4612                                         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
4613                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
4614                                             make_cluster_list_simd_2xnn(gridj,
4615                                                                         nbl, ci, cf, cl,
4616                                                                         (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4617                                                                         nbat->x,
4618                                                                         rl2, rbb2,
4619                                                                         &ndistc);
4620                                             break;
4621 #endif
4622                                         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
4623                                         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
4624                                             check_subcell_list_space_supersub(nbl, cl-cf+1);
4625                                             for (cj = cf; cj <= cl; cj++)
4626                                             {
4627                                                 make_cluster_list_supersub(nbs, gridi, gridj,
4628                                                                            nbl, ci, cj,
4629                                                                            (gridi == gridj && shift == CENTRAL && ci == cj),
4630                                                                            nbat->xstride, nbat->x,
4631                                                                            rl2, rbb2,
4632                                                                            &ndistc);
4633                                             }
4634                                             break;
4635                                     }
4636                                     ncpcheck += cl - cf + 1;
4637
4638                                     if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_j)
4639                                     {
4640                                         int cbf, cbl, cb;
4641
4642                                         cbf = nbl->cj[ncj_old_j].cj >> gridj_flag_shift;
4643                                         cbl = nbl->cj[nbl->ncj-1].cj >> gridj_flag_shift;
4644                                         for (cb = cbf; cb <= cbl; cb++)
4645                                         {
4646                                             gridj_flag[cb] = 1U<<th;
4647                                         }
4648                                     }
4649                                 }
4650                             }
4651                         }
4652                     }
4653
4654                     /* Set the exclusions for this ci list */
4655                     if (nbl->bSimple)
4656                     {
4657                         set_ci_top_excls(nbs,
4658                                          nbl,
4659                                          shift == CENTRAL && gridi == gridj,
4660                                          gridj->na_c_2log,
4661                                          na_cj_2log,
4662                                          &(nbl->ci[nbl->nci]),
4663                                          excl);
4664                     }
4665                     else
4666                     {
4667                         set_sci_top_excls(nbs,
4668                                           nbl,
4669                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
4670                                           gridj->na_c_2log,
4671                                           &(nbl->sci[nbl->nsci]),
4672                                           excl);
4673                     }
4674
4675                     /* Close this ci list */
4676                     if (nbl->bSimple)
4677                     {
4678                         close_ci_entry_simple(nbl);
4679                     }
4680                     else
4681                     {
4682                         close_ci_entry_supersub(nbl,
4683                                                 nsubpair_max,
4684                                                 progBal, min_ci_balanced,
4685                                                 th, nth);
4686                     }
4687                 }
4688             }
4689         }
4690
4691         if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_i)
4692         {
4693             work->buffer_flags.flag[(gridi->cell0+ci)>>gridi_flag_shift] = 1U<<th;
4694         }
4695     }
4696
4697     work->ndistc = ndistc;
4698
4699     nbs_cycle_stop(&work->cc[enbsCCsearch]);
4700
4701     if (debug)
4702     {
4703         fprintf(debug, "number of distance checks %d\n", ndistc);
4704         fprintf(debug, "ncpcheck %s %d\n", gridi == gridj ? "local" : "non-local",
4705                 ncpcheck);
4706
4707         if (nbl->bSimple)
4708         {
4709             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl, nbs, rlist);
4710         }
4711         else
4712         {
4713             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl, nbs, rlist);
4714         }
4715
4716     }
4717 }
4718
4719 static void reduce_buffer_flags(const nbnxn_search_t        nbs,
4720                                 int                         nsrc,
4721                                 const nbnxn_buffer_flags_t *dest)
4722 {
4723     int s, b;
4724     const unsigned *flag;
4725
4726     for (s = 0; s < nsrc; s++)
4727     {
4728         flag = nbs->work[s].buffer_flags.flag;
4729
4730         for (b = 0; b < dest->nflag; b++)
4731         {
4732             dest->flag[b] |= flag[b];
4733         }
4734     }
4735 }
4736
4737 static void print_reduction_cost(const nbnxn_buffer_flags_t *flags, int nout)
4738 {
4739     int nelem, nkeep, ncopy, nred, b, c, out;
4740
4741     nelem = 0;
4742     nkeep = 0;
4743     ncopy = 0;
4744     nred  = 0;
4745     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
4746     {
4747         if (flags->flag[b] == 1)
4748         {
4749             /* Only flag 0 is set, no copy of reduction required */
4750             nelem++;
4751             nkeep++;
4752         }
4753         else if (flags->flag[b] > 0)
4754         {
4755             c = 0;
4756             for (out = 0; out < nout; out++)
4757             {
4758                 if (flags->flag[b] & (1U<<out))
4759                 {
4760                     c++;
4761                 }
4762             }
4763             nelem += c;
4764             if (c == 1)
4765             {
4766                 ncopy++;
4767             }
4768             else
4769             {
4770                 nred += c;
4771             }
4772         }
4773     }
4774
4775     fprintf(debug, "nbnxn reduction: #flag %d #list %d elem %4.2f, keep %4.2f copy %4.2f red %4.2f\n",
4776             flags->nflag, nout,
4777             nelem/(double)(flags->nflag),
4778             nkeep/(double)(flags->nflag),
4779             ncopy/(double)(flags->nflag),
4780             nred/(double)(flags->nflag));
4781 }
4782
4783 /* Perform a count (linear) sort to sort the smaller lists to the end.
4784  * This avoids load imbalance on the GPU, as large lists will be
4785  * scheduled and executed first and the smaller lists later.
4786  * Load balancing between multi-processors only happens at the end
4787  * and there smaller lists lead to more effective load balancing.
4788  * The sorting is done on the cj4 count, not on the actual pair counts.
4789  * Not only does this make the sort faster, but it also results in
4790  * better load balancing than using a list sorted on exact load.
4791  * This function swaps the pointer in the pair list to avoid a copy operation.
4792  */
4793 static void sort_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4794 {
4795     nbnxn_list_work_t *work;
4796     int                m, i, s, s0, s1;
4797     nbnxn_sci_t       *sci_sort;
4798
4799     if (nbl->ncj4 <= nbl->nsci)
4800     {
4801         /* nsci = 0 or all sci have size 1, sorting won't change the order */
4802         return;
4803     }
4804
4805     work = nbl->work;
4806
4807     /* We will distinguish differences up to double the average */
4808     m = (2*nbl->ncj4)/nbl->nsci;
4809
4810     if (m + 1 > work->sort_nalloc)
4811     {
4812         work->sort_nalloc = over_alloc_large(m + 1);
4813         srenew(work->sort, work->sort_nalloc);
4814     }
4815
4816     if (work->sci_sort_nalloc != nbl->sci_nalloc)
4817     {
4818         work->sci_sort_nalloc = nbl->sci_nalloc;
4819         nbnxn_realloc_void((void **)&work->sci_sort,
4820                            0,
4821                            work->sci_sort_nalloc*sizeof(*work->sci_sort),
4822                            nbl->alloc, nbl->free);
4823     }
4824
4825     /* Count the entries of each size */
4826     for(i = 0; i <= m; i++)
4827     {
4828         work->sort[i] = 0;
4829     }
4830     for(s = 0; s < nbl->nsci; s++)
4831     {
4832         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
4833         work->sort[i]++;
4834     }
4835     /* Calculate the offset for each count */
4836     s0           = work->sort[m];
4837     work->sort[m] = 0;
4838     for(i = m - 1; i >= 0; i--)
4839     {
4840         s1            = work->sort[i];
4841         work->sort[i] = work->sort[i + 1] + s0;
4842         s0            = s1;
4843     }
4844
4845     /* Sort entries directly into place */
4846     sci_sort = work->sci_sort;
4847     for(s = 0; s < nbl->nsci; s++)
4848     {
4849         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
4850         sci_sort[work->sort[i]++] = nbl->sci[s];
4851     }
4852
4853     /* Swap the sci pointers so we use the new, sorted list */
4854     work->sci_sort = nbl->sci;
4855     nbl->sci       = sci_sort;
4856 }
4857
4858 /* Make a local or non-local pair-list, depending on iloc */
4859 void nbnxn_make_pairlist(const nbnxn_search_t  nbs,
4860                          nbnxn_atomdata_t     *nbat,
4861                          const t_blocka       *excl,
4862                          real                  rlist,
4863                          int                   min_ci_balanced,
4864                          nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
4865                          int                   iloc,
4866                          int                   nb_kernel_type,
4867                          t_nrnb               *nrnb)
4868 {
4869     nbnxn_grid_t *gridi, *gridj;
4870     gmx_bool bGPUCPU;
4871     int nzi, zi, zj0, zj1, zj;
4872     int nsubpair_max;
4873     int th;
4874     int nnbl;
4875     nbnxn_pairlist_t **nbl;
4876     int ci_block;
4877     gmx_bool CombineNBLists;
4878     gmx_bool progBal;
4879     int np_tot, np_noq, np_hlj, nap;
4880
4881     /* Check if we are running hybrid GPU + CPU nbnxn mode */
4882     bGPUCPU = (!nbs->grid[0].bSimple && nbl_list->bSimple);
4883
4884     nnbl            = nbl_list->nnbl;
4885     nbl             = nbl_list->nbl;
4886     CombineNBLists  = nbl_list->bCombined;
4887
4888     if (debug)
4889     {
4890         fprintf(debug, "ns making %d nblists\n", nnbl);
4891     }
4892
4893     nbat->bUseBufferFlags = (nbat->nout > 1);
4894     /* We should re-init the flags before making the first list */
4895     if (nbat->bUseBufferFlags && (LOCAL_I(iloc) || bGPUCPU))
4896     {
4897         init_buffer_flags(&nbat->buffer_flags, nbat->natoms);
4898     }
4899
4900     if (nbl_list->bSimple)
4901     {
4902         switch (nb_kernel_type)
4903         {
4904 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
4905             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
4906                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_4xn;
4907                 break;
4908 #endif
4909 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
4910             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
4911                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_2xnn;
4912                 break;
4913 #endif
4914             default:
4915                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
4916                 break;
4917         }
4918     }
4919     else
4920     {
4921 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SSE
4922         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub_sse8;
4923 #else
4924         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub;
4925 #endif
4926     }
4927
4928     if (LOCAL_I(iloc))
4929     {
4930         /* Only zone (grid) 0 vs 0 */
4931         nzi = 1;
4932         zj0 = 0;
4933         zj1 = 1;
4934     }
4935     else
4936     {
4937         nzi = nbs->zones->nizone;
4938     }
4939
4940     if (!nbl_list->bSimple && min_ci_balanced > 0)
4941     {
4942         nsubpair_max = get_nsubpair_max(nbs, iloc, rlist, min_ci_balanced);
4943     }
4944     else
4945     {
4946         nsubpair_max = 0;
4947     }
4948
4949     /* Clear all pair-lists */
4950     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4951     {
4952         clear_pairlist(nbl[th]);
4953     }
4954
4955     for (zi = 0; zi < nzi; zi++)
4956     {
4957         gridi = &nbs->grid[zi];
4958
4959         if (NONLOCAL_I(iloc))
4960         {
4961             zj0 = nbs->zones->izone[zi].j0;
4962             zj1 = nbs->zones->izone[zi].j1;
4963             if (zi == 0)
4964             {
4965                 zj0++;
4966             }
4967         }
4968         for (zj = zj0; zj < zj1; zj++)
4969         {
4970             gridj = &nbs->grid[zj];
4971
4972             if (debug)
4973             {
4974                 fprintf(debug, "ns search grid %d vs %d\n", zi, zj);
4975             }
4976
4977             nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
4978
4979             if (nbl[0]->bSimple && !gridi->bSimple)
4980             {
4981                 /* Hybrid list, determine blocking later */
4982                 ci_block = 0;
4983             }
4984             else
4985             {
4986                 ci_block = get_ci_block_size(gridi, nbs->DomDec, nnbl);
4987             }
4988
4989 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
4990             for (th = 0; th < nnbl; th++)
4991             {
4992                 /* Re-init the thread-local work flag data before making
4993                  * the first list (not an elegant conditional).
4994                  */
4995                 if (nbat->bUseBufferFlags && ((zi == 0 && zj == 0) ||
4996                                               (bGPUCPU && zi == 0 && zj == 1)))
4997                 {
4998                     init_buffer_flags(&nbs->work[th].buffer_flags, nbat->natoms);
4999                 }
5000
5001                 if (CombineNBLists && th > 0)
5002                 {
5003                     clear_pairlist(nbl[th]);
5004                 }
5005
5006                 /* With GPU: generate progressively smaller lists for
5007                  * load balancing for local only or non-local with 2 zones.
5008                  */
5009                 progBal = (LOCAL_I(iloc) || nbs->zones->n <= 2);
5010
5011                 /* Divide the i super cell equally over the nblists */
5012                 nbnxn_make_pairlist_part(nbs, gridi, gridj,
5013                                          &nbs->work[th], nbat, excl,
5014                                          rlist,
5015                                          nb_kernel_type,
5016                                          ci_block,
5017                                          nbat->bUseBufferFlags,
5018                                          nsubpair_max,
5019                                          progBal, min_ci_balanced,
5020                                          th, nnbl,
5021                                          nbl[th]);
5022             }
5023             nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5024
5025             np_tot = 0;
5026             np_noq = 0;
5027             np_hlj = 0;
5028             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5029             {
5030                 inc_nrnb(nrnb, eNR_NBNXN_DIST2, nbs->work[th].ndistc);
5031
5032                 if (nbl_list->bSimple)
5033                 {
5034                     np_tot += nbl[th]->ncj;
5035                     np_noq += nbl[th]->work->ncj_noq;
5036                     np_hlj += nbl[th]->work->ncj_hlj;
5037                 }
5038                 else
5039                 {
5040                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
5041                     np_tot += nbl[th]->nci_tot;
5042                 }
5043             }
5044             nap                   = nbl[0]->na_ci*nbl[0]->na_cj;
5045             nbl_list->natpair_ljq = (np_tot - np_noq)*nap - np_hlj*nap/2;
5046             nbl_list->natpair_lj  = np_noq*nap;
5047             nbl_list->natpair_q   = np_hlj*nap/2;
5048
5049             if (CombineNBLists && nnbl > 1)
5050             {
5051                 nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5052
5053                 combine_nblists(nnbl-1, nbl+1, nbl[0]);
5054
5055                 nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5056             }
5057         }
5058     }
5059
5060     if (!nbl_list->bSimple)
5061     {
5062         /* Sort the entries on size, large ones first */
5063         if (CombineNBLists || nnbl == 1)
5064         {
5065             sort_sci(nbl[0]);
5066         }
5067         else
5068         {
5069 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5070             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5071             {
5072                 sort_sci(nbl[th]);
5073             }
5074         }
5075     }
5076
5077     if (nbat->bUseBufferFlags)
5078     {
5079         reduce_buffer_flags(nbs, nnbl, &nbat->buffer_flags);
5080     }
5081
5082     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
5083     if (LOCAL_I(iloc))
5084     {
5085         nbs->search_count++;
5086     }
5087     if (nbs->print_cycles &&
5088         (!nbs->DomDec || (nbs->DomDec && !LOCAL_I(iloc))) &&
5089         nbs->search_count % 100 == 0)
5090     {
5091         nbs_cycle_print(stderr, nbs);
5092     }
5093
5094     if (debug && (CombineNBLists && nnbl > 1))
5095     {
5096         if (nbl[0]->bSimple)
5097         {
5098             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5099         }
5100         else
5101         {
5102             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5103         }
5104     }
5105
5106     if (debug)
5107     {
5108         if (gmx_debug_at)
5109         {
5110             if (nbl[0]->bSimple)
5111             {
5112                 print_nblist_ci_cj(debug, nbl[0]);
5113             }
5114             else
5115             {
5116                 print_nblist_sci_cj(debug, nbl[0]);
5117             }
5118         }
5119
5120         if (nbat->bUseBufferFlags)
5121         {
5122             print_reduction_cost(&nbat->buffer_flags, nnbl);
5123         }
5124     }
5125 }