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_search.h"
  46 #include "nbnxn_consts.h"
  47 #include "gmx_cyclecounter.h"
  48 #include "gmxfio.h"
  49 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  50 #include "nrnb.h"
  51
  52 #ifdef GMX_X86_SSE2
  53 #define NBNXN_SEARCH_SSE
  54
  55 #ifndef GMX_DOUBLE
  56 #define NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE
  57 #include "gmx_x86_simd_single.h"
  58 #else
  59 #include "gmx_x86_simd_double.h"
  60 #endif
  61
  62 #if defined NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE && GPU_NSUBCELL == 8
  63 #define NBNXN_8BB_SSE
  64 #endif
  65
  66 /* The width of SSE/AVX128 with single precision for bounding boxes with GPU.
  67  * Here AVX-256 turns out to be slightly slower than AVX-128.
  68  */
  69 #define STRIDE_8BB        4
  70 #define STRIDE_8BB_2LOG   2
  71
  72 #endif /* NBNXN_SEARCH_SSE */
  73
  74 /* Pair search box lower and upper corner in x,y,z.
  75  * Store this in 4 iso 3 reals, which is useful with SSE.
  76  * To avoid complicating the code we also use 4 without SSE.
  77  */
  78 #define NNBSBB_C         4
  79 #define NNBSBB_B         (2*NNBSBB_C)
  80 /* Pair search box lower and upper bound in z only. */
  81 #define NNBSBB_D         2
  82 /* Pair search box lower and upper corner x,y,z indices */
  83 #define BBL_X  0
  84 #define BBL_Y  1
  85 #define BBL_Z  2
  86 #define BBU_X  4
  87 #define BBU_Y  5
  88 #define BBU_Z  6
  89
  90 /* Strides for x/f with xyz and xyzq coordinate (and charge) storage */
  91 #define STRIDE_XYZ   3
  92 #define STRIDE_XYZQ  4
  93 /* Size of packs of x, y or z with SSE/AVX packed coords/forces */
  94 #define PACK_X4      4
  95 #define PACK_X8      8
  96 /* Strides for a pack of 4 and 8 coordinates/forces */
  97 #define STRIDE_P4    (DIM*PACK_X4)
  98 #define STRIDE_P8    (DIM*PACK_X8)
  99
 100 /* Index of atom a into the SSE/AVX coordinate/force array */
 101 #define X4_IND_A(a)  (STRIDE_P4*((a) >> 2) + ((a) & (PACK_X4 - 1)))
 102 #define X8_IND_A(a)  (STRIDE_P8*((a) >> 3) + ((a) & (PACK_X8 - 1)))
 103
 104
 105 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
 106
 107 /* The functions below are macros as they are performance sensitive */
 108
 109 /* 4x4 list, pack=4: no complex conversion required */
 110 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 111 #define CI_TO_CJ_J4(ci)   (ci)
 112 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 113 #define X_IND_CI_J4(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
 114 #define X_IND_CJ_J4(cj)  ((cj)*STRIDE_P4)
 115
 116 /* 4x2 list, pack=4: j-cluster size is half the packing width */
 117 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 118 #define CI_TO_CJ_J2(ci)  ((ci)<<1)
 119 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 120 #define X_IND_CI_J2(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
 121 #define X_IND_CJ_J2(cj)  (((cj)>>1)*STRIDE_P4 + ((cj) & 1)*(PACK_X4>>1))
 122
 123 /* 4x8 list, pack=8: i-cluster size is half the packing width */
 124 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 125 #define CI_TO_CJ_J8(ci)  ((ci)>>1)
 126 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 127 #define X_IND_CI_J8(ci)  (((ci)>>1)*STRIDE_P8 + ((ci) & 1)*(PACK_X8>>1))
 128 #define X_IND_CJ_J8(cj)  ((cj)*STRIDE_P8)
 129
 130 /* The j-cluster size is matched to the SIMD width */
 131 #ifndef GMX_DOUBLE
 132 /* 128 bits can hold 4 floats */
 133 #define CI_TO_CJ_S128(ci)  CI_TO_CJ_J4(ci)
 134 #define X_IND_CI_S128(ci)  X_IND_CI_J4(ci)
 135 #define X_IND_CJ_S128(cj)  X_IND_CJ_J4(cj)
 136 /* 256 bits can hold 8 floats */
 137 #define CI_TO_CJ_S256(ci)  CI_TO_CJ_J8(ci)
 138 #define X_IND_CI_S256(ci)  X_IND_CI_J8(ci)
 139 #define X_IND_CJ_S256(cj)  X_IND_CJ_J8(cj)
 140 #else
 141 /* 128 bits can hold 2 doubles */
 142 #define CI_TO_CJ_S128(ci)  CI_TO_CJ_J2(ci)
 143 #define X_IND_CI_S128(ci)  X_IND_CI_J2(ci)
 144 #define X_IND_CJ_S128(cj)  X_IND_CJ_J2(cj)
 145 /* 256 bits can hold 4 doubles */
 146 #define CI_TO_CJ_S256(ci)  CI_TO_CJ_J4(ci)
 147 #define X_IND_CI_S256(ci)  X_IND_CI_J4(ci)
 148 #define X_IND_CJ_S256(cj)  X_IND_CJ_J4(cj)
 149 #endif
 150
 151 #endif /* NBNXN_SEARCH_SSE */
 152
 153
 154 /* Interaction masks for 4xN atom interactions.
 155  * Bit i*CJ_SIZE + j tells if atom i and j interact.
 156  */
 157 /* All interaction mask is the same for all kernels */
 158 #define NBNXN_INT_MASK_ALL        0xffffffff
 159 /* 4x4 kernel diagonal mask */
 160 #define NBNXN_INT_MASK_DIAG       0x08ce
 161 /* 4x2 kernel diagonal masks */
 162 #define NBNXN_INT_MASK_DIAG_J2_0  0x0002
 163 #define NBNXN_INT_MASK_DIAG_J2_1  0x002F
 164 /* 4x8 kernel diagonal masks */
 165 #define NBNXN_INT_MASK_DIAG_J8_0  0xf0f8fcfe
 166 #define NBNXN_INT_MASK_DIAG_J8_1  0x0080c0e0
 167
 168
 169 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
 170 /* Store bounding boxes corners as quadruplets: xxxxyyyyzzzz */
 171 #define NBNXN_BBXXXX
 172 /* Size of bounding box corners quadruplet */
 173 #define NNBSBB_XXXX      (NNBSBB_D*DIM*STRIDE_8BB)
 174 #endif
 175
 176 /* We shift the i-particles backward for PBC.
 177  * This leads to more conditionals than shifting forward.
 178  * We do this to get more balanced pair lists.
 179  */
 180 #define NBNXN_SHIFT_BACKWARD
 181
 182
 183 /* This define is a lazy way to avoid interdependence of the grid
 184  * and searching data structures.
 185  */
 186 #define NBNXN_NA_SC_MAX (GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE)
 187
 188 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
 189 #define GMX_MM128_HERE
 190 #include "gmx_x86_simd_macros.h"
 191 typedef struct nbnxn_x_ci_x86_simd128 {
 192     /* The i-cluster coordinates for simple search */
 193     gmx_mm_pr ix_SSE0,iy_SSE0,iz_SSE0;
 194     gmx_mm_pr ix_SSE1,iy_SSE1,iz_SSE1;
 195     gmx_mm_pr ix_SSE2,iy_SSE2,iz_SSE2;
 196     gmx_mm_pr ix_SSE3,iy_SSE3,iz_SSE3;
 197 } nbnxn_x_ci_x86_simd128_t;
 198 #undef GMX_MM128_HERE
 199 #ifdef GMX_X86_AVX_256
 200 #define GMX_MM256_HERE
 201 #include "gmx_x86_simd_macros.h"
 202 typedef struct nbnxn_x_ci_x86_simd256 {
 203     /* The i-cluster coordinates for simple search */
 204     gmx_mm_pr ix_SSE0,iy_SSE0,iz_SSE0;
 205     gmx_mm_pr ix_SSE1,iy_SSE1,iz_SSE1;
 206     gmx_mm_pr ix_SSE2,iy_SSE2,iz_SSE2;
 207     gmx_mm_pr ix_SSE3,iy_SSE3,iz_SSE3;
 208 } nbnxn_x_ci_x86_simd256_t;
 209 #undef GMX_MM256_HERE
 210 #endif
 211 #endif
 212
 213 /* Working data for the actual i-supercell during pair search */
 214 typedef struct nbnxn_list_work {
 215     gmx_cache_protect_t cp0; /* Protect cache between threads               */
 216
 217     float *bb_ci;      /* The bounding boxes, pbc shifted, for each cluster */
 218     real  *x_ci;       /* The coordinates, pbc shifted, for each atom       */
 219 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
 220     nbnxn_x_ci_x86_simd128_t *x_ci_x86_simd128;
 221 #ifdef GMX_X86_AVX_256
 222     nbnxn_x_ci_x86_simd256_t *x_ci_x86_simd256;
 223 #endif
 224 #endif
 225     int  cj_ind;       /* The current cj_ind index for the current list     */
 226     int  cj4_init;     /* The first unitialized cj4 block                   */
 227
 228     float *d2;         /* Bounding box distance work array                  */
 229
 230     nbnxn_cj_t *cj;    /* The j-cell list                                   */
 231     int  cj_nalloc;    /* Allocation size of cj                             */
 232
 233     int ncj_noq;       /* Nr. of cluster pairs without Coul for flop count  */
 234     int ncj_hlj;       /* Nr. of cluster pairs with 1/2 LJ for flop count   */
 235
 236     gmx_cache_protect_t cp1; /* Protect cache between threads               */
 237 } nbnxn_list_work_t;
 238
 239 /* Function type for setting the i-atom coordinate working data */
 240 typedef void
 241 gmx_icell_set_x_t(int ci,
 242                   real shx,real shy,real shz,
 243                   int na_c,
 244                   int stride,const real *x,
 245                   nbnxn_list_work_t *work);
 246
 247 static gmx_icell_set_x_t icell_set_x_simple;
 248 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
 249 static gmx_icell_set_x_t icell_set_x_simple_x86_simd128;
 250 #ifdef GMX_X86_AVX_256
 251 static gmx_icell_set_x_t icell_set_x_simple_x86_simd256;
 252 #endif
 253 #endif
 254 static gmx_icell_set_x_t icell_set_x_supersub;
 255 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
 256 static gmx_icell_set_x_t icell_set_x_supersub_sse8;
 257 #endif
 258
 259 /* Local cycle count struct for profiling */
 260 typedef struct {
 261     int          count;
 262     gmx_cycles_t c;
 263     gmx_cycles_t start;
 264 } nbnxn_cycle_t;
 265
 266 /* Local cycle count enum for profiling */
 267 enum { enbsCCgrid, enbsCCsearch, enbsCCcombine, enbsCCreducef, enbsCCnr };
 268
 269 /* A pair-search grid struct for one domain decomposition zone */
 270 typedef struct {
 271     rvec c0;             /* The lower corner of the (local) grid        */
 272     rvec c1;             /* The upper corner of the (local) grid        */
 273     real atom_density;   /* The atom number density for the local grid  */
 274
 275     gmx_bool bSimple;    /* Is this grid simple or super/sub            */
 276     int  na_c;           /* Number of atoms per cluster                 */
 277     int  na_cj;          /* Number of atoms for list j-clusters         */
 278     int  na_sc;          /* Number of atoms per super-cluster           */
 279     int  na_c_2log;      /* 2log of na_c                                */
 280
 281     int  ncx;            /* Number of (super-)cells along x             */
 282     int  ncy;            /* Number of (super-)cells along y             */
 283     int  nc;             /* Total number of (super-)cells               */
 284
 285     real sx;             /* x-size of a (super-)cell                    */
 286     real sy;             /* y-size of a (super-)cell                    */
 287     real inv_sx;         /* 1/sx                                        */
 288     real inv_sy;         /* 1/sy                                        */
 289
 290     int  cell0;          /* Index in nbs->cell corresponding to cell 0  */
 291
 292     int  *cxy_na;        /* The number of atoms for each column in x,y  */
 293     int  *cxy_ind;       /* Grid (super)cell index, offset from cell0   */
 294     int  cxy_nalloc;     /* Allocation size for cxy_na and cxy_ind      */
 295
 296     int   *nsubc;        /* The number of sub cells for each super cell */
 297     float *bbcz;         /* Bounding boxes in z for the super cells     */
 298     float *bb;           /* 3D bounding boxes for the sub cells         */
 299     float *bbj;          /* 3D j-b.boxes for SSE-double or AVX-single   */
 300     int   *flags;        /* Flag for the super cells                    */
 301     int   nc_nalloc;     /* Allocation size for the pointers above      */
 302
 303     float *bbcz_simple;  /* bbcz for simple grid converted from super   */
 304     float *bb_simple;    /* bb for simple grid converted from super     */
 305     int   *flags_simple; /* flags for simple grid converted from super  */
 306     int   nc_nalloc_simple; /* Allocation size for the pointers above   */
 307
 308     int  nsubc_tot;      /* Total number of subcell, used for printing  */
 309 } nbnxn_grid_t;
 310
 311 /* Thread-local work struct, contains part of nbnxn_grid_t */
 312 typedef struct {
 313     gmx_cache_protect_t cp0;
 314
 315     int *cxy_na;
 316     int cxy_na_nalloc;
 317
 318     int  *sort_work;
 319     int  sort_work_nalloc;
 320
 321     int  ndistc;         /* Number of distance checks for flop counting */
 322
 323     nbnxn_cycle_t cc[enbsCCnr];
 324
 325     gmx_cache_protect_t cp1;
 326 } nbnxn_search_work_t;
 327
 328 /* Main pair-search struct, contains the grid(s), not the pair-list(s) */
 329 typedef struct nbnxn_search {
 330     int  ePBC;            /* PBC type enum                              */
 331     matrix box;           /* The periodic unit-cell                     */
 332
 333     gmx_bool DomDec;      /* Are we doing domain decomposition?         */
 334     ivec dd_dim;          /* Are we doing DD in x,y,z?                  */
 335     gmx_domdec_zones_t *zones; /* The domain decomposition zones        */
 336
 337     int  ngrid;           /* The number of grids, equal to #DD-zones    */
 338     nbnxn_grid_t *grid;   /* Array of grids, size ngrid                 */
 339     int  *cell;           /* Actual allocated cell array for all grids  */
 340     int  cell_nalloc;     /* Allocation size of cell                    */
 341     int  *a;              /* Atom index for grid, the inverse of cell   */
 342     int  a_nalloc;        /* Allocation size of a                       */
 343
 344     int  natoms_local;    /* The local atoms run from 0 to natoms_local */
 345     int  natoms_nonlocal; /* The non-local atoms run from natoms_local
 346                            * to natoms_nonlocal */
 347
 348     gmx_bool print_cycles;
 349     int      search_count;
 350     nbnxn_cycle_t cc[enbsCCnr];
 351
 352     gmx_icell_set_x_t *icell_set_x; /* Function for setting i-coords    */
 353
 354     int  nthread_max;     /* Maximum number of threads for pair-search  */
 355     nbnxn_search_work_t *work; /* Work array, size nthread_max          */
 356 } nbnxn_search_t_t;
 357
 358
 359 static void nbs_cycle_clear(nbnxn_cycle_t *cc)
 360 {
 361     int i;
 362
 363     for(i=0; i<enbsCCnr; i++)
 364     {
 365         cc[i].count = 0;
 366         cc[i].c     = 0;
 367     }
 368 }
 369
 370 static void nbs_cycle_start(nbnxn_cycle_t *cc)
 371 {
 372     cc->start = gmx_cycles_read();
 373 }
 374
 375 static void nbs_cycle_stop(nbnxn_cycle_t *cc)
 376 {
 377     cc->c += gmx_cycles_read() - cc->start;
 378     cc->count++;
 379 }
 380
 381 static double Mcyc_av(const nbnxn_cycle_t *cc)
 382 {
 383     return (double)cc->c*1e-6/cc->count;
 384 }
 385
 386 static void nbs_cycle_print(FILE *fp,const nbnxn_search_t nbs)
 387 {
 388     int n;
 389     int t;
 390
 391     fprintf(fp,"\n");
 392     fprintf(fp,"ns %4d grid %4.1f search %4.1f red.f %5.3f",
 393             nbs->cc[enbsCCgrid].count,
 394             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCgrid]),
 395             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCsearch]),
 396             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCreducef]));
 397
 398     if (nbs->nthread_max > 1)
 399     {
 400         if (nbs->cc[enbsCCcombine].count > 0)
 401         {
 402             fprintf(fp," comb %5.2f",
 403                     Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCcombine]));
 404         }
 405         fprintf(fp," s. th");
 406         for(t=0; t<nbs->nthread_max; t++)
 407         {
 408             fprintf(fp," %4.1f",
 409                     Mcyc_av(&nbs->work[t].cc[enbsCCsearch]));
 410         }
 411     }
 412     fprintf(fp,"\n");
 413 }
 414
 415 static void nbnxn_grid_init(nbnxn_grid_t * grid)
 416 {
 417     grid->cxy_na      = NULL;
 418     grid->cxy_ind     = NULL;
 419     grid->cxy_nalloc  = 0;
 420     grid->bb          = NULL;
 421     grid->bbj         = NULL;
 422     grid->nc_nalloc   = 0;
 423 }
 424
 425 static int get_2log(int n)
 426 {
 427     int log2;
 428
 429     log2 = 0;
 430     while ((1<<log2) < n)
 431     {
 432         log2++;
 433     }
 434     if ((1<<log2) != n)
 435     {
 436         gmx_fatal(FARGS,"nbnxn na_c (%d) is not a power of 2",n);
 437     }
 438
 439     return log2;
 440 }
 441
 442 static int kernel_to_ci_size(int nb_kernel_type)
 443 {
 444     switch (nb_kernel_type)
 445     {
 446     case nbk4x4_PlainC:
 447     case nbk4xN_X86_SIMD128:
 448     case nbk4xN_X86_SIMD256:
 449         return NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 450     case nbk8x8x8_CUDA:
 451     case nbk8x8x8_PlainC:
 452         /* The cluster size for super/sub lists is only set here.
 453          * Any value should work for the pair-search and atomdata code.
 454          * The kernels, of course, might require a particular value.
 455          */
 456         return NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE;
 457     default:
 458         gmx_incons("unknown kernel type");
 459     }
 460
 461     return 0;
 462 }
 463
 464 static int kernel_to_cj_size(int nb_kernel_type)
 465 {
 466     switch (nb_kernel_type)
 467     {
 468     case nbk4x4_PlainC:
 469         return NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 470     case nbk4xN_X86_SIMD128:
 471         /* Number of reals that fit in SIMD (128 bits = 16 bytes) */
 472         return 16/sizeof(real);
 473     case nbk4xN_X86_SIMD256:
 474         /* Number of reals that fit in SIMD (256 bits = 32 bytes) */
 475         return 32/sizeof(real);
 476     case nbk8x8x8_CUDA:
 477     case nbk8x8x8_PlainC:
 478         return kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
 479     default:
 480         gmx_incons("unknown kernel type");
 481     }
 482
 483     return 0;
 484 }
 485
 486 static int ci_to_cj(int na_cj_2log,int ci)
 487 {
 488     switch (na_cj_2log)
 489     {
 490     case 2: return  ci;     break;
 491     case 1: return (ci<<1); break;
 492     case 3: return (ci>>1); break;
 493     }
 494
 495     return 0;
 496 }
 497
 498 gmx_bool nbnxn_kernel_pairlist_simple(int nb_kernel_type)
 499 {
 500     if (nb_kernel_type == nbkNotSet)
 501     {
 502         gmx_fatal(FARGS, "Non-bonded kernel type not set for Verlet-style pair-list.");
 503     }
 504
 505     switch (nb_kernel_type)
 506     {
 507     case nbk8x8x8_CUDA:
 508     case nbk8x8x8_PlainC:
 509         return FALSE;
 510
 511     case nbk4x4_PlainC:
 512     case nbk4xN_X86_SIMD128:
 513     case nbk4xN_X86_SIMD256:
 514         return TRUE;
 515
 516     default:
 517         gmx_incons("Invalid nonbonded kernel type passed!");
 518         return FALSE;
 519     }
 520 }
 521
 522 void nbnxn_init_search(nbnxn_search_t * nbs_ptr,
 523                        ivec *n_dd_cells,
 524                        gmx_domdec_zones_t *zones,
 525                        int nthread_max)
 526 {
 527     nbnxn_search_t nbs;
 528     int d,g,t;
 529
 530     snew(nbs,1);
 531     *nbs_ptr = nbs;
 532
 533     nbs->DomDec = (n_dd_cells != NULL);
 534
 535     clear_ivec(nbs->dd_dim);
 536     nbs->ngrid = 1;
 537     if (nbs->DomDec)
 538     {
 539         nbs->zones = zones;
 540
 541         for(d=0; d<DIM; d++)
 542         {
 543             if ((*n_dd_cells)[d] > 1)
 544             {
 545                 nbs->dd_dim[d] = 1;
 546                 /* Each grid matches a DD zone */
 547                 nbs->ngrid *= 2;
 548             }
 549         }
 550     }
 551
 552     snew(nbs->grid,nbs->ngrid);
 553     for(g=0; g<nbs->ngrid; g++)
 554     {
 555         nbnxn_grid_init(&nbs->grid[g]);
 556     }
 557     nbs->cell        = NULL;
 558     nbs->cell_nalloc = 0;
 559     nbs->a           = NULL;
 560     nbs->a_nalloc    = 0;
 561
 562     nbs->nthread_max = nthread_max;
 563
 564     /* Initialize the work data structures for each thread */
 565     snew(nbs->work,nbs->nthread_max);
 566     for(t=0; t<nbs->nthread_max; t++)
 567     {
 568         nbs->work[t].cxy_na           = NULL;
 569         nbs->work[t].cxy_na_nalloc    = 0;
 570         nbs->work[t].sort_work        = NULL;
 571         nbs->work[t].sort_work_nalloc = 0;
 572     }
 573
 574     /* Initialize detailed nbsearch cycle counting */
 575     nbs->print_cycles = (getenv("GMX_NBNXN_CYCLE") != 0);
 576     nbs->search_count = 0;
 577     nbs_cycle_clear(nbs->cc);
 578     for(t=0; t<nbs->nthread_max; t++)
 579     {
 580         nbs_cycle_clear(nbs->work[t].cc);
 581     }
 582 }
 583
 584 static real grid_atom_density(int n,rvec corner0,rvec corner1)
 585 {
 586     rvec size;
 587
 588     rvec_sub(corner1,corner0,size);
 589
 590     return n/(size[XX]*size[YY]*size[ZZ]);
 591 }
 592
 593 static int set_grid_size_xy(const nbnxn_search_t nbs,
 594                             nbnxn_grid_t *grid,
 595                             int n,rvec corner0,rvec corner1,
 596                             real atom_density,
 597                             int XFormat)
 598 {
 599     rvec size;
 600     int  na_c;
 601     real adens,tlen,tlen_x,tlen_y,nc_max;
 602     int  t;
 603
 604     rvec_sub(corner1,corner0,size);
 605
 606     if (n > grid->na_sc)
 607     {
 608         /* target cell length */
 609         if (grid->bSimple)
 610         {
 611             /* To minimize the zero interactions, we should make
 612              * the largest of the i/j cell cubic.
 613              */
 614             na_c = max(grid->na_c,grid->na_cj);
 615
 616             /* Approximately cubic cells */
 617             tlen   = pow(na_c/atom_density,1.0/3.0);
 618             tlen_x = tlen;
 619             tlen_y = tlen;
 620         }
 621         else
 622         {
 623             /* Approximately cubic sub cells */
 624             tlen   = pow(grid->na_c/atom_density,1.0/3.0);
 625             tlen_x = tlen*GPU_NSUBCELL_X;
 626             tlen_y = tlen*GPU_NSUBCELL_Y;
 627         }
 628         /* We round ncx and ncy down, because we get less cell pairs
 629          * in the nbsist when the fixed cell dimensions (x,y) are
 630          * larger than the variable one (z) than the other way around.
 631          */
 632         grid->ncx = max(1,(int)(size[XX]/tlen_x));
 633         grid->ncy = max(1,(int)(size[YY]/tlen_y));
 634     }
 635     else
 636     {
 637         grid->ncx = 1;
 638         grid->ncy = 1;
 639     }
 640
 641     /* We need one additional cell entry for particles moved by DD */
 642     if (grid->ncx*grid->ncy+1 > grid->cxy_nalloc)
 643     {
 644         grid->cxy_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 645         srenew(grid->cxy_na,grid->cxy_nalloc);
 646         srenew(grid->cxy_ind,grid->cxy_nalloc+1);
 647     }
 648     for(t=0; t<nbs->nthread_max; t++)
 649     {
 650         if (grid->ncx*grid->ncy+1 > nbs->work[t].cxy_na_nalloc)
 651         {
 652             nbs->work[t].cxy_na_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 653             srenew(nbs->work[t].cxy_na,nbs->work[t].cxy_na_nalloc);
 654         }
 655     }
 656
 657     /* Worst case scenario of 1 atom in each last cell */
 658     if (grid->na_cj <= grid->na_c)
 659     {
 660         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy;
 661     }
 662     else
 663     {
 664         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy*grid->na_cj/grid->na_c;
 665     }
 666
 667     if (nc_max > grid->nc_nalloc)
 668     {
 669         int bb_nalloc;
 670
 671         grid->nc_nalloc = over_alloc_large(nc_max);
 672         srenew(grid->nsubc,grid->nc_nalloc);
 673         srenew(grid->bbcz,grid->nc_nalloc*NNBSBB_D);
 674 #ifdef NBNXN_8BB_SSE
 675         bb_nalloc = grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL/STRIDE_8BB*NNBSBB_XXXX;
 676 #else
 677         bb_nalloc = grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL*NNBSBB_B;
 678 #endif
 679         sfree_aligned(grid->bb);
 680         /* This snew also zeros the contents, this avoid possible
 681          * floating exceptions in SSE with the unused bb elements.
 682          */
 683         snew_aligned(grid->bb,bb_nalloc,16);
 684
 685         if (grid->bSimple)
 686         {
 687             if (grid->na_cj == grid->na_c)
 688             {
 689                 grid->bbj = grid->bb;
 690             }
 691             else
 692             {
 693                 sfree_aligned(grid->bbj);
 694                 snew_aligned(grid->bbj,bb_nalloc*grid->na_c/grid->na_cj,16);
 695             }
 696         }
 697
 698         srenew(grid->flags,grid->nc_nalloc);
 699     }
 700
 701     copy_rvec(corner0,grid->c0);
 702     copy_rvec(corner1,grid->c1);
 703     grid->sx = size[XX]/grid->ncx;
 704     grid->sy = size[YY]/grid->ncy;
 705     grid->inv_sx = 1/grid->sx;
 706     grid->inv_sy = 1/grid->sy;
 707
 708     return nc_max;
 709 }
 710
 711 #define SORT_GRID_OVERSIZE 2
 712 #define SGSF (SORT_GRID_OVERSIZE + 1)
 713
 714 static void sort_atoms(int dim,gmx_bool Backwards,
 715                        int *a,int n,rvec *x,
 716                        real h0,real invh,int nsort,int *sort)
 717 {
 718     int i,c;
 719     int zi,zim;
 720     int cp,tmp;
 721
 722     if (n <= 1)
 723     {
 724         /* Nothing to do */
 725         return;
 726     }
 727
 728     /* For small oversize factors clearing the whole area is fastest.
 729      * For large oversize we should clear the used elements after use.
 730      */
 731     for(i=0; i<nsort; i++)
 732     {
 733         sort[i] = -1;
 734     }
 735     /* Sort the particles using a simple index sort */
 736     for(i=0; i<n; i++)
 737     {
 738         /* The cast takes care of float-point rounding effects below zero.
 739          * This code assumes particles are less than 1/SORT_GRID_OVERSIZE
 740          * times the box height out of the box.
 741          */
 742         zi = (int)((x[a[i]][dim] - h0)*invh);
 743
 744 #ifdef DEBUG_NBNXN_GRIDDING
 745         if (zi < 0 || zi >= nsort)
 746         {
 747             gmx_fatal(FARGS,"(int)((x[%d][%c]=%f - %f)*%f) = %d, not in 0 - %d\n",
 748                       a[i],'x'+dim,x[a[i]][dim],h0,invh,zi,nsort);
 749         }
 750 #endif
 751
 752         /* Ideally this particle should go in sort cell zi,
 753          * but that might already be in use,
 754          * in that case find the first empty cell higher up
 755          */
 756         if (sort[zi] < 0)
 757         {
 758             sort[zi] = a[i];
 759         }
 760         else
 761         {
 762             /* We have multiple atoms in the same sorting slot.
 763              * Sort on real z for minimal bounding box size.
 764              * There is an extra check for identical z to ensure
 765              * well-defined output order, independent of input order
 766              * to ensure binary reproducibility after restarts.
 767              */
 768             while(sort[zi] >= 0 && ( x[a[i]][dim] >  x[sort[zi]][dim] ||
 769                                     (x[a[i]][dim] == x[sort[zi]][dim] &&
 770                                      a[i] > sort[zi])))
 771             {
 772                 zi++;
 773             }
 774
 775             if (sort[zi] >= 0)
 776             {
 777                 /* Shift all elements by one slot until we find an empty slot */
 778                 cp = sort[zi];
 779                 zim = zi + 1;
 780                 while (sort[zim] >= 0)
 781                 {
 782                     tmp = sort[zim];
 783                     sort[zim] = cp;
 784                     cp  = tmp;
 785                     zim++;
 786                 }
 787                 sort[zim] = cp;
 788             }
 789             sort[zi] = a[i];
 790         }
 791     }
 792
 793     c = 0;
 794     if (!Backwards)
 795     {
 796         for(zi=0; zi<nsort; zi++)
 797         {
 798             if (sort[zi] >= 0)
 799             {
 800                 a[c++] = sort[zi];
 801             }
 802         }
 803     }
 804     else
 805     {
 806         for(zi=nsort-1; zi>=0; zi--)
 807         {
 808             if (sort[zi] >= 0)
 809             {
 810                 a[c++] = sort[zi];
 811             }
 812         }
 813     }
 814     if (c < n)
 815     {
 816         gmx_incons("Lost particles while sorting");
 817     }
 818 }
 819
 820 #ifdef GMX_DOUBLE
 821 #define R2F_D(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 822 #define R2F_U(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 823 #else
 824 #define R2F_D(x) (x)
 825 #define R2F_U(x) (x)
 826 #endif
 827
 828 /* Coordinate order x,y,z, bb order xyz0 */
 829 static void calc_bounding_box(int na,int stride,const real *x,float *bb)
 830 {
 831     int  i,j;
 832     real xl,xh,yl,yh,zl,zh;
 833
 834     i = 0;
 835     xl = x[i+XX];
 836     xh = x[i+XX];
 837     yl = x[i+YY];
 838     yh = x[i+YY];
 839     zl = x[i+ZZ];
 840     zh = x[i+ZZ];
 841     i += stride;
 842     for(j=1; j<na; j++)
 843     {
 844         xl = min(xl,x[i+XX]);
 845         xh = max(xh,x[i+XX]);
 846         yl = min(yl,x[i+YY]);
 847         yh = max(yh,x[i+YY]);
 848         zl = min(zl,x[i+ZZ]);
 849         zh = max(zh,x[i+ZZ]);
 850         i += stride;
 851     }
 852     /* Note: possible double to float conversion here */
 853     bb[BBL_X] = R2F_D(xl);
 854     bb[BBL_Y] = R2F_D(yl);
 855     bb[BBL_Z] = R2F_D(zl);
 856     bb[BBU_X] = R2F_U(xh);
 857     bb[BBU_Y] = R2F_U(yh);
 858     bb[BBU_Z] = R2F_U(zh);
 859 }
 860
 861 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 862 static void calc_bounding_box_x_x4(int na,const real *x,float *bb)
 863 {
 864     int  j;
 865     real xl,xh,yl,yh,zl,zh;
 866
 867     xl = x[XX*PACK_X4];
 868     xh = x[XX*PACK_X4];
 869     yl = x[YY*PACK_X4];
 870     yh = x[YY*PACK_X4];
 871     zl = x[ZZ*PACK_X4];
 872     zh = x[ZZ*PACK_X4];
 873     for(j=1; j<na; j++)
 874     {
 875         xl = min(xl,x[j+XX*PACK_X4]);
 876         xh = max(xh,x[j+XX*PACK_X4]);
 877         yl = min(yl,x[j+YY*PACK_X4]);
 878         yh = max(yh,x[j+YY*PACK_X4]);
 879         zl = min(zl,x[j+ZZ*PACK_X4]);
 880         zh = max(zh,x[j+ZZ*PACK_X4]);
 881     }
 882     /* Note: possible double to float conversion here */
 883     bb[BBL_X] = R2F_D(xl);
 884     bb[BBL_Y] = R2F_D(yl);
 885     bb[BBL_Z] = R2F_D(zl);
 886     bb[BBU_X] = R2F_U(xh);
 887     bb[BBU_Y] = R2F_U(yh);
 888     bb[BBU_Z] = R2F_U(zh);
 889 }
 890
 891 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 892 static void calc_bounding_box_x_x8(int na,const real *x,float *bb)
 893 {
 894     int  j;
 895     real xl,xh,yl,yh,zl,zh;
 896
 897     xl = x[XX*PACK_X8];
 898     xh = x[XX*PACK_X8];
 899     yl = x[YY*PACK_X8];
 900     yh = x[YY*PACK_X8];
 901     zl = x[ZZ*PACK_X8];
 902     zh = x[ZZ*PACK_X8];
 903     for(j=1; j<na; j++)
 904     {
 905         xl = min(xl,x[j+XX*PACK_X8]);
 906         xh = max(xh,x[j+XX*PACK_X8]);
 907         yl = min(yl,x[j+YY*PACK_X8]);
 908         yh = max(yh,x[j+YY*PACK_X8]);
 909         zl = min(zl,x[j+ZZ*PACK_X8]);
 910         zh = max(zh,x[j+ZZ*PACK_X8]);
 911     }
 912     /* Note: possible double to float conversion here */
 913     bb[BBL_X] = R2F_D(xl);
 914     bb[BBL_Y] = R2F_D(yl);
 915     bb[BBL_Z] = R2F_D(zl);
 916     bb[BBU_X] = R2F_U(xh);
 917     bb[BBU_Y] = R2F_U(yh);
 918     bb[BBU_Z] = R2F_U(zh);
 919 }
 920
 921 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
 922
 923 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 924 static void calc_bounding_box_x_x4_halves(int na,const real *x,
 925                                           float *bb,float *bbj)
 926 {
 927     calc_bounding_box_x_x4(min(na,2),x,bbj);
 928
 929     if (na > 2)
 930     {
 931         calc_bounding_box_x_x4(min(na-2,2),x+(PACK_X4>>1),bbj+NNBSBB_B);
 932     }
 933     else
 934     {
 935         /* Set the "empty" bounding box to the same as the first one,
 936          * so we don't need to treat special cases in the rest of the code.
 937          */
 938         _mm_store_ps(bbj+NNBSBB_B         ,_mm_load_ps(bbj));
 939         _mm_store_ps(bbj+NNBSBB_B+NNBSBB_C,_mm_load_ps(bbj+NNBSBB_C));
 940     }
 941
 942     _mm_store_ps(bb         ,_mm_min_ps(_mm_load_ps(bbj),
 943                                         _mm_load_ps(bbj+NNBSBB_B)));
 944     _mm_store_ps(bb+NNBSBB_C,_mm_max_ps(_mm_load_ps(bbj+NNBSBB_C),
 945                                         _mm_load_ps(bbj+NNBSBB_B+NNBSBB_C)));
 946 }
 947
 948 /* Coordinate order xyz, bb order xxxxyyyyzzzz */
 949 static void calc_bounding_box_xxxx(int na,int stride,const real *x,float *bb)
 950 {
 951     int  i,j;
 952     real xl,xh,yl,yh,zl,zh;
 953
 954     i = 0;
 955     xl = x[i+XX];
 956     xh = x[i+XX];
 957     yl = x[i+YY];
 958     yh = x[i+YY];
 959     zl = x[i+ZZ];
 960     zh = x[i+ZZ];
 961     i += stride;
 962     for(j=1; j<na; j++)
 963     {
 964         xl = min(xl,x[i+XX]);
 965         xh = max(xh,x[i+XX]);
 966         yl = min(yl,x[i+YY]);
 967         yh = max(yh,x[i+YY]);
 968         zl = min(zl,x[i+ZZ]);
 969         zh = max(zh,x[i+ZZ]);
 970         i += stride;
 971     }
 972     /* Note: possible double to float conversion here */
 973     bb[0*STRIDE_8BB] = R2F_D(xl);
 974     bb[1*STRIDE_8BB] = R2F_D(yl);
 975     bb[2*STRIDE_8BB] = R2F_D(zl);
 976     bb[3*STRIDE_8BB] = R2F_U(xh);
 977     bb[4*STRIDE_8BB] = R2F_U(yh);
 978     bb[5*STRIDE_8BB] = R2F_U(zh);
 979 }
 980
 981 #endif /* NBNXN_SEARCH_SSE */
 982
 983 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE
 984
 985 /* Coordinate order xyz?, bb order xyz0 */
 986 static void calc_bounding_box_sse(int na,const float *x,float *bb)
 987 {
 988     __m128 bb_0_SSE,bb_1_SSE;
 989     __m128 x_SSE;
 990
 991     int  i;
 992
 993     bb_0_SSE = _mm_load_ps(x);
 994     bb_1_SSE = bb_0_SSE;
 995
 996     for(i=1; i<na; i++)
 997     {
 998         x_SSE    = _mm_load_ps(x+i*NNBSBB_C);
 999         bb_0_SSE = _mm_min_ps(bb_0_SSE,x_SSE);
1000         bb_1_SSE = _mm_max_ps(bb_1_SSE,x_SSE);
1001     }
1002
1003     _mm_store_ps(bb  ,bb_0_SSE);
1004     _mm_store_ps(bb+4,bb_1_SSE);
1005 }
1006
1007 /* Coordinate order xyz?, bb order xxxxyyyyzzzz */
1008 static void calc_bounding_box_xxxx_sse(int na,const float *x,
1009                                        float *bb_work,
1010                                        real *bb)
1011 {
1012     calc_bounding_box_sse(na,x,bb_work);
1013
1014     bb[0*STRIDE_8BB] = bb_work[BBL_X];
1015     bb[1*STRIDE_8BB] = bb_work[BBL_Y];
1016     bb[2*STRIDE_8BB] = bb_work[BBL_Z];
1017     bb[3*STRIDE_8BB] = bb_work[BBU_X];
1018     bb[4*STRIDE_8BB] = bb_work[BBU_Y];
1019     bb[5*STRIDE_8BB] = bb_work[BBU_Z];
1020 }
1021
1022 #endif /* NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE */
1023
1024 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
1025
1026 /* Combines pairs of consecutive bounding boxes */
1027 static void combine_bounding_box_pairs(nbnxn_grid_t *grid,const float *bb)
1028 {
1029     int    i,j,sc2,nc2,c2;
1030     __m128 min_SSE,max_SSE;
1031
1032     for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy; i++)
1033     {
1034         /* Starting bb in a column is expected to be 2-aligned */
1035         sc2 = grid->cxy_ind[i]>>1;
1036         /* For odd numbers skip the last bb here */
1037         nc2 = (grid->cxy_na[i]+3)>>(2+1);
1038         for(c2=sc2; c2<sc2+nc2; c2++)
1039         {
1040             min_SSE = _mm_min_ps(_mm_load_ps(bb+(c2*4+0)*NNBSBB_C),
1041                                  _mm_load_ps(bb+(c2*4+2)*NNBSBB_C));
1042             max_SSE = _mm_max_ps(_mm_load_ps(bb+(c2*4+1)*NNBSBB_C),
1043                                  _mm_load_ps(bb+(c2*4+3)*NNBSBB_C));
1044             _mm_store_ps(grid->bbj+(c2*2+0)*NNBSBB_C,min_SSE);
1045             _mm_store_ps(grid->bbj+(c2*2+1)*NNBSBB_C,max_SSE);
1046         }
1047         if (((grid->cxy_na[i]+3)>>2) & 1)
1048         {
1049             /* Copy the last bb for odd bb count in this column */
1050             for(j=0; j<NNBSBB_C; j++)
1051             {
1052                 grid->bbj[(c2*2+0)*NNBSBB_C+j] = bb[(c2*4+0)*NNBSBB_C+j];
1053                 grid->bbj[(c2*2+1)*NNBSBB_C+j] = bb[(c2*4+1)*NNBSBB_C+j];
1054             }
1055         }
1056     }
1057 }
1058
1059 #endif
1060
1061
1062 /* Prints the average bb size, used for debug output */
1063 static void print_bbsizes_simple(FILE *fp,
1064                                  const nbnxn_search_t nbs,
1065                                  const nbnxn_grid_t *grid)
1066 {
1067     int  c,d;
1068     dvec ba;
1069
1070     clear_dvec(ba);
1071     for(c=0; c<grid->nc; c++)
1072     {
1073         for(d=0; d<DIM; d++)
1074         {
1075             ba[d] += grid->bb[c*NNBSBB_B+NNBSBB_C+d] - grid->bb[c*NNBSBB_B+d];
1076         }
1077     }
1078     dsvmul(1.0/grid->nc,ba,ba);
1079
1080     fprintf(fp,"ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1081             nbs->box[XX][XX]/grid->ncx,
1082             nbs->box[YY][YY]/grid->ncy,
1083             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/grid->nc,
1084             ba[XX],ba[YY],ba[ZZ],
1085             ba[XX]*grid->ncx/nbs->box[XX][XX],
1086             ba[YY]*grid->ncy/nbs->box[YY][YY],
1087             ba[ZZ]*grid->nc/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
1088 }
1089
1090 /* Prints the average bb size, used for debug output */
1091 static void print_bbsizes_supersub(FILE *fp,
1092                                    const nbnxn_search_t nbs,
1093                                    const nbnxn_grid_t *grid)
1094 {
1095     int  ns,c,s;
1096     dvec ba;
1097
1098     clear_dvec(ba);
1099     ns = 0;
1100     for(c=0; c<grid->nc; c++)
1101     {
1102 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1103         for(s=0; s<grid->nsubc[c]; s+=STRIDE_8BB)
1104         {
1105             int cs_w,i,d;
1106
1107             cs_w = (c*GPU_NSUBCELL + s)/STRIDE_8BB;
1108             for(i=0; i<STRIDE_8BB; i++)
1109             {
1110                 for(d=0; d<DIM; d++)
1111                 {
1112                     ba[d] +=
1113                         grid->bb[cs_w*NNBSBB_XXXX+(DIM+d)*STRIDE_8BB+i] -
1114                         grid->bb[cs_w*NNBSBB_XXXX+     d *STRIDE_8BB+i];
1115                 }
1116             }
1117         }
1118 #else
1119         for(s=0; s<grid->nsubc[c]; s++)
1120         {
1121             int cs,d;
1122
1123             cs = c*GPU_NSUBCELL + s;
1124             for(d=0; d<DIM; d++)
1125             {
1126                 ba[d] +=
1127                     grid->bb[cs*NNBSBB_B+NNBSBB_C+d] -
1128                     grid->bb[cs*NNBSBB_B         +d];
1129             }
1130         }
1131 #endif
1132         ns += grid->nsubc[c];
1133     }
1134     dsvmul(1.0/ns,ba,ba);
1135
1136     fprintf(fp,"ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1137             nbs->box[XX][XX]/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X),
1138             nbs->box[YY][YY]/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y),
1139             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z),
1140             ba[XX],ba[YY],ba[ZZ],
1141             ba[XX]*grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X/nbs->box[XX][XX],
1142             ba[YY]*grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y/nbs->box[YY][YY],
1143             ba[ZZ]*grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
1144 }
1145
1146 static void copy_int_to_nbat_int(const int *a,int na,int na_round,
1147                                  const int *in,int fill,int *innb)
1148 {
1149     int i,j;
1150
1151     j = 0;
1152     for(i=0; i<na; i++)
1153     {
1154         innb[j++] = in[a[i]];
1155     }
1156     /* Complete the partially filled last cell with fill */
1157     for(; i<na_round; i++)
1158     {
1159         innb[j++] = fill;
1160     }
1161 }
1162
1163 static void clear_nbat_real(int na,int nbatFormat,real *xnb,int a0)
1164 {
1165     int a,d,j,c;
1166
1167     switch (nbatFormat)
1168     {
1169     case nbatXYZ:
1170         for(a=0; a<na; a++)
1171         {
1172             for(d=0; d<DIM; d++)
1173             {
1174                 xnb[(a0+a)*STRIDE_XYZ+d] = 0;
1175             }
1176         }
1177         break;
1178     case nbatXYZQ:
1179         for(a=0; a<na; a++)
1180         {
1181             for(d=0; d<DIM; d++)
1182             {
1183                 xnb[(a0+a)*STRIDE_XYZQ+d] = 0;
1184             }
1185         }
1186         break;
1187     case nbatX4:
1188         j = X4_IND_A(a0);
1189         c = a0 & (PACK_X4-1);
1190         for(a=0; a<na; a++)
1191         {
1192             xnb[j+XX*PACK_X4] = 0;
1193             xnb[j+YY*PACK_X4] = 0;
1194             xnb[j+ZZ*PACK_X4] = 0;
1195             j++;
1196             c++;
1197             if (c == PACK_X4)
1198             {
1199                 j += (DIM-1)*PACK_X4;
1200                 c  = 0;
1201             }
1202         }
1203         break;
1204     case nbatX8:
1205         j = X8_IND_A(a0);
1206         c = a0 & (PACK_X8-1);
1207         for(a=0; a<na; a++)
1208         {
1209             xnb[j+XX*PACK_X8] = 0;
1210             xnb[j+YY*PACK_X8] = 0;
1211             xnb[j+ZZ*PACK_X8] = 0;
1212             j++;
1213             c++;
1214             if (c == PACK_X8)
1215             {
1216                 j += (DIM-1)*PACK_X8;
1217                 c  = 0;
1218             }
1219         }
1220         break;
1221     }
1222 }
1223
1224 static void copy_rvec_to_nbat_real(const int *a,int na,int na_round,
1225                                    rvec *x,int nbatFormat,real *xnb,int a0,
1226                                    int cx,int cy,int cz)
1227 {
1228     int i,j,c;
1229
1230 /* We might need to place filler particles to fill up the cell to na_round.
1231  * The coefficients (LJ and q) for such particles are zero.
1232  * But we might still get NaN as 0*NaN when distances are too small.
1233  * We hope that -107 nm is far away enough from to zero
1234  * to avoid accidental short distances to particles shifted down for pbc.
1235  */
1236 #define NBAT_FAR_AWAY 107
1237
1238     switch (nbatFormat)
1239     {
1240     case nbatXYZ:
1241         j = a0*STRIDE_XYZ;
1242         for(i=0; i<na; i++)
1243         {
1244             xnb[j++] = x[a[i]][XX];
1245             xnb[j++] = x[a[i]][YY];
1246             xnb[j++] = x[a[i]][ZZ];
1247         }
1248         /* Complete the partially filled last cell with copies of the last element.
1249          * This simplifies the bounding box calculation and avoid
1250          * numerical issues with atoms that are coincidentally close.
1251          */
1252         for(; i<na_round; i++)
1253         {
1254             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
1255             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
1256             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
1257         }
1258         break;
1259     case nbatXYZQ:
1260         j = a0*STRIDE_XYZQ;
1261         for(i=0; i<na; i++)
1262         {
1263             xnb[j++] = x[a[i]][XX];
1264             xnb[j++] = x[a[i]][YY];
1265             xnb[j++] = x[a[i]][ZZ];
1266             j++;
1267         }
1268         /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
1269         for(; i<na_round; i++)
1270         {
1271             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
1272             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
1273             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
1274             j++;
1275         }
1276         break;
1277     case nbatX4:
1278         j = X4_IND_A(a0);
1279         c = a0 & (PACK_X4-1);
1280         for(i=0; i<na; i++)
1281         {
1282             xnb[j+XX*PACK_X4] = x[a[i]][XX];
1283             xnb[j+YY*PACK_X4] = x[a[i]][YY];
1284             xnb[j+ZZ*PACK_X4] = x[a[i]][ZZ];
1285             j++;
1286             c++;
1287             if (c == PACK_X4)
1288             {
1289                 j += (DIM-1)*PACK_X4;
1290                 c  = 0;
1291             }
1292         }
1293         /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
1294         for(; i<na_round; i++)
1295         {
1296             xnb[j+XX*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
1297             xnb[j+YY*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
1298             xnb[j+ZZ*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
1299             j++;
1300             c++;
1301             if (c == PACK_X4)
1302             {
1303                 j += (DIM-1)*PACK_X4;
1304                 c  = 0;
1305             }
1306         }
1307         break;
1308     case nbatX8:
1309         j = X8_IND_A(a0);
1310         c = a0 & (PACK_X8 - 1);
1311         for(i=0; i<na; i++)
1312         {
1313             xnb[j+XX*PACK_X8] = x[a[i]][XX];
1314             xnb[j+YY*PACK_X8] = x[a[i]][YY];
1315             xnb[j+ZZ*PACK_X8] = x[a[i]][ZZ];
1316             j++;
1317             c++;
1318             if (c == PACK_X8)
1319             {
1320                 j += (DIM-1)*PACK_X8;
1321                 c  = 0;
1322             }
1323         }
1324         /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
1325         for(; i<na_round; i++)
1326         {
1327             xnb[j+XX*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
1328             xnb[j+YY*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
1329             xnb[j+ZZ*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
1330             j++;
1331             c++;
1332             if (c == PACK_X8)
1333             {
1334                 j += (DIM-1)*PACK_X8;
1335                 c  = 0;
1336             }
1337         }
1338         break;
1339     default:
1340         gmx_incons("Unsupported stride");
1341     }
1342 }
1343
1344 /* Potentially sorts atoms on LJ coefficients !=0 and ==0.
1345  * Also sets interaction flags.
1346  */
1347 void sort_on_lj(nbnxn_atomdata_t *nbat,int na_c,
1348                 int a0,int a1,const int *atinfo,
1349                 int *order,
1350                 int *flags)
1351 {
1352     int subc,s,a,n1,n2,a_lj_max,i,j;
1353     int sort1[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1354     int sort2[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1355     gmx_bool haveQ;
1356
1357     *flags = 0;
1358
1359     subc = 0;
1360     for(s=a0; s<a1; s+=na_c)
1361     {
1362         /* Make lists for this (sub-)cell on atoms with and without LJ */
1363         n1 = 0;
1364         n2 = 0;
1365         haveQ = FALSE;
1366         a_lj_max = -1;
1367         for(a=s; a<min(s+na_c,a1); a++)
1368         {
1369             haveQ = haveQ || GET_CGINFO_HAS_Q(atinfo[order[a]]);
1370
1371             if (GET_CGINFO_HAS_VDW(atinfo[order[a]]))
1372             {
1373                 sort1[n1++] = order[a];
1374                 a_lj_max = a;
1375             }
1376             else
1377             {
1378                 sort2[n2++] = order[a];
1379             }
1380         }
1381
1382         /* If we don't have atom with LJ, there's nothing to sort */
1383         if (n1 > 0)
1384         {
1385             *flags |= NBNXN_CI_DO_LJ(subc);
1386
1387             if (2*n1 <= na_c)
1388             {
1389                 /* Only sort when strictly necessary. Ordering particles
1390                  * Ordering particles can lead to less accurate summation
1391                  * due to rounding, both for LJ and Coulomb interactions.
1392                  */
1393                 if (2*(a_lj_max - s) >= na_c)
1394                 {
1395                     for(i=0; i<n1; i++)
1396                     {
1397                         order[a0+i] = sort1[i];
1398                     }
1399                     for(j=0; j<n2; j++)
1400                     {
1401                         order[a0+n1+j] = sort2[j];
1402                     }
1403                 }
1404
1405                 *flags |= NBNXN_CI_HALF_LJ(subc);
1406             }
1407         }
1408         if (haveQ)
1409         {
1410             *flags |= NBNXN_CI_DO_COUL(subc);
1411         }
1412         subc++;
1413     }
1414 }
1415
1416 /* Fill a pair search cell with atoms.
1417  * Potentially sorts atoms and sets the interaction flags.
1418  */
1419 void fill_cell(const nbnxn_search_t nbs,
1420                nbnxn_grid_t *grid,
1421                nbnxn_atomdata_t *nbat,
1422                int a0,int a1,
1423                const int *atinfo,
1424                rvec *x,
1425                int sx,int sy, int sz,
1426                float *bb_work)
1427 {
1428     int    na,a;
1429     size_t offset;
1430     float  *bb_ptr;
1431
1432     na = a1 - a0;
1433
1434     if (grid->bSimple)
1435     {
1436         sort_on_lj(nbat,grid->na_c,a0,a1,atinfo,nbs->a,
1437                    grid->flags+(a0>>grid->na_c_2log)-grid->cell0);
1438     }
1439
1440     /* Now we have sorted the atoms, set the cell indices */
1441     for(a=a0; a<a1; a++)
1442     {
1443         nbs->cell[nbs->a[a]] = a;
1444     }
1445
1446     copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+a0,a1-a0,grid->na_c,x,
1447                            nbat->XFormat,nbat->x,a0,
1448                            sx,sy,sz);
1449
1450     if (nbat->XFormat == nbatX4)
1451     {
1452         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1453         offset = ((a0 - grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log)*NNBSBB_B;
1454         bb_ptr = grid->bb + offset;
1455
1456 #if defined GMX_DOUBLE && defined NBNXN_SEARCH_SSE
1457         if (2*grid->na_cj == grid->na_c)
1458         {
1459             calc_bounding_box_x_x4_halves(na,nbat->x+X4_IND_A(a0),bb_ptr,
1460                                           grid->bbj+offset*2);
1461         }
1462         else
1463 #endif
1464         {
1465             calc_bounding_box_x_x4(na,nbat->x+X4_IND_A(a0),bb_ptr);
1466         }
1467     }
1468     else if (nbat->XFormat == nbatX8)
1469     {
1470         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1471         offset = ((a0 - grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log)*NNBSBB_B;
1472         bb_ptr = grid->bb + offset;
1473
1474         calc_bounding_box_x_x8(na,nbat->x+X8_IND_A(a0),bb_ptr);
1475     }
1476 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1477     else if (!grid->bSimple)
1478     {
1479         /* Store the bounding boxes in a format convenient
1480          * for SSE calculations: xxxxyyyyzzzz...
1481                              */
1482         bb_ptr =
1483             grid->bb +
1484             ((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>(grid->na_c_2log+STRIDE_8BB_2LOG))*NNBSBB_XXXX +
1485             (((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log) & (STRIDE_8BB-1));
1486
1487 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE
1488         if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
1489         {
1490             calc_bounding_box_xxxx_sse(na,nbat->x+a0*nbat->xstride,
1491                                        bb_work,bb_ptr);
1492         }
1493         else
1494 #endif
1495         {
1496             calc_bounding_box_xxxx(na,nbat->xstride,nbat->x+a0*nbat->xstride,
1497                                    bb_ptr);
1498         }
1499         if (gmx_debug_at)
1500         {
1501             fprintf(debug,"%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1502                     sx,sy,sz,
1503                     bb_ptr[0*STRIDE_8BB],bb_ptr[3*STRIDE_8BB],
1504                     bb_ptr[1*STRIDE_8BB],bb_ptr[4*STRIDE_8BB],
1505                     bb_ptr[2*STRIDE_8BB],bb_ptr[5*STRIDE_8BB]);
1506         }
1507     }
1508 #endif
1509     else
1510     {
1511         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1512         bb_ptr = grid->bb+((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log)*NNBSBB_B;
1513
1514         calc_bounding_box(na,nbat->xstride,nbat->x+a0*nbat->xstride,
1515                           bb_ptr);
1516
1517         if (gmx_debug_at)
1518         {
1519             int bbo;
1520             bbo = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc)/grid->na_c;
1521             fprintf(debug,"%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1522                     sx,sy,sz,
1523                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBL_X],
1524                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBU_X],
1525                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBL_Y],
1526                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBU_Y],
1527                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBL_Z],
1528                     (grid->bb+bbo*NNBSBB_B)[BBU_Z]);
1529         }
1530     }
1531 }
1532
1533 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1534 static void sort_columns_simple(const nbnxn_search_t nbs,
1535                                 int dd_zone,
1536                                 nbnxn_grid_t *grid,
1537                                 int a0,int a1,
1538                                 const int *atinfo,
1539                                 rvec *x,
1540                                 nbnxn_atomdata_t *nbat,
1541                                 int cxy_start,int cxy_end,
1542                                 int *sort_work)
1543 {
1544     int  cxy;
1545     int  cx,cy,cz,ncz,cfilled,c;
1546     int  na,ash,ind,a;
1547     int  na_c,ash_c;
1548
1549     if (debug)
1550     {
1551         fprintf(debug,"cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1552                 grid->cell0,cxy_start,cxy_end,a0,a1);
1553     }
1554
1555     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1556     for(cxy=cxy_start; cxy<cxy_end; cxy++)
1557     {
1558         cx = cxy/grid->ncy;
1559         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1560
1561         na  = grid->cxy_na[cxy];
1562         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1563         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1564
1565         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1566         sort_atoms(ZZ,FALSE,
1567                    nbs->a+ash,na,x,
1568                    grid->c0[ZZ],
1569                    ncz*grid->na_sc*SORT_GRID_OVERSIZE/nbs->box[ZZ][ZZ],
1570                    ncz*grid->na_sc*SGSF,sort_work);
1571
1572         /* Fill the ncz cells in this column */
1573         cfilled = grid->cxy_ind[cxy];
1574         for(cz=0; cz<ncz; cz++)
1575         {
1576             c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz ;
1577
1578             ash_c = ash + cz*grid->na_sc;
1579             na_c  = min(grid->na_sc,na-(ash_c-ash));
1580
1581             fill_cell(nbs,grid,nbat,
1582                       ash_c,ash_c+na_c,atinfo,x,
1583                       grid->na_sc*cx + (dd_zone >> 2),
1584                       grid->na_sc*cy + (dd_zone & 3),
1585                       grid->na_sc*cz,
1586                       NULL);
1587
1588             /* This copy to bbcz is not really necessary.
1589              * But it allows to use the same grid search code
1590              * for the simple and supersub cell setups.
1591              */
1592             if (na_c > 0)
1593             {
1594                 cfilled = c;
1595             }
1596             grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = grid->bb[cfilled*NNBSBB_B+2];
1597             grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = grid->bb[cfilled*NNBSBB_B+6];
1598         }
1599
1600         /* Set the unused atom indices to -1 */
1601         for(ind=na; ind<ncz*grid->na_sc; ind++)
1602         {
1603             nbs->a[ash+ind] = -1;
1604         }
1605     }
1606 }
1607
1608 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1609 static void sort_columns_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
1610                                   int dd_zone,
1611                                   nbnxn_grid_t *grid,
1612                                   int a0,int a1,
1613                                   const int *atinfo,
1614                                   rvec *x,
1615                                   nbnxn_atomdata_t *nbat,
1616                                   int cxy_start,int cxy_end,
1617                                   int *sort_work)
1618 {
1619     int  cxy;
1620     int  cx,cy,cz=-1,c=-1,ncz;
1621     int  na,ash,na_c,ind,a;
1622     int  subdiv_z,sub_z,na_z,ash_z;
1623     int  subdiv_y,sub_y,na_y,ash_y;
1624     int  subdiv_x,sub_x,na_x,ash_x;
1625
1626     /* cppcheck-suppress unassignedVariable */
1627     float bb_work_array[NNBSBB_B+3],*bb_work_align;
1628
1629     bb_work_align = (float *)(((size_t)(bb_work_array+3)) & (~((size_t)15)));
1630
1631     if (debug)
1632     {
1633         fprintf(debug,"cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1634                 grid->cell0,cxy_start,cxy_end,a0,a1);
1635     }
1636
1637     subdiv_x = grid->na_c;
1638     subdiv_y = GPU_NSUBCELL_X*subdiv_x;
1639     subdiv_z = GPU_NSUBCELL_Y*subdiv_y;
1640
1641     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1642     for(cxy=cxy_start; cxy<cxy_end; cxy++)
1643     {
1644         cx = cxy/grid->ncy;
1645         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1646
1647         na  = grid->cxy_na[cxy];
1648         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1649         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1650
1651         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1652         sort_atoms(ZZ,FALSE,
1653                    nbs->a+ash,na,x,
1654                    grid->c0[ZZ],
1655                    ncz*grid->na_sc*SORT_GRID_OVERSIZE/nbs->box[ZZ][ZZ],
1656                    ncz*grid->na_sc*SGSF,sort_work);
1657
1658         /* This loop goes over the supercells and subcells along z at once */
1659         for(sub_z=0; sub_z<ncz*GPU_NSUBCELL_Z; sub_z++)
1660         {
1661             ash_z = ash + sub_z*subdiv_z;
1662             na_z  = min(subdiv_z,na-(ash_z-ash));
1663
1664             /* We have already sorted on z */
1665
1666             if (sub_z % GPU_NSUBCELL_Z == 0)
1667             {
1668                 cz = sub_z/GPU_NSUBCELL_Z;
1669                 c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz ;
1670
1671                 /* The number of atoms in this supercell */
1672                 na_c = min(grid->na_sc,na-(ash_z-ash));
1673
1674                 grid->nsubc[c] = min(GPU_NSUBCELL,(na_c+grid->na_c-1)/grid->na_c);
1675
1676                 /* Store the z-boundaries of the super cell */
1677                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = x[nbs->a[ash_z]][ZZ];
1678                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = x[nbs->a[ash_z+na_c-1]][ZZ];
1679             }
1680
1681 #if GPU_NSUBCELL_Y > 1
1682             /* Sort the atoms along y */
1683             sort_atoms(YY,(sub_z & 1),
1684                        nbs->a+ash_z,na_z,x,
1685                        grid->c0[YY]+cy*grid->sy,grid->inv_sy,
1686                        subdiv_y*SGSF,sort_work);
1687 #endif
1688
1689             for(sub_y=0; sub_y<GPU_NSUBCELL_Y; sub_y++)
1690             {
1691                 ash_y = ash_z + sub_y*subdiv_y;
1692                 na_y  = min(subdiv_y,na-(ash_y-ash));
1693
1694 #if GPU_NSUBCELL_X > 1
1695                 /* Sort the atoms along x */
1696                 sort_atoms(XX,((cz*GPU_NSUBCELL_Y + sub_y) & 1),
1697                            nbs->a+ash_y,na_y,x,
1698                            grid->c0[XX]+cx*grid->sx,grid->inv_sx,
1699                            subdiv_x*SGSF,sort_work);
1700 #endif
1701
1702                 for(sub_x=0; sub_x<GPU_NSUBCELL_X; sub_x++)
1703                 {
1704                     ash_x = ash_y + sub_x*subdiv_x;
1705                     na_x  = min(subdiv_x,na-(ash_x-ash));
1706
1707                     fill_cell(nbs,grid,nbat,
1708                               ash_x,ash_x+na_x,atinfo,x,
1709                               grid->na_c*(cx*GPU_NSUBCELL_X+sub_x) + (dd_zone >> 2),
1710                               grid->na_c*(cy*GPU_NSUBCELL_Y+sub_y) + (dd_zone & 3),
1711                               grid->na_c*sub_z,
1712                               bb_work_align);
1713                 }
1714             }
1715         }
1716
1717         /* Set the unused atom indices to -1 */
1718         for(ind=na; ind<ncz*grid->na_sc; ind++)
1719         {
1720             nbs->a[ash+ind] = -1;
1721         }
1722     }
1723 }
1724
1725 /* Determine in which grid column atoms should go */
1726 static void calc_column_indices(nbnxn_grid_t *grid,
1727                                 int a0,int a1,
1728                                 rvec *x,const int *move,
1729                                 int thread,int nthread,
1730                                 int *cell,
1731                                 int *cxy_na)
1732 {
1733     int  n0,n1,i;
1734     int  cx,cy;
1735
1736     /* We add one extra cell for particles which moved during DD */
1737     for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1738     {
1739         cxy_na[i] = 0;
1740     }
1741
1742     n0 = a0 + (int)((thread+0)*(a1 - a0))/nthread;
1743     n1 = a0 + (int)((thread+1)*(a1 - a0))/nthread;
1744     for(i=n0; i<n1; i++)
1745     {
1746         if (move == NULL || move[i] >= 0)
1747         {
1748             /* We need to be careful with rounding,
1749              * particles might be a few bits outside the local box.
1750              * The int cast takes care of the lower bound,
1751              * we need to explicitly take care of the upper bound.
1752              */
1753             cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1754             if (cx == grid->ncx)
1755             {
1756                 cx = grid->ncx - 1;
1757             }
1758             cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1759             if (cy == grid->ncy)
1760             {
1761                 cy = grid->ncy - 1;
1762             }
1763             /* For the moment cell contains only the, grid local,
1764              * x and y indices, not z.
1765              */
1766             cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1767
1768 #ifdef DEBUG_NBNXN_GRIDDING
1769             if (cell[i] < 0 || cell[i] >= grid->ncx*grid->ncy)
1770             {
1771                 gmx_fatal(FARGS,
1772                           "grid cell cx %d cy %d out of range (max %d %d)",
1773                           cx,cy,grid->ncx,grid->ncy);
1774             }
1775 #endif
1776         }
1777         else
1778         {
1779             /* Put this moved particle after the end of the grid,
1780              * so we can process it later without using conditionals.
1781              */
1782             cell[i] = grid->ncx*grid->ncy;
1783         }
1784
1785         cxy_na[cell[i]]++;
1786     }
1787 }
1788
1789 /* Determine in which grid cells the atoms should go */
1790 static void calc_cell_indices(const nbnxn_search_t nbs,
1791                               int dd_zone,
1792                               nbnxn_grid_t *grid,
1793                               int a0,int a1,
1794                               const int *atinfo,
1795                               rvec *x,
1796                               const int *move,
1797                               nbnxn_atomdata_t *nbat)
1798 {
1799     int  n0,n1,i;
1800     int  cx,cy,cxy,ncz_max,ncz;
1801     int  nthread,thread;
1802     int  *cxy_na,cxy_na_i;
1803
1804     nthread = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1805
1806 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1807     for(thread=0; thread<nthread; thread++)
1808     {
1809         calc_column_indices(grid,a0,a1,x,move,thread,nthread,
1810                             nbs->cell,nbs->work[thread].cxy_na);
1811     }
1812
1813     /* Make the cell index as a function of x and y */
1814     ncz_max = 0;
1815     ncz = 0;
1816     grid->cxy_ind[0] = 0;
1817     for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1818     {
1819         /* We set ncz_max at the beginning of the loop iso at the end
1820          * to skip i=grid->ncx*grid->ncy which are moved particles
1821          * that do not need to be ordered on the grid.
1822          */
1823         if (ncz > ncz_max)
1824         {
1825             ncz_max = ncz;
1826         }
1827         cxy_na_i = nbs->work[0].cxy_na[i];
1828         for(thread=1; thread<nthread; thread++)
1829         {
1830             cxy_na_i += nbs->work[thread].cxy_na[i];
1831         }
1832         ncz = (cxy_na_i + grid->na_sc - 1)/grid->na_sc;
1833         if (nbat->XFormat == nbatX8)
1834         {
1835             /* Make the number of cell a multiple of 2 */
1836             ncz = (ncz + 1) & ~1;
1837         }
1838         grid->cxy_ind[i+1] = grid->cxy_ind[i] + ncz;
1839         /* Clear cxy_na, so we can reuse the array below */
1840         grid->cxy_na[i] = 0;
1841     }
1842     grid->nc = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy] - grid->cxy_ind[0];
1843
1844     nbat->natoms = (grid->cell0 + grid->nc)*grid->na_sc;
1845
1846     if (debug)
1847     {
1848         fprintf(debug,"ns na_sc %d na_c %d super-cells: %d x %d y %d z %.1f maxz %d\n",
1849                 grid->na_sc,grid->na_c,grid->nc,
1850                 grid->ncx,grid->ncy,grid->nc/((double)(grid->ncx*grid->ncy)),
1851                 ncz_max);
1852         if (gmx_debug_at)
1853         {
1854             i = 0;
1855             for(cy=0; cy<grid->ncy; cy++)
1856             {
1857                 for(cx=0; cx<grid->ncx; cx++)
1858                 {
1859                     fprintf(debug," %2d",grid->cxy_ind[i+1]-grid->cxy_ind[i]);
1860                     i++;
1861                 }
1862                 fprintf(debug,"\n");
1863             }
1864         }
1865     }
1866
1867     /* Make sure the work array for sorting is large enough */
1868     if (ncz_max*grid->na_sc*SGSF > nbs->work[0].sort_work_nalloc)
1869     {
1870         for(thread=0; thread<nbs->nthread_max; thread++)
1871         {
1872             nbs->work[thread].sort_work_nalloc =
1873                 over_alloc_large(ncz_max*grid->na_sc*SGSF);
1874             srenew(nbs->work[thread].sort_work,
1875                    nbs->work[thread].sort_work_nalloc);
1876         }
1877     }
1878
1879     /* Now we know the dimensions we can fill the grid.
1880      * This is the first, unsorted fill. We sort the columns after this.
1881      */
1882     for(i=a0; i<a1; i++)
1883     {
1884         /* At this point nbs->cell contains the local grid x,y indices */
1885         cxy = nbs->cell[i];
1886         nbs->a[(grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc + grid->cxy_na[cxy]++] = i;
1887     }
1888
1889     /* Set the cell indices for the moved particles */
1890     n0 = grid->nc*grid->na_sc;
1891     n1 = grid->nc*grid->na_sc+grid->cxy_na[grid->ncx*grid->ncy];
1892     for(i=n0; i<n1; i++)
1893     {
1894         nbs->cell[nbs->a[i]] = i;
1895     }
1896
1897     /* Sort the super-cell columns along z into the sub-cells. */
1898 #pragma omp parallel for num_threads(nbs->nthread_max) schedule(static)
1899     for(thread=0; thread<nbs->nthread_max; thread++)
1900     {
1901         if (grid->bSimple)
1902         {
1903             sort_columns_simple(nbs,dd_zone,grid,a0,a1,atinfo,x,nbat,
1904                                 ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1905                                 ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1906                                 nbs->work[thread].sort_work);
1907         }
1908         else
1909         {
1910             sort_columns_supersub(nbs,dd_zone,grid,a0,a1,atinfo,x,nbat,
1911                                   ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1912                                   ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1913                                   nbs->work[thread].sort_work);
1914         }
1915     }
1916
1917 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
1918     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1919     {
1920         combine_bounding_box_pairs(grid,grid->bb);
1921     }
1922 #endif
1923
1924     if (!grid->bSimple)
1925     {
1926         grid->nsubc_tot = 0;
1927         for(i=0; i<grid->nc; i++)
1928         {
1929             grid->nsubc_tot += grid->nsubc[i];
1930         }
1931     }
1932
1933     if (debug)
1934     {
1935         if (grid->bSimple)
1936         {
1937             print_bbsizes_simple(debug,nbs,grid);
1938         }
1939         else
1940         {
1941             fprintf(debug,"ns non-zero sub-cells: %d average atoms %.2f\n",
1942                     grid->nsubc_tot,(a1-a0)/(double)grid->nsubc_tot);
1943
1944             print_bbsizes_supersub(debug,nbs,grid);
1945         }
1946     }
1947 }
1948
1949 /* Reallocation wrapper function for nbnxn data structures */
1950 static void nb_realloc_void(void **ptr,
1951                             int nbytes_copy,int nbytes_new,
1952                             gmx_nbat_alloc_t *ma,
1953                             gmx_nbat_free_t  *mf)
1954 {
1955     void *ptr_new;
1956
1957     ma(&ptr_new,nbytes_new);
1958
1959     if (nbytes_new > 0 && ptr_new == NULL)
1960     {
1961         gmx_fatal(FARGS, "Allocation of %d bytes failed", nbytes_new);
1962     }
1963
1964     if (nbytes_copy > 0)
1965     {
1966         if (nbytes_new < nbytes_copy)
1967         {
1968             gmx_incons("In nb_realloc_void: new size less than copy size");
1969         }
1970         memcpy(ptr_new,*ptr,nbytes_copy);
1971     }
1972     if (*ptr != NULL)
1973     {
1974         mf(*ptr);
1975     }
1976     *ptr = ptr_new;
1977 }
1978
1979 /* NOTE: does not preserve the contents! */
1980 static void nb_realloc_int(int **ptr,int n,
1981                            gmx_nbat_alloc_t *ma,
1982                            gmx_nbat_free_t  *mf)
1983 {
1984     if (*ptr != NULL)
1985     {
1986         mf(*ptr);
1987     }
1988     ma((void **)ptr,n*sizeof(**ptr));
1989 }
1990
1991 /* NOTE: does not preserve the contents! */
1992 static void nb_realloc_real(real **ptr,int n,
1993                             gmx_nbat_alloc_t *ma,
1994                             gmx_nbat_free_t  *mf)
1995 {
1996     if (*ptr != NULL)
1997     {
1998         mf(*ptr);
1999     }
2000     ma((void **)ptr,n*sizeof(**ptr));
2001 }
2002
2003 /* Reallocate the nbnxn_atomdata_t for a size of n atoms */
2004 static void nbnxn_atomdata_realloc(nbnxn_atomdata_t *nbat,int n)
2005 {
2006     int t;
2007
2008     nb_realloc_void((void **)&nbat->type,
2009                     nbat->natoms*sizeof(*nbat->type),
2010                     n*sizeof(*nbat->type),
2011                     nbat->alloc,nbat->free);
2012     nb_realloc_void((void **)&nbat->lj_comb,
2013                     nbat->natoms*2*sizeof(*nbat->lj_comb),
2014                     n*2*sizeof(*nbat->lj_comb),
2015                     nbat->alloc,nbat->free);
2016     if (nbat->XFormat != nbatXYZQ)
2017     {
2018         nb_realloc_void((void **)&nbat->q,
2019                         nbat->natoms*sizeof(*nbat->q),
2020                         n*sizeof(*nbat->q),
2021                         nbat->alloc,nbat->free);
2022     }
2023     if (nbat->nenergrp > 1)
2024     {
2025         nb_realloc_void((void **)&nbat->energrp,
2026                         nbat->natoms/nbat->na_c*sizeof(*nbat->energrp),
2027                         n/nbat->na_c*sizeof(*nbat->energrp),
2028                         nbat->alloc,nbat->free);
2029     }
2030     nb_realloc_void((void **)&nbat->x,
2031                     nbat->natoms*nbat->xstride*sizeof(*nbat->x),
2032                     n*nbat->xstride*sizeof(*nbat->x),
2033                     nbat->alloc,nbat->free);
2034     for(t=0; t<nbat->nout; t++)
2035     {
2036         /* Allocate one element extra for possible signaling with CUDA */
2037         nb_realloc_void((void **)&nbat->out[t].f,
2038                         nbat->natoms*nbat->fstride*sizeof(*nbat->out[t].f),
2039                         n*nbat->fstride*sizeof(*nbat->out[t].f),
2040                         nbat->alloc,nbat->free);
2041     }
2042     nbat->nalloc = n;
2043 }
2044
2045 /* Sets up a grid and puts the atoms on the grid.
2046  * This function only operates on one domain of the domain decompostion.
2047  * Note that without domain decomposition there is only one domain.
2048  */
2049 void nbnxn_put_on_grid(nbnxn_search_t nbs,
2050                        int ePBC,matrix box,
2051                        int dd_zone,
2052                        rvec corner0,rvec corner1,
2053                        int a0,int a1,
2054                        real atom_density,
2055                        const int *atinfo,
2056                        rvec *x,
2057                        int nmoved,int *move,
2058                        int nb_kernel_type,
2059                        nbnxn_atomdata_t *nbat)
2060 {
2061     nbnxn_grid_t *grid;
2062     int n;
2063     int nc_max_grid,nc_max;
2064
2065     grid = &nbs->grid[dd_zone];
2066
2067     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
2068
2069     grid->bSimple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
2070
2071     grid->na_c      = kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
2072     grid->na_cj     = kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
2073     grid->na_sc     = (grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL)*grid->na_c;
2074     grid->na_c_2log = get_2log(grid->na_c);
2075
2076     nbat->na_c = grid->na_c;
2077
2078     if (dd_zone == 0)
2079     {
2080         grid->cell0 = 0;
2081     }
2082     else
2083     {
2084         grid->cell0 =
2085             (nbs->grid[dd_zone-1].cell0 + nbs->grid[dd_zone-1].nc)*
2086             nbs->grid[dd_zone-1].na_sc/grid->na_sc;
2087     }
2088
2089     n = a1 - a0;
2090
2091     if (dd_zone == 0)
2092     {
2093         nbs->ePBC = ePBC;
2094         copy_mat(box,nbs->box);
2095
2096         if (atom_density >= 0)
2097         {
2098             grid->atom_density = atom_density;
2099         }
2100         else
2101         {
2102             grid->atom_density = grid_atom_density(n-nmoved,corner0,corner1);
2103         }
2104
2105         grid->cell0 = 0;
2106
2107         nbs->natoms_local    = a1 - nmoved;
2108         /* We assume that nbnxn_put_on_grid is called first
2109          * for the local atoms (dd_zone=0).
2110          */
2111         nbs->natoms_nonlocal = a1 - nmoved;
2112     }
2113     else
2114     {
2115         nbs->natoms_nonlocal = max(nbs->natoms_nonlocal,a1);
2116     }
2117
2118     nc_max_grid = set_grid_size_xy(nbs,grid,n-nmoved,corner0,corner1,
2119                                    nbs->grid[0].atom_density,
2120                                    nbat->XFormat);
2121
2122     nc_max = grid->cell0 + nc_max_grid;
2123
2124     if (a1 > nbs->cell_nalloc)
2125     {
2126         nbs->cell_nalloc = over_alloc_large(a1);
2127         srenew(nbs->cell,nbs->cell_nalloc);
2128     }
2129
2130     /* To avoid conditionals we store the moved particles at the end of a,
2131      * make sure we have enough space.
2132      */
2133     if (nc_max*grid->na_sc + nmoved > nbs->a_nalloc)
2134     {
2135         nbs->a_nalloc = over_alloc_large(nc_max*grid->na_sc + nmoved);
2136         srenew(nbs->a,nbs->a_nalloc);
2137     }
2138
2139     if (nc_max*grid->na_sc > nbat->nalloc)
2140     {
2141         nbnxn_atomdata_realloc(nbat,nc_max*grid->na_sc);
2142     }
2143
2144     calc_cell_indices(nbs,dd_zone,grid,a0,a1,atinfo,x,move,nbat);
2145
2146     if (dd_zone == 0)
2147     {
2148         nbat->natoms_local = nbat->natoms;
2149     }
2150
2151     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
2152 }
2153
2154 /* Calls nbnxn_put_on_grid for all non-local domains */
2155 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nbnxn_search_t nbs,
2156                                 const gmx_domdec_zones_t *zones,
2157                                 const int *atinfo,
2158                                 rvec *x,
2159                                 int nb_kernel_type,
2160                                 nbnxn_atomdata_t *nbat)
2161 {
2162     int  zone,d;
2163     rvec c0,c1;
2164
2165     for(zone=1; zone<zones->n; zone++)
2166     {
2167         for(d=0; d<DIM; d++)
2168         {
2169             c0[d] = zones->size[zone].bb_x0[d];
2170             c1[d] = zones->size[zone].bb_x1[d];
2171         }
2172
2173         nbnxn_put_on_grid(nbs,nbs->ePBC,NULL,
2174                           zone,c0,c1,
2175                           zones->cg_range[zone],
2176                           zones->cg_range[zone+1],
2177                           -1,
2178                           atinfo,
2179                           x,
2180                           0,NULL,
2181                           nb_kernel_type,
2182                           nbat);
2183     }
2184 }
2185
2186 /* Add simple grid type information to the local super/sub grid */
2187 void nbnxn_grid_add_simple(nbnxn_search_t nbs,
2188                            nbnxn_atomdata_t *nbat)
2189 {
2190     nbnxn_grid_t *grid;
2191     float *bbcz,*bb;
2192     int ncd,sc;
2193
2194     grid = &nbs->grid[0];
2195
2196     if (grid->bSimple)
2197     {
2198         gmx_incons("nbnxn_grid_simple called with a simple grid");
2199     }
2200
2201     ncd = grid->na_sc/NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2202
2203     if (grid->nc*ncd > grid->nc_nalloc_simple)
2204     {
2205         grid->nc_nalloc_simple = over_alloc_large(grid->nc*ncd);
2206         srenew(grid->bbcz_simple,grid->nc_nalloc_simple*NNBSBB_D);
2207         srenew(grid->bb_simple,grid->nc_nalloc_simple*NNBSBB_B);
2208         srenew(grid->flags_simple,grid->nc_nalloc_simple);
2209         if (nbat->XFormat)
2210         {
2211             sfree_aligned(grid->bbj);
2212             snew_aligned(grid->bbj,grid->nc_nalloc_simple/2,16);
2213         }
2214     }
2215
2216     bbcz = grid->bbcz_simple;
2217     bb   = grid->bb_simple;
2218
2219 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
2220     for(sc=0; sc<grid->nc; sc++)
2221     {
2222         int c,tx,na;
2223
2224         for(c=0; c<ncd; c++)
2225         {
2226             tx = sc*ncd + c;
2227
2228             na = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2229             while (na > 0 &&
2230                    nbat->type[tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+na-1] == nbat->ntype-1)
2231             {
2232                 na--;
2233             }
2234
2235             if (na > 0)
2236             {
2237                 switch (nbat->XFormat)
2238                 {
2239                 case nbatX4:
2240                     /* PACK_X4==NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, so this is simple */
2241                     calc_bounding_box_x_x4(na,nbat->x+tx*STRIDE_P4,
2242                                            bb+tx*NNBSBB_B);
2243                     break;
2244                 case nbatX8:
2245                     /* PACK_X8>NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, more complicated */
2246                     calc_bounding_box_x_x8(na,nbat->x+X8_IND_A(tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE),
2247                                            bb+tx*NNBSBB_B);
2248                     break;
2249                 default:
2250                     calc_bounding_box(na,nbat->xstride,
2251                                       nbat->x+tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*nbat->xstride,
2252                                       bb+tx*NNBSBB_B);
2253                     break;
2254                 }
2255                 bbcz[tx*NNBSBB_D+0] = bb[tx*NNBSBB_B         +ZZ];
2256                 bbcz[tx*NNBSBB_D+1] = bb[tx*NNBSBB_B+NNBSBB_C+ZZ];
2257
2258                 /* No interaction optimization yet here */
2259                 grid->flags_simple[tx] = NBNXN_CI_DO_LJ(0) | NBNXN_CI_DO_COUL(0);
2260             }
2261             else
2262             {
2263                 grid->flags_simple[tx] = 0;
2264             }
2265         }
2266     }
2267
2268 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
2269     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
2270     {
2271         combine_bounding_box_pairs(grid,grid->bb_simple);
2272     }
2273 #endif
2274 }
2275
2276 void nbnxn_get_ncells(nbnxn_search_t nbs,int *ncx,int *ncy)
2277 {
2278     *ncx = nbs->grid[0].ncx;
2279     *ncy = nbs->grid[0].ncy;
2280 }
2281
2282 void nbnxn_get_atomorder(nbnxn_search_t nbs,int **a,int *n)
2283 {
2284     const nbnxn_grid_t *grid;
2285
2286     grid = &nbs->grid[0];
2287
2288     /* Return the atom order for the home cell (index 0) */
2289     *a  = nbs->a;
2290
2291     *n = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy]*grid->na_sc;
2292 }
2293
2294 void nbnxn_set_atomorder(nbnxn_search_t nbs)
2295 {
2296     nbnxn_grid_t *grid;
2297     int ao,cx,cy,cxy,cz,j;
2298
2299     /* Set the atom order for the home cell (index 0) */
2300     grid = &nbs->grid[0];
2301
2302     ao = 0;
2303     for(cx=0; cx<grid->ncx; cx++)
2304     {
2305         for(cy=0; cy<grid->ncy; cy++)
2306         {
2307             cxy = cx*grid->ncy + cy;
2308             j   = grid->cxy_ind[cxy]*grid->na_sc;
2309             for(cz=0; cz<grid->cxy_na[cxy]; cz++)
2310             {
2311                 nbs->a[j]     = ao;
2312                 nbs->cell[ao] = j;
2313                 ao++;
2314                 j++;
2315             }
2316         }
2317     }
2318 }
2319
2320 /* Determines the cell range along one dimension that
2321  * the bounding box b0 - b1 sees.
2322  */
2323 static void get_cell_range(real b0,real b1,
2324                            int nc,real c0,real s,real invs,
2325                            real d2,real r2,int *cf,int *cl)
2326 {
2327     *cf = max((int)((b0 - c0)*invs),0);
2328
2329     while (*cf > 0 && d2 + sqr((b0 - c0) - (*cf-1+1)*s) < r2)
2330     {
2331         (*cf)--;
2332     }
2333
2334     *cl = min((int)((b1 - c0)*invs),nc-1);
2335     while (*cl < nc-1 && d2 + sqr((*cl+1)*s - (b1 - c0)) < r2)
2336     {
2337         (*cl)++;
2338     }
2339 }
2340
2341 /* Reference code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2342 static float box_dist2(float bx0,float bx1,float by0,
2343                        float by1,float bz0,float bz1,
2344                        const float *bb)
2345 {
2346     float d2;
2347     float dl,dh,dm,dm0;
2348
2349     d2 = 0;
2350
2351     dl  = bx0 - bb[BBU_X];
2352     dh  = bb[BBL_X] - bx1;
2353     dm  = max(dl,dh);
2354     dm0 = max(dm,0);
2355     d2 += dm0*dm0;
2356
2357     dl  = by0 - bb[BBU_Y];
2358     dh  = bb[BBL_Y] - by1;
2359     dm  = max(dl,dh);
2360     dm0 = max(dm,0);
2361     d2 += dm0*dm0;
2362
2363     dl  = bz0 - bb[BBU_Z];
2364     dh  = bb[BBL_Z] - bz1;
2365     dm  = max(dl,dh);
2366     dm0 = max(dm,0);
2367     d2 += dm0*dm0;
2368
2369     return d2;
2370 }
2371
2372 /* Plain C code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2373 static float subc_bb_dist2(int si,const float *bb_i_ci,
2374                            int csj,const float *bb_j_all)
2375 {
2376     const float *bb_i,*bb_j;
2377     float d2;
2378     float dl,dh,dm,dm0;
2379
2380     bb_i = bb_i_ci  +  si*NNBSBB_B;
2381     bb_j = bb_j_all + csj*NNBSBB_B;
2382
2383     d2 = 0;
2384
2385     dl  = bb_i[BBL_X] - bb_j[BBU_X];
2386     dh  = bb_j[BBL_X] - bb_i[BBU_X];
2387     dm  = max(dl,dh);
2388     dm0 = max(dm,0);
2389     d2 += dm0*dm0;
2390
2391     dl  = bb_i[BBL_Y] - bb_j[BBU_Y];
2392     dh  = bb_j[BBL_Y] - bb_i[BBU_Y];
2393     dm  = max(dl,dh);
2394     dm0 = max(dm,0);
2395     d2 += dm0*dm0;
2396
2397     dl  = bb_i[BBL_Z] - bb_j[BBU_Z];
2398     dh  = bb_j[BBL_Z] - bb_i[BBU_Z];
2399     dm  = max(dl,dh);
2400     dm0 = max(dm,0);
2401     d2 += dm0*dm0;
2402
2403     return d2;
2404 }
2405
2406 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
2407
2408 /* SSE code for bb distance for bb format xyz0 */
2409 static float subc_bb_dist2_sse(int na_c,
2410                               int si,const float *bb_i_ci,
2411                               int csj,const float *bb_j_all)
2412 {
2413     const float *bb_i,*bb_j;
2414
2415     __m128 bb_i_SSE0,bb_i_SSE1;
2416     __m128 bb_j_SSE0,bb_j_SSE1;
2417     __m128 dl_SSE;
2418     __m128 dh_SSE;
2419     __m128 dm_SSE;
2420     __m128 dm0_SSE;
2421     __m128 d2_SSE;
2422 #ifndef GMX_X86_SSE4_1
2423     float d2_array[7],*d2_align;
2424
2425     d2_align = (float *)(((size_t)(d2_array+3)) & (~((size_t)15)));
2426 #else
2427     float d2;
2428 #endif
2429
2430     bb_i = bb_i_ci  +  si*NNBSBB_B;
2431     bb_j = bb_j_all + csj*NNBSBB_B;
2432
2433     bb_i_SSE0 = _mm_load_ps(bb_i);
2434     bb_i_SSE1 = _mm_load_ps(bb_i+NNBSBB_C);
2435     bb_j_SSE0 = _mm_load_ps(bb_j);
2436     bb_j_SSE1 = _mm_load_ps(bb_j+NNBSBB_C);
2437
2438     dl_SSE    = _mm_sub_ps(bb_i_SSE0,bb_j_SSE1);
2439     dh_SSE    = _mm_sub_ps(bb_j_SSE0,bb_i_SSE1);
2440
2441     dm_SSE    = _mm_max_ps(dl_SSE,dh_SSE);
2442     dm0_SSE   = _mm_max_ps(dm_SSE,_mm_setzero_ps());
2443 #ifndef GMX_X86_SSE4_1
2444     d2_SSE    = _mm_mul_ps(dm0_SSE,dm0_SSE);
2445
2446     _mm_store_ps(d2_align,d2_SSE);
2447
2448     return d2_align[0] + d2_align[1] + d2_align[2];
2449 #else
2450     /* SSE4.1 dot product of components 0,1,2 */
2451     d2_SSE    = _mm_dp_ps(dm0_SSE,dm0_SSE,0x71);
2452
2453     _mm_store_ss(&d2,d2_SSE);
2454
2455     return d2;
2456 #endif
2457 }
2458
2459 /* Calculate bb bounding distances of bb_i[si,...,si+3] and store them in d2 */
2460 #define SUBC_BB_DIST2_SSE_XXXX_INNER(si,bb_i,d2) \
2461 {                                                \
2462     int    shi;                                  \
2463                                                  \
2464     __m128 dx_0,dy_0,dz_0;                       \
2465     __m128 dx_1,dy_1,dz_1;                       \
2466                                                  \
2467     __m128 mx,my,mz;                             \
2468     __m128 m0x,m0y,m0z;                          \
2469                                                  \
2470     __m128 d2x,d2y,d2z;                          \
2471     __m128 d2s,d2t;                              \
2472                                                  \
2473     shi = si*NNBSBB_D*DIM;                       \
2474                                                  \
2475     xi_l = _mm_load_ps(bb_i+shi+0*STRIDE_8BB);   \
2476     yi_l = _mm_load_ps(bb_i+shi+1*STRIDE_8BB);   \
2477     zi_l = _mm_load_ps(bb_i+shi+2*STRIDE_8BB);   \
2478     xi_h = _mm_load_ps(bb_i+shi+3*STRIDE_8BB);   \
2479     yi_h = _mm_load_ps(bb_i+shi+4*STRIDE_8BB);   \
2480     zi_h = _mm_load_ps(bb_i+shi+5*STRIDE_8BB);   \
2481                                                  \
2482     dx_0 = _mm_sub_ps(xi_l,xj_h);                \
2483     dy_0 = _mm_sub_ps(yi_l,yj_h);                \
2484     dz_0 = _mm_sub_ps(zi_l,zj_h);                \
2485                                                  \
2486     dx_1 = _mm_sub_ps(xj_l,xi_h);                \
2487     dy_1 = _mm_sub_ps(yj_l,yi_h);                \
2488     dz_1 = _mm_sub_ps(zj_l,zi_h);                \
2489                                                  \
2490     mx   = _mm_max_ps(dx_0,dx_1);                \
2491     my   = _mm_max_ps(dy_0,dy_1);                \
2492     mz   = _mm_max_ps(dz_0,dz_1);                \
2493                                                  \
2494     m0x  = _mm_max_ps(mx,zero);                  \
2495     m0y  = _mm_max_ps(my,zero);                  \
2496     m0z  = _mm_max_ps(mz,zero);                  \
2497                                                  \
2498     d2x  = _mm_mul_ps(m0x,m0x);                  \
2499     d2y  = _mm_mul_ps(m0y,m0y);                  \
2500     d2z  = _mm_mul_ps(m0z,m0z);                  \
2501                                                  \
2502     d2s  = _mm_add_ps(d2x,d2y);                  \
2503     d2t  = _mm_add_ps(d2s,d2z);                  \
2504                                                  \
2505     _mm_store_ps(d2+si,d2t);                     \
2506 }
2507
2508 /* SSE code for nsi bb distances for bb format xxxxyyyyzzzz */
2509 static void subc_bb_dist2_sse_xxxx(const float *bb_j,
2510                                    int nsi,const float *bb_i,
2511                                    float *d2)
2512 {
2513     __m128 xj_l,yj_l,zj_l;
2514     __m128 xj_h,yj_h,zj_h;
2515     __m128 xi_l,yi_l,zi_l;
2516     __m128 xi_h,yi_h,zi_h;
2517
2518     __m128 zero;
2519
2520     zero = _mm_setzero_ps();
2521
2522     xj_l = _mm_set1_ps(bb_j[0*STRIDE_8BB]);
2523     yj_l = _mm_set1_ps(bb_j[1*STRIDE_8BB]);
2524     zj_l = _mm_set1_ps(bb_j[2*STRIDE_8BB]);
2525     xj_h = _mm_set1_ps(bb_j[3*STRIDE_8BB]);
2526     yj_h = _mm_set1_ps(bb_j[4*STRIDE_8BB]);
2527     zj_h = _mm_set1_ps(bb_j[5*STRIDE_8BB]);
2528
2529     /* Here we "loop" over si (0,STRIDE_8BB) from 0 to nsi with step STRIDE_8BB.
2530      * But as we know the number of iterations is 1 or 2, we unroll manually.
2531      */
2532     SUBC_BB_DIST2_SSE_XXXX_INNER(0,bb_i,d2);
2533     if (STRIDE_8BB < nsi)
2534     {
2535         SUBC_BB_DIST2_SSE_XXXX_INNER(STRIDE_8BB,bb_i,d2);
2536     }
2537 }
2538
2539 #endif /* NBNXN_SEARCH_SSE */
2540
2541 /* Plain C function which determines if any atom pair between two cells
2542  * is within distance sqrt(rl2).
2543  */
2544 static gmx_bool subc_in_range_x(int na_c,
2545                                 int si,const real *x_i,
2546                                 int csj,int stride,const real *x_j,
2547                                 real rl2)
2548 {
2549     int  i,j,i0,j0;
2550     real d2;
2551
2552     for(i=0; i<na_c; i++)
2553     {
2554         i0 = (si*na_c + i)*DIM;
2555         for(j=0; j<na_c; j++)
2556         {
2557             j0 = (csj*na_c + j)*stride;
2558
2559             d2 = sqr(x_i[i0  ] - x_j[j0  ]) +
2560                  sqr(x_i[i0+1] - x_j[j0+1]) +
2561                  sqr(x_i[i0+2] - x_j[j0+2]);
2562
2563             if (d2 < rl2)
2564             {
2565                 return TRUE;
2566             }
2567         }
2568     }
2569
2570     return FALSE;
2571 }
2572
2573 /* SSE function which determines if any atom pair between two cells,
2574  * both with 8 atoms, is within distance sqrt(rl2).
2575  */
2576 static gmx_bool subc_in_range_sse8(int na_c,
2577                                    int si,const real *x_i,
2578                                    int csj,int stride,const real *x_j,
2579                                    real rl2)
2580 {
2581 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE_SINGLE
2582     __m128 ix_SSE0,iy_SSE0,iz_SSE0;
2583     __m128 ix_SSE1,iy_SSE1,iz_SSE1;
2584
2585     __m128 rc2_SSE;
2586
2587     int na_c_sse;
2588     int j0,j1;
2589
2590     rc2_SSE   = _mm_set1_ps(rl2);
2591
2592     na_c_sse = NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/STRIDE_8BB;
2593     ix_SSE0 = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+0)*STRIDE_8BB);
2594     iy_SSE0 = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+1)*STRIDE_8BB);
2595     iz_SSE0 = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+2)*STRIDE_8BB);
2596     ix_SSE1 = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+3)*STRIDE_8BB);
2597     iy_SSE1 = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+4)*STRIDE_8BB);
2598     iz_SSE1 = _mm_load_ps(x_i+(si*na_c_sse*DIM+5)*STRIDE_8BB);
2599
2600     /* We loop from the outer to the inner particles to maximize
2601      * the chance that we find a pair in range quickly and return.
2602      */
2603     j0 = csj*na_c;
2604     j1 = j0 + na_c - 1;
2605     while (j0 < j1)
2606     {
2607         __m128 jx0_SSE,jy0_SSE,jz0_SSE;
2608         __m128 jx1_SSE,jy1_SSE,jz1_SSE;
2609
2610         __m128 dx_SSE0,dy_SSE0,dz_SSE0;
2611         __m128 dx_SSE1,dy_SSE1,dz_SSE1;
2612         __m128 dx_SSE2,dy_SSE2,dz_SSE2;
2613         __m128 dx_SSE3,dy_SSE3,dz_SSE3;
2614
2615         __m128 rsq_SSE0;
2616         __m128 rsq_SSE1;
2617         __m128 rsq_SSE2;
2618         __m128 rsq_SSE3;
2619
2620         __m128 wco_SSE0;
2621         __m128 wco_SSE1;
2622         __m128 wco_SSE2;
2623         __m128 wco_SSE3;
2624         __m128 wco_any_SSE01,wco_any_SSE23,wco_any_SSE;
2625
2626         jx0_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j0*stride+0);
2627         jy0_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j0*stride+1);
2628         jz0_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j0*stride+2);
2629
2630         jx1_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j1*stride+0);
2631         jy1_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j1*stride+1);
2632         jz1_SSE = _mm_load1_ps(x_j+j1*stride+2);
2633
2634         /* Calculate distance */
2635         dx_SSE0            = _mm_sub_ps(ix_SSE0,jx0_SSE);
2636         dy_SSE0            = _mm_sub_ps(iy_SSE0,jy0_SSE);
2637         dz_SSE0            = _mm_sub_ps(iz_SSE0,jz0_SSE);
2638         dx_SSE1            = _mm_sub_ps(ix_SSE1,jx0_SSE);
2639         dy_SSE1            = _mm_sub_ps(iy_SSE1,jy0_SSE);
2640         dz_SSE1            = _mm_sub_ps(iz_SSE1,jz0_SSE);
2641         dx_SSE2            = _mm_sub_ps(ix_SSE0,jx1_SSE);
2642         dy_SSE2            = _mm_sub_ps(iy_SSE0,jy1_SSE);
2643         dz_SSE2            = _mm_sub_ps(iz_SSE0,jz1_SSE);
2644         dx_SSE3            = _mm_sub_ps(ix_SSE1,jx1_SSE);
2645         dy_SSE3            = _mm_sub_ps(iy_SSE1,jy1_SSE);
2646         dz_SSE3            = _mm_sub_ps(iz_SSE1,jz1_SSE);
2647
2648         /* rsq = dx*dx+dy*dy+dz*dz */
2649         rsq_SSE0           = gmx_mm_calc_rsq_ps(dx_SSE0,dy_SSE0,dz_SSE0);
2650         rsq_SSE1           = gmx_mm_calc_rsq_ps(dx_SSE1,dy_SSE1,dz_SSE1);
2651         rsq_SSE2           = gmx_mm_calc_rsq_ps(dx_SSE2,dy_SSE2,dz_SSE2);
2652         rsq_SSE3           = gmx_mm_calc_rsq_ps(dx_SSE3,dy_SSE3,dz_SSE3);
2653
2654         wco_SSE0           = _mm_cmplt_ps(rsq_SSE0,rc2_SSE);
2655         wco_SSE1           = _mm_cmplt_ps(rsq_SSE1,rc2_SSE);
2656         wco_SSE2           = _mm_cmplt_ps(rsq_SSE2,rc2_SSE);
2657         wco_SSE3           = _mm_cmplt_ps(rsq_SSE3,rc2_SSE);
2658
2659         wco_any_SSE01      = _mm_or_ps(wco_SSE0,wco_SSE1);
2660         wco_any_SSE23      = _mm_or_ps(wco_SSE2,wco_SSE3);
2661         wco_any_SSE        = _mm_or_ps(wco_any_SSE01,wco_any_SSE23);
2662
2663         if (_mm_movemask_ps(wco_any_SSE))
2664         {
2665             return TRUE;
2666         }
2667
2668         j0++;
2669         j1--;
2670     }
2671     return FALSE;
2672
2673 #else
2674     /* No SSE */
2675     gmx_incons("SSE function called without SSE support");
2676
2677     return TRUE;
2678 #endif
2679 }
2680
2681 /* Returns the j sub-cell for index cj_ind */
2682 static int nbl_cj(const nbnxn_pairlist_t *nbl,int cj_ind)
2683 {
2684     return nbl->cj4[cj_ind>>2].cj[cj_ind & 3];
2685 }
2686
2687 /* Returns the i-interaction mask of the j sub-cell for index cj_ind */
2688 static unsigned nbl_imask0(const nbnxn_pairlist_t *nbl,int cj_ind)
2689 {
2690     return nbl->cj4[cj_ind>>2].imei[0].imask;
2691 }
2692
2693 /* Ensures there is enough space for extra extra exclusion masks */
2694 static void check_excl_space(nbnxn_pairlist_t *nbl,int extra)
2695 {
2696     if (nbl->nexcl+extra > nbl->excl_nalloc)
2697     {
2698         nbl->excl_nalloc = over_alloc_small(nbl->nexcl+extra);
2699         nb_realloc_void((void **)&nbl->excl,
2700                         nbl->nexcl*sizeof(*nbl->excl),
2701                         nbl->excl_nalloc*sizeof(*nbl->excl),
2702                         nbl->alloc,nbl->free);
2703     }
2704 }
2705
2706 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-cells in the list */
2707 static void check_subcell_list_space_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2708                                             int ncell)
2709 {
2710     int cj_max;
2711
2712     cj_max = nbl->ncj + ncell;
2713
2714     if (cj_max > nbl->cj_nalloc)
2715     {
2716         nbl->cj_nalloc = over_alloc_small(cj_max);
2717         nb_realloc_void((void **)&nbl->cj,
2718                         nbl->ncj*sizeof(*nbl->cj),
2719                         nbl->cj_nalloc*sizeof(*nbl->cj),
2720                         nbl->alloc,nbl->free);
2721     }
2722 }
2723
2724 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-subcells in the list */
2725 static void check_subcell_list_space_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2726                                               int nsupercell)
2727 {
2728     int ncj4_max,j4,j,w,t;
2729
2730 #define NWARP       2
2731 #define WARP_SIZE  32
2732
2733     /* We can have maximally nsupercell*GPU_NSUBCELL sj lists */
2734     /* We can store 4 j-subcell - i-supercell pairs in one struct.
2735      * since we round down, we need one extra entry.
2736      */
2737     ncj4_max = ((nbl->work->cj_ind + nsupercell*GPU_NSUBCELL + 4-1) >> 2);
2738
2739     if (ncj4_max > nbl->cj4_nalloc)
2740     {
2741         nbl->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4_max);
2742         nb_realloc_void((void **)&nbl->cj4,
2743                         nbl->work->cj4_init*sizeof(*nbl->cj4),
2744                         nbl->cj4_nalloc*sizeof(*nbl->cj4),
2745                         nbl->alloc,nbl->free);
2746     }
2747
2748     if (ncj4_max > nbl->work->cj4_init)
2749     {
2750         for(j4=nbl->work->cj4_init; j4<ncj4_max; j4++)
2751         {
2752             /* No i-subcells and no excl's in the list initially */
2753             for(w=0; w<NWARP; w++)
2754             {
2755                 nbl->cj4[j4].imei[w].imask    = 0U;
2756                 nbl->cj4[j4].imei[w].excl_ind = 0;
2757
2758             }
2759         }
2760         nbl->work->cj4_init = ncj4_max;
2761     }
2762 }
2763
2764 /* Default nbnxn allocation routine, allocates 32 byte aligned,
2765  * which works for plain C and aligned SSE and AVX loads/stores.
2766  */
2767 static void nbnxn_alloc_aligned(void **ptr,size_t nbytes)
2768 {
2769     *ptr = save_malloc_aligned("ptr",__FILE__,__LINE__,nbytes,1,32);
2770 }
2771
2772 /* Free function for memory allocated with nbnxn_alloc_aligned */
2773 static void nbnxn_free_aligned(void *ptr)
2774 {
2775     sfree_aligned(ptr);
2776 }
2777
2778 /* Set all excl masks for one GPU warp no exclusions */
2779 static void set_no_excls(nbnxn_excl_t *excl)
2780 {
2781     int t;
2782
2783     for(t=0; t<WARP_SIZE; t++)
2784     {
2785         /* Turn all interaction bits on */
2786         excl->pair[t] = NBNXN_INT_MASK_ALL;
2787     }
2788 }
2789
2790 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
2791 static void nbnxn_init_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2792                                 gmx_bool bSimple,
2793                                 gmx_nbat_alloc_t *alloc,
2794                                 gmx_nbat_free_t  *free)
2795 {
2796     if (alloc == NULL)
2797     {
2798         nbl->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
2799     }
2800     else
2801     {
2802         nbl->alloc = alloc;
2803     }
2804     if (free == NULL)
2805     {
2806         nbl->free = nbnxn_free_aligned;
2807     }
2808     else
2809     {
2810         nbl->free = free;
2811     }
2812
2813     nbl->bSimple     = bSimple;
2814     nbl->na_sc       = 0;
2815     nbl->na_ci       = 0;
2816     nbl->na_cj       = 0;
2817     nbl->nci         = 0;
2818     nbl->ci          = NULL;
2819     nbl->ci_nalloc   = 0;
2820     nbl->ncj         = 0;
2821     nbl->cj          = NULL;
2822     nbl->cj_nalloc   = 0;
2823     nbl->ncj4        = 0;
2824     /* We need one element extra in sj, so alloc initially with 1 */
2825     nbl->cj4_nalloc  = 0;
2826     nbl->cj4         = NULL;
2827     nbl->nci_tot     = 0;
2828
2829     if (!nbl->bSimple)
2830     {
2831         nbl->excl        = NULL;
2832         nbl->excl_nalloc = 0;
2833         nbl->nexcl       = 0;
2834         check_excl_space(nbl,1);
2835         nbl->nexcl       = 1;
2836         set_no_excls(&nbl->excl[0]);
2837     }
2838
2839     snew(nbl->work,1);
2840 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2841     snew_aligned(nbl->work->bb_ci,GPU_NSUBCELL/STRIDE_8BB*NNBSBB_XXXX,16);
2842 #else
2843     snew_aligned(nbl->work->bb_ci,GPU_NSUBCELL*NNBSBB_B,16);
2844 #endif
2845     snew_aligned(nbl->work->x_ci,NBNXN_NA_SC_MAX*DIM,16);
2846 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
2847     snew_aligned(nbl->work->x_ci_x86_simd128,1,16);
2848 #ifdef GMX_X86_AVX_256
2849     snew_aligned(nbl->work->x_ci_x86_simd256,1,32);
2850 #endif
2851 #endif
2852     snew_aligned(nbl->work->d2,GPU_NSUBCELL,16);
2853 }
2854
2855 void nbnxn_init_pairlist_set(nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
2856                              gmx_bool bSimple, gmx_bool bCombined,
2857                              gmx_nbat_alloc_t *alloc,
2858                              gmx_nbat_free_t  *free)
2859 {
2860     int i;
2861
2862     nbl_list->bSimple   = bSimple;
2863     nbl_list->bCombined = bCombined;
2864
2865     nbl_list->nnbl = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
2866
2867     snew(nbl_list->nbl,nbl_list->nnbl);
2868     /* Execute in order to avoid memory interleaving between threads */
2869 #pragma omp parallel for num_threads(nbl_list->nnbl) schedule(static)
2870     for(i=0; i<nbl_list->nnbl; i++)
2871     {
2872         /* Allocate the nblist data structure locally on each thread
2873          * to optimize memory access for NUMA architectures.
2874          */
2875         snew(nbl_list->nbl[i],1);
2876
2877         /* Only list 0 is used on the GPU, use normal allocation for i>0 */
2878         if (i == 0)
2879         {
2880             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i],nbl_list->bSimple,alloc,free);
2881         }
2882         else
2883         {
2884             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i],nbl_list->bSimple,NULL,NULL);
2885         }
2886     }
2887 }
2888
2889 /* Print statistics of a pair list, used for debug output */
2890 static void print_nblist_statistics_simple(FILE *fp,const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2891                                            const nbnxn_search_t nbs,real rl)
2892 {
2893     const nbnxn_grid_t *grid;
2894     int cs[SHIFTS];
2895     int s,i,j;
2896     int npexcl;
2897
2898     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2899     grid = &nbs->grid[0];
2900
2901     fprintf(fp,"nbl nci %d ncj %d\n",
2902             nbl->nci,nbl->ncj);
2903     fprintf(fp,"nbl na_sc %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2904             nbl->na_sc,rl,nbl->ncj,nbl->ncj/(double)grid->nc,
2905             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc,
2906             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)));
2907
2908     fprintf(fp,"nbl average j cell list length %.1f\n",
2909             0.25*nbl->ncj/(double)nbl->nci);
2910
2911     for(s=0; s<SHIFTS; s++)
2912     {
2913         cs[s] = 0;
2914     }
2915     npexcl = 0;
2916     for(i=0; i<nbl->nci; i++)
2917     {
2918         cs[nbl->ci[i].shift & NBNXN_CI_SHIFT] +=
2919             nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start;
2920
2921         j = nbl->ci[i].cj_ind_start;
2922         while (j < nbl->ci[i].cj_ind_end &&
2923                nbl->cj[j].excl != NBNXN_INT_MASK_ALL)
2924         {
2925             npexcl++;
2926             j++;
2927         }
2928     }
2929     fprintf(fp,"nbl cell pairs, total: %d excl: %d %.1f%%\n",
2930             nbl->ncj,npexcl,100*npexcl/(double)nbl->ncj);
2931     for(s=0; s<SHIFTS; s++)
2932     {
2933         if (cs[s] > 0)
2934         {
2935             fprintf(fp,"nbl shift %2d ncj %3d\n",s,cs[s]);
2936         }
2937     }
2938 }
2939
2940 /* Print statistics of a pair lists, used for debug output */
2941 static void print_nblist_statistics_supersub(FILE *fp,const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2942                                              const nbnxn_search_t nbs,real rl)
2943 {
2944     const nbnxn_grid_t *grid;
2945     int i,j4,j,si,b;
2946     int c[GPU_NSUBCELL+1];
2947
2948     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2949     grid = &nbs->grid[0];
2950
2951     fprintf(fp,"nbl nsci %d ncj4 %d nsi %d excl4 %d\n",
2952             nbl->nsci,nbl->ncj4,nbl->nci_tot,nbl->nexcl);
2953     fprintf(fp,"nbl na_c %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2954             nbl->na_ci,rl,nbl->nci_tot,nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot,
2955             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c,
2956             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)));
2957
2958     fprintf(fp,"nbl average j super cell list length %.1f\n",
2959             0.25*nbl->ncj4/(double)nbl->nsci);
2960     fprintf(fp,"nbl average i sub cell list length %.1f\n",
2961             nbl->nci_tot/(0.25*nbl->ncj4));
2962
2963     for(si=0; si<=GPU_NSUBCELL; si++)
2964     {
2965         c[si] = 0;
2966     }
2967     for(i=0; i<nbl->nsci; i++)
2968     {
2969         for(j4=nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4<nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
2970         {
2971             for(j=0; j<4; j++)
2972             {
2973                 b = 0;
2974                 for(si=0; si<GPU_NSUBCELL; si++)
2975                 {
2976                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
2977                     {
2978                         b++;
2979                     }
2980                 }
2981                 c[b]++;
2982             }
2983         }
2984     }
2985     for(b=0; b<=GPU_NSUBCELL; b++)
2986     {
2987         fprintf(fp,"nbl j-list #i-subcell %d %7d %4.1f\n",
2988                 b,c[b],100.0*c[b]/(double)(nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE));
2989     }
2990 }
2991
2992 /* Print the full pair list, used for debug output */
2993 static void print_supersub_nsp(const char *fn,
2994                                const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2995                                int iloc)
2996 {
2997     char buf[STRLEN];
2998     FILE *fp;
2999     int i,nsp,j4,p;
3000
3001     sprintf(buf,"%s_%s.xvg",fn,NONLOCAL_I(iloc) ? "nl" : "l");
3002     fp = ffopen(buf,"w");
3003
3004     for(i=0; i<nbl->nci; i++)
3005     {
3006         nsp = 0;
3007         for(j4=nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4<nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
3008         {
3009             for(p=0; p<NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE*GPU_NSUBCELL; p++)
3010             {
3011                 nsp += (nbl->cj4[j4].imei[0].imask >> p) & 1;
3012             }
3013         }
3014         fprintf(fp,"%4d %3d %3d\n",
3015                 i,
3016                 nsp,
3017                 nbl->sci[i].cj4_ind_end-nbl->sci[i].cj4_ind_start);
3018     }
3019
3020     fclose(fp);
3021 }
3022
3023 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp */
3024 static void low_get_nbl_exclusions(nbnxn_pairlist_t *nbl,int cj4,
3025                                    int warp,nbnxn_excl_t **excl)
3026 {
3027     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
3028     {
3029         /* No exclusions set, make a new list entry */
3030         nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind = nbl->nexcl;
3031         nbl->nexcl++;
3032         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
3033         set_no_excls(*excl);
3034     }
3035     else
3036     {
3037         /* We already have some exclusions, new ones can be added to the list */
3038         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
3039     }
3040 }
3041
3042 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp,
3043  * allocates extra memory, if necessary.
3044  */
3045 static void get_nbl_exclusions_1(nbnxn_pairlist_t *nbl,int cj4,
3046                                  int warp,nbnxn_excl_t **excl)
3047 {
3048     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
3049     {
3050         /* We need to make a new list entry, check if we have space */
3051         check_excl_space(nbl,1);
3052     }
3053     low_get_nbl_exclusions(nbl,cj4,warp,excl);
3054 }
3055
3056 /* Returns pointers to the exclusion mask for cj4-unit cj4 for both warps,
3057  * allocates extra memory, if necessary.
3058  */
3059 static void get_nbl_exclusions_2(nbnxn_pairlist_t *nbl,int cj4,
3060                                  nbnxn_excl_t **excl_w0,
3061                                  nbnxn_excl_t **excl_w1)
3062 {
3063     /* Check for space we might need */
3064     check_excl_space(nbl,2);
3065
3066     low_get_nbl_exclusions(nbl,cj4,0,excl_w0);
3067     low_get_nbl_exclusions(nbl,cj4,1,excl_w1);
3068 }
3069
3070 /* Sets the self exclusions i=j and pair exclusions i>j */
3071 static void set_self_and_newton_excls_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3072                                                int cj4_ind,int sj_offset,
3073                                                int si)
3074 {
3075     nbnxn_excl_t *excl[2];
3076     int  ei,ej,w;
3077
3078     /* Here we only set the set self and double pair exclusions */
3079
3080     get_nbl_exclusions_2(nbl,cj4_ind,&excl[0],&excl[1]);
3081
3082     /* Only minor < major bits set */
3083     for(ej=0; ej<nbl->na_ci; ej++)
3084     {
3085         w = (ej>>2);
3086         for(ei=ej; ei<nbl->na_ci; ei++)
3087         {
3088             excl[w]->pair[(ej&(4-1))*nbl->na_ci+ei] &=
3089                 ~(1U << (sj_offset*GPU_NSUBCELL+si));
3090         }
3091     }
3092 }
3093
3094 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for plain C lists */
3095 static unsigned int get_imask(gmx_bool rdiag,int ci,int cj)
3096 {
3097     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INT_MASK_DIAG : NBNXN_INT_MASK_ALL);
3098 }
3099
3100 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
3101 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for SIMD128 lists */
3102 static unsigned int get_imask_x86_simd128(gmx_bool rdiag,int ci,int cj)
3103 {
3104 #ifndef GMX_DOUBLE /* cj-size = 4 */
3105     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INT_MASK_DIAG : NBNXN_INT_MASK_ALL);
3106 #else              /* cj-size = 2 */
3107     return (rdiag && ci*2 == cj ? NBNXN_INT_MASK_DIAG_J2_0 :
3108             (rdiag && ci*2+1 == cj ? NBNXN_INT_MASK_DIAG_J2_1 :
3109              NBNXN_INT_MASK_ALL));
3110 #endif
3111 }
3112
3113 #ifdef GMX_X86_AVX_256
3114 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for SIMD256 lists */
3115 static unsigned int get_imask_x86_simd256(gmx_bool rdiag,int ci,int cj)
3116 {
3117 #ifndef GMX_DOUBLE /* cj-size = 8 */
3118     return (rdiag && ci == cj*2 ? NBNXN_INT_MASK_DIAG_J8_0 :
3119             (rdiag && ci == cj*2+1 ? NBNXN_INT_MASK_DIAG_J8_1 :
3120              NBNXN_INT_MASK_ALL));
3121 #else              /* cj-size = 2 */
3122     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INT_MASK_DIAG : NBNXN_INT_MASK_ALL);
3123 #endif
3124 }
3125 #endif
3126 #endif /* NBNXN_SEARCH_SSE */
3127
3128 /* Plain C code for making a pair list of cell ci vs cell cjf-cjl.
3129  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
3130  */
3131 static void make_cluster_list_simple(const nbnxn_grid_t *gridj,
3132                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
3133                                      int ci,int cjf,int cjl,
3134                                      gmx_bool remove_sub_diag,
3135                                      const real *x_j,
3136                                      real rl2,float rbb2,
3137                                      int *ndistc)
3138 {
3139     const nbnxn_list_work_t *work;
3140
3141     const float *bb_ci;
3142     const real  *x_ci;
3143
3144     gmx_bool   InRange;
3145     real       d2;
3146     int        cjf_gl,cjl_gl,cj;
3147
3148     work = nbl->work;
3149
3150     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
3151     x_ci  = nbl->work->x_ci;
3152
3153     InRange = FALSE;
3154     while (!InRange && cjf <= cjl)
3155     {
3156         d2 = subc_bb_dist2(0,bb_ci,cjf,gridj->bb);
3157         *ndistc += 2;
3158
3159         /* Check if the distance is within the distance where
3160          * we use only the bounding box distance rbb,
3161          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
3162          * within the cut-off.
3163          */
3164         if (d2 < rbb2)
3165         {
3166             InRange = TRUE;
3167         }
3168         else if (d2 < rl2)
3169         {
3170             int i,j;
3171
3172             cjf_gl = gridj->cell0 + cjf;
3173             for(i=0; i<NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
3174             {
3175                 for(j=0; j<NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
3176                 {
3177                     InRange = InRange ||
3178                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
3179                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
3180                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
3181                 }
3182             }
3183             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
3184         }
3185         if (!InRange)
3186         {
3187             cjf++;
3188         }
3189     }
3190     if (!InRange)
3191     {
3192         return;
3193     }
3194
3195     InRange = FALSE;
3196     while (!InRange && cjl > cjf)
3197     {
3198         d2 = subc_bb_dist2(0,bb_ci,cjl,gridj->bb);
3199         *ndistc += 2;
3200
3201         /* Check if the distance is within the distance where
3202          * we use only the bounding box distance rbb,
3203          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
3204          * within the cut-off.
3205          */
3206         if (d2 < rbb2)
3207         {
3208             InRange = TRUE;
3209         }
3210         else if (d2 < rl2)
3211         {
3212             int i,j;
3213
3214             cjl_gl = gridj->cell0 + cjl;
3215             for(i=0; i<NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
3216             {
3217                 for(j=0; j<NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
3218                 {
3219                     InRange = InRange ||
3220                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
3221                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
3222                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
3223                 }
3224             }
3225             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
3226         }
3227         if (!InRange)
3228         {
3229             cjl--;
3230         }
3231     }
3232
3233     if (cjf <= cjl)
3234     {
3235         for(cj=cjf; cj<=cjl; cj++)
3236         {
3237             /* Store cj and the interaction mask */
3238             nbl->cj[nbl->ncj].cj   = gridj->cell0 + cj;
3239             nbl->cj[nbl->ncj].excl = get_imask(remove_sub_diag,ci,cj);
3240             nbl->ncj++;
3241         }
3242         /* Increase the closing index in i super-cell list */
3243         nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end = nbl->ncj;
3244     }
3245 }
3246
3247 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
3248 /* Include make_cluster_list_x86_simd128/256 */
3249 #define GMX_MM128_HERE
3250 #include "gmx_x86_simd_macros.h"
3251 #define STRIDE_S  PACK_X4
3252 #include "nbnxn_search_x86_simd.h"
3253 #undef STRIDE_S
3254 #undef GMX_MM128_HERE
3255 #ifdef GMX_X86_AVX_256
3256 /* Include make_cluster_list_x86_simd128/256 */
3257 #define GMX_MM256_HERE
3258 #include "gmx_x86_simd_macros.h"
3259 #define STRIDE_S  GMX_X86_SIMD_WIDTH_HERE
3260 #include "nbnxn_search_x86_simd.h"
3261 #undef STRIDE_S
3262 #undef GMX_MM256_HERE
3263 #endif
3264 #endif
3265
3266 /* Plain C or SSE code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
3267  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
3268  */
3269 static void make_cluster_list_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
3270                                        const nbnxn_grid_t *gridi,
3271                                        const nbnxn_grid_t *gridj,
3272                                        nbnxn_pairlist_t *nbl,
3273                                        int sci,int scj,
3274                                        gmx_bool sci_equals_scj,
3275                                        int stride,const real *x,
3276                                        real rl2,float rbb2,
3277                                        int *ndistc)
3278 {
3279     int  na_c;
3280     int  npair;
3281     int  cjo,ci1,ci,cj,cj_gl;
3282     int  cj4_ind,cj_offset;
3283     unsigned imask;
3284     nbnxn_cj4_t *cj4;
3285     const float *bb_ci;
3286     const real *x_ci;
3287     float *d2l,d2;
3288     int  w;
3289 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE
3290 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3291     int  ci_last=-1;
3292 #endif
3293
3294     d2l = nbl->work->d2;
3295
3296     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
3297     x_ci  = nbl->work->x_ci;
3298
3299     na_c = gridj->na_c;
3300
3301     for(cjo=0; cjo<gridj->nsubc[scj]; cjo++)
3302     {
3303         cj4_ind   = (nbl->work->cj_ind >> 2);
3304         cj_offset = nbl->work->cj_ind - cj4_ind*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3305         cj4       = &nbl->cj4[cj4_ind];
3306
3307         cj = scj*GPU_NSUBCELL + cjo;
3308
3309         cj_gl = gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cj;
3310
3311         /* Initialize this j-subcell i-subcell list */
3312         cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
3313         imask              = 0;
3314
3315         if (sci_equals_scj)
3316         {
3317             ci1 = cjo + 1;
3318         }
3319         else
3320         {
3321             ci1 = gridi->nsubc[sci];
3322         }
3323
3324 #ifdef NBNXN_BBXXXX
3325         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SSE */
3326         subc_bb_dist2_sse_xxxx(gridj->bb+(cj>>STRIDE_8BB_2LOG)*NNBSBB_XXXX+(cj & (STRIDE_8BB-1)),
3327                                ci1,bb_ci,d2l);
3328         *ndistc += na_c*2;
3329 #endif
3330
3331         npair = 0;
3332         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
3333         for(ci=0; ci<GPU_NSUBCELL; ci++)
3334         {
3335             if (ci == ci1)
3336             {
3337                 break;
3338             }
3339
3340 #ifndef NBNXN_BBXXXX
3341             /* Determine the bb distance between ci and cj */
3342             d2l[ci] = subc_bb_dist2(ci,bb_ci,cj,gridj->bb);
3343             *ndistc += 2;
3344 #endif
3345             d2 = d2l[ci];
3346
3347 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ALL
3348             /* Check if the distance is within the distance where
3349              * we use only the bounding box distance rbb,
3350              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
3351              * within the cut-off. This check is very costly.
3352              */
3353             *ndistc += na_c*na_c;
3354             if (d2 < rbb2 ||
3355                 (d2 < rl2 && subc_in_range_x(na_c,ci,x_ci,cj_gl,stride,x,rl2)))
3356 #else
3357             /* Check if the distance between the two bounding boxes
3358              * in within the pair-list cut-off.
3359              */
3360             if (d2 < rl2)
3361 #endif
3362             {
3363                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
3364                 imask |= (1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci));
3365
3366 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3367                 ci_last = ci;
3368 #endif
3369
3370                 npair++;
3371             }
3372         }
3373
3374 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3375         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
3376          * within the cut-off, so we could get rid of it.
3377          */
3378         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2)
3379         {
3380             /* Avoid using function pointers here, as it's slower */
3381             if (
3382 #ifdef NBNXN_8BB_SSE
3383                 !subc_in_range_sse8
3384 #else
3385                 !subc_in_range_x
3386 #endif
3387                                 (na_c,ci_last,x_ci,cj_gl,stride,x,rl2))
3388             {
3389                 imask &= ~(1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci_last));
3390                 npair--;
3391             }
3392         }
3393 #endif
3394
3395         if (npair > 0)
3396         {
3397             /* We have a useful sj entry, close it now */
3398
3399             /* Set the exclucions for the ci== sj entry.
3400              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
3401              * as it will nearly always be in the list.
3402              */
3403             if (sci_equals_scj)
3404             {
3405                 set_self_and_newton_excls_supersub(nbl,cj4_ind,cj_offset,cjo);
3406             }
3407
3408             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
3409             for(w=0; w<NWARP; w++)
3410             {
3411                 cj4->imei[w].imask |= imask;
3412             }
3413
3414             nbl->work->cj_ind++;
3415
3416             /* Keep the count */
3417             nbl->nci_tot += npair;
3418
3419             /* Increase the closing index in i super-cell list */
3420             nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end = ((nbl->work->cj_ind+4-1)>>2);
3421         }
3422     }
3423 }
3424
3425 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3426  * as masks in the pair-list for simple list i-entry nbl_ci
3427  */
3428 static void set_ci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3429                              nbnxn_pairlist_t *nbl,
3430                              gmx_bool diagRemoved,
3431                              int na_ci_2log,
3432                              int na_cj_2log,
3433                              const nbnxn_ci_t *nbl_ci,
3434                              const t_blocka *excl)
3435 {
3436     const int *cell;
3437     int ci;
3438     int cj_ind_first,cj_ind_last;
3439     int cj_first,cj_last;
3440     int ndirect;
3441     int i,ai,aj,si,eind,ge,se;
3442     int found,cj_ind_0,cj_ind_1,cj_ind_m;
3443     int cj_m;
3444     gmx_bool Found_si;
3445     int si_ind;
3446     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3447     int inner_i,inner_e;
3448
3449     cell = nbs->cell;
3450
3451     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3452     {
3453         /* Empty list */
3454         return;
3455     }
3456
3457     ci = nbl_ci->ci;
3458
3459     cj_ind_first = nbl_ci->cj_ind_start;
3460     cj_ind_last  = nbl->ncj - 1;
3461
3462     cj_first = nbl->cj[cj_ind_first].cj;
3463     cj_last  = nbl->cj[cj_ind_last].cj;
3464
3465     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
3466      * from the first i-cell. This number can be used to directly
3467      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
3468      */
3469     ndirect = 0;
3470     if (na_ci_2log == na_cj_2log)
3471     {
3472         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3473                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci + ndirect)
3474         {
3475             ndirect++;
3476         }
3477     }
3478 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
3479     else
3480     {
3481         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3482                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci_to_cj(na_cj_2log,ci) + ndirect)
3483         {
3484             ndirect++;
3485         }
3486     }
3487 #endif
3488
3489     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3490     for(i=0; i<nbl->na_sc; i++)
3491     {
3492         ai = nbs->a[ci*nbl->na_sc+i];
3493         if (ai >= 0)
3494         {
3495             si  = (i>>na_ci_2log);
3496
3497             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3498             for(eind=excl->index[ai]; eind<excl->index[ai+1]; eind++)
3499             {
3500                 aj = excl->a[eind];
3501
3502                 if (aj == ai)
3503                 {
3504                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3505                     continue;
3506                 }
3507
3508                 ge = cell[aj];
3509
3510                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3511                  * for one-way pair-lists.
3512                  */
3513                 if (diagRemoved && ge <= ci*nbl->na_sc + i)
3514                 {
3515                     continue;
3516                 }
3517
3518                 se = (ge >> na_cj_2log);
3519
3520                 /* Could the cluster se be in our list? */
3521                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3522                 {
3523                     if (se < cj_first + ndirect)
3524                     {
3525                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3526                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3527                     }
3528                     else
3529                     {
3530                         /* Search for se using bisection */
3531                         found = -1;
3532                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3533                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3534                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3535                         {
3536                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3537
3538                             cj_m = nbl->cj[cj_ind_m].cj;
3539
3540                             if (se == cj_m)
3541                             {
3542                                 found = cj_ind_m;
3543                             }
3544                             else if (se < cj_m)
3545                             {
3546                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3547                             }
3548                             else
3549                             {
3550                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3551                             }
3552                         }
3553                     }
3554
3555                     if (found >= 0)
3556                     {
3557                         inner_i = i  - (si << na_ci_2log);
3558                         inner_e = ge - (se << na_cj_2log);
3559
3560                         nbl->cj[found].excl &= ~(1U<<((inner_i<<na_cj_2log) + inner_e));
3561                     }
3562                 }
3563             }
3564         }
3565     }
3566 }
3567
3568 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3569  * as masks in the pair-list for i-super-cell entry nbl_sci
3570  */
3571 static void set_sci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3572                               nbnxn_pairlist_t *nbl,
3573                               gmx_bool diagRemoved,
3574                               int na_c_2log,
3575                               const nbnxn_sci_t *nbl_sci,
3576                               const t_blocka *excl)
3577 {
3578     const int *cell;
3579     int na_c;
3580     int sci;
3581     int cj_ind_first,cj_ind_last;
3582     int cj_first,cj_last;
3583     int ndirect;
3584     int i,ai,aj,si,eind,ge,se;
3585     int found,cj_ind_0,cj_ind_1,cj_ind_m;
3586     int cj_m;
3587     gmx_bool Found_si;
3588     int si_ind;
3589     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3590     int inner_i,inner_e,w;
3591
3592     cell = nbs->cell;
3593
3594     na_c = nbl->na_ci;
3595
3596     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3597     {
3598         /* Empty list */
3599         return;
3600     }
3601
3602     sci = nbl_sci->sci;
3603
3604     cj_ind_first = nbl_sci->cj4_ind_start*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3605     cj_ind_last  = nbl->work->cj_ind - 1;
3606
3607     cj_first = nbl->cj4[nbl_sci->cj4_ind_start].cj[0];
3608     cj_last  = nbl_cj(nbl,cj_ind_last);
3609
3610     /* Determine how many contiguous j-clusters we have starting
3611      * from the first i-cluster. This number can be used to directly
3612      * calculate j-cluster indices for excluded atoms.
3613      */
3614     ndirect = 0;
3615     while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3616            nbl_cj(nbl,cj_ind_first+ndirect) == sci*GPU_NSUBCELL + ndirect)
3617     {
3618         ndirect++;
3619     }
3620
3621     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3622     for(i=0; i<nbl->na_sc; i++)
3623     {
3624         ai = nbs->a[sci*nbl->na_sc+i];
3625         if (ai >= 0)
3626         {
3627             si  = (i>>na_c_2log);
3628
3629             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3630             for(eind=excl->index[ai]; eind<excl->index[ai+1]; eind++)
3631             {
3632                 aj = excl->a[eind];
3633
3634                 if (aj == ai)
3635                 {
3636                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3637                     continue;
3638                 }
3639
3640                 ge = cell[aj];
3641
3642                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3643                  * for one-way pair-lists.
3644                  */
3645                 if (diagRemoved && ge <= sci*nbl->na_sc + i)
3646                 {
3647                     continue;
3648                 }
3649
3650                 se = ge>>na_c_2log;
3651                 /* Could the cluster se be in our list? */
3652                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3653                 {
3654                     if (se < cj_first + ndirect)
3655                     {
3656                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3657                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3658                     }
3659                     else
3660                     {
3661                         /* Search for se using bisection */
3662                         found = -1;
3663                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3664                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3665                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3666                         {
3667                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3668
3669                             cj_m = nbl_cj(nbl,cj_ind_m);
3670
3671                             if (se == cj_m)
3672                             {
3673                                 found = cj_ind_m;
3674                             }
3675                             else if (se < cj_m)
3676                             {
3677                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3678                             }
3679                             else
3680                             {
3681                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3682                             }
3683                         }
3684                     }
3685
3686                     if (found >= 0)
3687                     {
3688                         inner_i = i  - si*na_c;
3689                         inner_e = ge - se*na_c;
3690
3691 /* Macro for getting the index of atom a within a cluster */
3692 #define AMODI(a)  ((a) & (NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE - 1))
3693 /* Macro for converting an atom number to a cluster number */
3694 #define A2CI(a)   ((a) >> NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE_2LOG)
3695
3696                         if (nbl_imask0(nbl,found) & (1U << (AMODI(found)*GPU_NSUBCELL + si)))
3697                         {
3698                             w       = (inner_e >> 2);
3699
3700                             get_nbl_exclusions_1(nbl,A2CI(found),w,&nbl_excl);
3701
3702                             nbl_excl->pair[AMODI(inner_e)*nbl->na_ci+inner_i] &=
3703                                 ~(1U << (AMODI(found)*GPU_NSUBCELL + si));
3704                         }
3705
3706 #undef AMODI
3707 #undef A2CI
3708                     }
3709                 }
3710             }
3711         }
3712     }
3713 }
3714
3715 /* Reallocate the simple ci list for at least n entries */
3716 static void nb_realloc_ci(nbnxn_pairlist_t *nbl,int n)
3717 {
3718     nbl->ci_nalloc = over_alloc_small(n);
3719     nb_realloc_void((void **)&nbl->ci,
3720                     nbl->nci*sizeof(*nbl->ci),
3721                     nbl->ci_nalloc*sizeof(*nbl->ci),
3722                     nbl->alloc,nbl->free);
3723 }
3724
3725 /* Reallocate the super-cell sci list for at least n entries */
3726 static void nb_realloc_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl,int n)
3727 {
3728     nbl->sci_nalloc = over_alloc_small(n);
3729     nb_realloc_void((void **)&nbl->sci,
3730                     nbl->nsci*sizeof(*nbl->sci),
3731                     nbl->sci_nalloc*sizeof(*nbl->sci),
3732                     nbl->alloc,nbl->free);
3733 }
3734
3735 /* Make a new ci entry at index nbl->nci */
3736 static void new_ci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,int ci,int shift,int flags,
3737                          nbnxn_list_work_t *work)
3738 {
3739     if (nbl->nci + 1 > nbl->ci_nalloc)
3740     {
3741         nb_realloc_ci(nbl,nbl->nci+1);
3742     }
3743     nbl->ci[nbl->nci].ci            = ci;
3744     nbl->ci[nbl->nci].shift         = shift;
3745     /* Store the interaction flags along with the shift */
3746     nbl->ci[nbl->nci].shift        |= flags;
3747     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start  = nbl->ncj;
3748     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end    = nbl->ncj;
3749 }
3750
3751 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
3752 static void new_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,int sci,int shift,int flags,
3753                           nbnxn_list_work_t *work)
3754 {
3755     if (nbl->nsci + 1 > nbl->sci_nalloc)
3756     {
3757         nb_realloc_sci(nbl,nbl->nsci+1);
3758     }
3759     nbl->sci[nbl->nsci].sci           = sci;
3760     nbl->sci[nbl->nsci].shift         = shift;
3761     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start = nbl->ncj4;
3762     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end   = nbl->ncj4;
3763 }
3764
3765 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
3766  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
3767  */
3768 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t *cj,int ncj,
3769                          nbnxn_list_work_t *work)
3770 {
3771     int jnew,j;
3772
3773     if (ncj > work->cj_nalloc)
3774     {
3775         work->cj_nalloc = over_alloc_large(ncj);
3776         srenew(work->cj,work->cj_nalloc);
3777     }
3778
3779     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
3780     jnew = 0;
3781     for(j=0; j<ncj; j++)
3782     {
3783         if (cj[j].excl != NBNXN_INT_MASK_ALL)
3784         {
3785             work->cj[jnew++] = cj[j];
3786         }
3787     }
3788     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
3789     if (!((jnew == 0) ||
3790           (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INT_MASK_ALL)))
3791     {
3792         for(j=0; j<ncj; j++)
3793         {
3794             if (cj[j].excl == NBNXN_INT_MASK_ALL)
3795             {
3796                 work->cj[jnew++] = cj[j];
3797             }
3798         }
3799         for(j=0; j<ncj; j++)
3800         {
3801             cj[j] = work->cj[j];
3802         }
3803     }
3804 }
3805
3806 /* Close this simple list i entry */
3807 static void close_ci_entry_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3808 {
3809     int jlen;
3810
3811     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3812      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3813      */
3814     jlen = nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end - nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start;
3815     if (jlen > 0)
3816     {
3817         sort_cj_excl(nbl->cj+nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start,jlen,nbl->work);
3818
3819         if (nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0))
3820         {
3821             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
3822         }
3823         else if (!(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
3824         {
3825             nbl->work->ncj_noq += jlen;
3826         }
3827
3828         nbl->nci++;
3829     }
3830 }
3831
3832 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
3833  * As we only now the current count on our own thread,
3834  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
3835  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
3836  * both on nthread and our own thread index thread.
3837  */
3838 static void split_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3839                             int nsp_max_av,gmx_bool progBal,int nc_bal,
3840                             int thread,int nthread)
3841 {
3842     int nsci_est;
3843     int nsp_max;
3844     int cj4_start,cj4_end,j4len,cj4;
3845     int sci;
3846     int nsp,nsp_sci,nsp_cj4,nsp_cj4_e,nsp_cj4_p;
3847     int p;
3848
3849     /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
3850      * over all threads using the target number of ci's.
3851      */
3852     nsci_est = nc_bal*thread/nthread + nbl->nsci;
3853     if (progBal)
3854     {
3855         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
3856          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
3857          */
3858         nsp_max = max(1,
3859                       nsp_max_av*nc_bal*3/(2*(nsci_est - 1 + nc_bal)));
3860     }
3861     else
3862     {
3863         nsp_max = nsp_max_av;
3864     }
3865
3866     cj4_start = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_start;
3867     cj4_end   = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_end;
3868     j4len = cj4_end - cj4_start;
3869
3870     if (j4len > 1 && j4len*GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE > nsp_max)
3871     {
3872         /* Remove the last ci entry and process the cj4's again */
3873         nbl->nsci -= 1;
3874
3875         sci        = nbl->nsci;
3876         cj4        = cj4_start;
3877         nsp        = 0;
3878         nsp_sci    = 0;
3879         nsp_cj4_e  = 0;
3880         nsp_cj4    = 0;
3881         while (cj4 < cj4_end)
3882         {
3883             nsp_cj4_p = nsp_cj4;
3884             nsp_cj4   = 0;
3885             for(p=0; p<GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; p++)
3886             {
3887                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
3888             }
3889             nsp += nsp_cj4;
3890
3891             if (nsp > nsp_max && nsp > nsp_cj4)
3892             {
3893                 nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4;
3894                 sci++;
3895                 nbl->nsci++;
3896                 if (nbl->nsci+1 > nbl->sci_nalloc)
3897                 {
3898                     nb_realloc_sci(nbl,nbl->nsci+1);
3899                 }
3900                 nbl->sci[sci].sci           = nbl->sci[nbl->nsci-1].sci;
3901                 nbl->sci[sci].shift         = nbl->sci[nbl->nsci-1].shift;
3902                 nbl->sci[sci].cj4_ind_start = cj4;
3903                 nsp_sci   = nsp - nsp_cj4;
3904                 nsp_cj4_e = nsp_cj4_p;
3905                 nsp       = nsp_cj4;
3906             }
3907
3908             cj4++;
3909         }
3910
3911         /* Put the remaining cj4's in a new ci entry */
3912         nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4_end;
3913
3914         /* Possibly balance out the last two ci's
3915          * by moving the last cj4 of the second last ci.
3916          */
3917         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
3918         {
3919             nbl->sci[sci-1].cj4_ind_end--;
3920             nbl->sci[sci].cj4_ind_start--;
3921         }
3922
3923         sci++;
3924         nbl->nsci++;
3925     }
3926 }
3927
3928 /* Clost this super/sub list i entry */
3929 static void close_ci_entry_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3930                                     int nsp_max_av,
3931                                     gmx_bool progBal,int nc_bal,
3932                                     int thread,int nthread)
3933 {
3934     int j4len,tlen;
3935     int nb,b;
3936
3937     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3938      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3939      */
3940     j4len = nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end - nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start;
3941     if (j4len > 0)
3942     {
3943         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
3944          * so round the count up before closing.
3945          */
3946         nbl->ncj4         = ((nbl->work->cj_ind + 4-1) >> 2);
3947         nbl->work->cj_ind = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3948
3949         nbl->nsci++;
3950
3951         if (nsp_max_av > 0)
3952         {
3953             split_sci_entry(nbl,nsp_max_av,progBal,nc_bal,thread,nthread);
3954         }
3955     }
3956 }
3957
3958 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the list */
3959 static void sync_work(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3960 {
3961     if (!nbl->bSimple)
3962     {
3963         nbl->work->cj_ind   = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3964         nbl->work->cj4_init = nbl->ncj4;
3965     }
3966 }
3967
3968 /* Clears an nbnxn_pairlist_t data structure */
3969 static void clear_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3970 {
3971     nbl->nci           = 0;
3972     nbl->nsci          = 0;
3973     nbl->ncj           = 0;
3974     nbl->ncj4          = 0;
3975     nbl->nci_tot       = 0;
3976     nbl->nexcl         = 1;
3977
3978     nbl->work->ncj_noq = 0;
3979     nbl->work->ncj_hlj = 0;
3980 }
3981
3982 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
3983 static void set_icell_bb_simple(const float *bb,int ci,
3984                                 real shx,real shy,real shz,
3985                                 float *bb_ci)
3986 {
3987     int ia;
3988
3989     ia = ci*NNBSBB_B;
3990     bb_ci[BBL_X] = bb[ia+BBL_X] + shx;
3991     bb_ci[BBL_Y] = bb[ia+BBL_Y] + shy;
3992     bb_ci[BBL_Z] = bb[ia+BBL_Z] + shz;
3993     bb_ci[BBU_X] = bb[ia+BBU_X] + shx;
3994     bb_ci[BBU_Y] = bb[ia+BBU_Y] + shy;
3995     bb_ci[BBU_Z] = bb[ia+BBU_Z] + shz;
3996 }
3997
3998 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
3999 static void set_icell_bb_supersub(const float *bb,int ci,
4000                                   real shx,real shy,real shz,
4001                                   float *bb_ci)
4002 {
4003     int ia,m,i;
4004
4005 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4006     ia = ci*(GPU_NSUBCELL>>STRIDE_8BB_2LOG)*NNBSBB_XXXX;
4007     for(m=0; m<(GPU_NSUBCELL>>STRIDE_8BB_2LOG)*NNBSBB_XXXX; m+=NNBSBB_XXXX)
4008     {
4009         for(i=0; i<STRIDE_8BB; i++)
4010         {
4011             bb_ci[m+0*STRIDE_8BB+i] = bb[ia+m+0*STRIDE_8BB+i] + shx;
4012             bb_ci[m+1*STRIDE_8BB+i] = bb[ia+m+1*STRIDE_8BB+i] + shy;
4013             bb_ci[m+2*STRIDE_8BB+i] = bb[ia+m+2*STRIDE_8BB+i] + shz;
4014             bb_ci[m+3*STRIDE_8BB+i] = bb[ia+m+3*STRIDE_8BB+i] + shx;
4015             bb_ci[m+4*STRIDE_8BB+i] = bb[ia+m+4*STRIDE_8BB+i] + shy;
4016             bb_ci[m+5*STRIDE_8BB+i] = bb[ia+m+5*STRIDE_8BB+i] + shz;
4017         }
4018     }
4019 #else
4020     ia = ci*GPU_NSUBCELL*NNBSBB_B;
4021     for(i=0; i<GPU_NSUBCELL*NNBSBB_B; i+=NNBSBB_B)
4022     {
4023         bb_ci[BBL_X] = bb[ia+BBL_X] + shx;
4024         bb_ci[BBL_Y] = bb[ia+BBL_Y] + shy;
4025         bb_ci[BBL_Z] = bb[ia+BBL_Z] + shz;
4026         bb_ci[BBU_X] = bb[ia+BBU_X] + shx;
4027         bb_ci[BBU_Y] = bb[ia+BBU_Y] + shy;
4028         bb_ci[BBU_Z] = bb[ia+BBU_Z] + shz;
4029     }
4030 #endif
4031 }
4032
4033 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
4034 static void icell_set_x_simple(int ci,
4035                                real shx,real shy,real shz,
4036                                int na_c,
4037                                int stride,const real *x,
4038                                nbnxn_list_work_t *work)
4039 {
4040     int  ia,i;
4041
4042     ia = ci*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
4043
4044     for(i=0; i<NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; i++)
4045     {
4046         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] = x[(ia+i)*stride+XX] + shx;
4047         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] = x[(ia+i)*stride+YY] + shy;
4048         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] = x[(ia+i)*stride+ZZ] + shz;
4049     }
4050 }
4051
4052 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
4053 static void icell_set_x_supersub(int ci,
4054                                  real shx,real shy,real shz,
4055                                  int na_c,
4056                                  int stride,const real *x,
4057                                  nbnxn_list_work_t *work)
4058 {
4059     int  ia,i;
4060     real *x_ci;
4061
4062     x_ci = work->x_ci;
4063
4064     ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c;
4065     for(i=0; i<GPU_NSUBCELL*na_c; i++)
4066     {
4067         x_ci[i*DIM + XX] = x[(ia+i)*stride + XX] + shx;
4068         x_ci[i*DIM + YY] = x[(ia+i)*stride + YY] + shy;
4069         x_ci[i*DIM + ZZ] = x[(ia+i)*stride + ZZ] + shz;
4070     }
4071 }
4072
4073 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
4074 /* Copies PBC shifted super-cell packed atom coordinates to working array */
4075 static void icell_set_x_supersub_sse8(int ci,
4076                                       real shx,real shy,real shz,
4077                                       int na_c,
4078                                       int stride,const real *x,
4079                                       nbnxn_list_work_t *work)
4080 {
4081     int  si,io,ia,i,j;
4082     real *x_ci;
4083
4084     x_ci = work->x_ci;
4085
4086     for(si=0; si<GPU_NSUBCELL; si++)
4087     {
4088         for(i=0; i<na_c; i+=STRIDE_8BB)
4089         {
4090             io = si*na_c + i;
4091             ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c + io;
4092             for(j=0; j<STRIDE_8BB; j++)
4093             {
4094                 x_ci[io*DIM + j + XX*STRIDE_8BB] = x[(ia+j)*stride+XX] + shx;
4095                 x_ci[io*DIM + j + YY*STRIDE_8BB] = x[(ia+j)*stride+YY] + shy;
4096                 x_ci[io*DIM + j + ZZ*STRIDE_8BB] = x[(ia+j)*stride+ZZ] + shz;
4097             }
4098         }
4099     }
4100 }
4101 #endif
4102
4103 static real nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac = 0.6;
4104
4105 /* Due to the cluster size the effective pair-list is longer than
4106  * that of a simple atom pair-list. This function gives the extra distance.
4107  */
4108 real nbnxn_get_rlist_effective_inc(int cluster_size,real atom_density)
4109 {
4110     return ((0.5 + nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac)*sqr(((cluster_size) - 1.0)/(cluster_size))*pow((cluster_size)/(atom_density),1.0/3.0));
4111 }
4112
4113 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
4114 static real nonlocal_vol2(const gmx_domdec_zones_t *zones,rvec ls,real r)
4115 {
4116     int  z,d;
4117     real cl,ca,za;
4118     real vold_est;
4119     real vol2_est_tot;
4120
4121     vol2_est_tot = 0;
4122
4123     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
4124      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
4125      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
4126      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
4127      * as small parts as possible.
4128      */
4129
4130     for(z=0; z<zones->n; z++)
4131     {
4132         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
4133         {
4134             cl = 0;
4135             ca = 1;
4136             za = 1;
4137             for(d=0; d<DIM; d++)
4138             {
4139                 if (zones->shift[z][d] == 0)
4140                 {
4141                     cl += 0.5*ls[d];
4142                     ca *= ls[d];
4143                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
4144                 }
4145             }
4146
4147             /* 4 octants of a sphere */
4148             vold_est  = 0.25*M_PI*r*r*r*r;
4149             /* 4 quarter pie slices on the edges */
4150             vold_est += 4*cl*M_PI/6.0*r*r*r;
4151             /* One rectangular volume on a face */
4152             vold_est += ca*0.5*r*r;
4153
4154             vol2_est_tot += vold_est*za;
4155         }
4156     }
4157
4158     return vol2_est_tot;
4159 }
4160
4161 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
4162 static int get_nsubpair_max(const nbnxn_search_t nbs,
4163                             int iloc,
4164                             real rlist,
4165                             int min_ci_balanced)
4166 {
4167     const nbnxn_grid_t *grid;
4168     rvec ls;
4169     real xy_diag2,r_eff_sup,vol_est,nsp_est,nsp_est_nl;
4170     int  nsubpair_max;
4171
4172     grid = &nbs->grid[0];
4173
4174     ls[XX] = (grid->c1[XX] - grid->c0[XX])/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X);
4175     ls[YY] = (grid->c1[YY] - grid->c0[YY])/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y);
4176     ls[ZZ] = (grid->c1[ZZ] - grid->c0[ZZ])*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z);
4177
4178     /* The average squared length of the diagonal of a sub cell */
4179     xy_diag2 = ls[XX]*ls[XX] + ls[YY]*ls[YY] + ls[ZZ]*ls[ZZ];
4180
4181     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
4182     r_eff_sup = rlist + nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac*sqr((grid->na_c - 1.0)/grid->na_c)*sqrt(xy_diag2/3);
4183
4184     if (!nbs->DomDec || nbs->zones->n == 1)
4185     {
4186         nsp_est_nl = 0;
4187     }
4188     else
4189     {
4190         nsp_est_nl =
4191             sqr(grid->atom_density/grid->na_c)*
4192             nonlocal_vol2(nbs->zones,ls,r_eff_sup);
4193     }
4194
4195     if (LOCAL_I(iloc))
4196     {
4197         /* Sub-cell interacts with itself */
4198         vol_est  = ls[XX]*ls[YY]*ls[ZZ];
4199         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
4200         vol_est += (ls[XX]*ls[YY] + ls[XX]*ls[ZZ] + ls[YY]*ls[ZZ])*r_eff_sup;
4201         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
4202         vol_est += 2*(ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ])*0.25*M_PI*sqr(r_eff_sup);
4203         /* 4 octants of a sphere */
4204         vol_est += 0.5*4.0/3.0*M_PI*pow(r_eff_sup,3);
4205
4206         nsp_est = grid->nsubc_tot*vol_est*grid->atom_density/grid->na_c;
4207
4208         /* Subtract the non-local pair count */
4209         nsp_est -= nsp_est_nl;
4210
4211         if (debug)
4212         {
4213             fprintf(debug,"nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n",
4214                     nsp_est,nsp_est_nl);
4215         }
4216     }
4217     else
4218     {
4219         nsp_est = nsp_est_nl;
4220     }
4221
4222     if (min_ci_balanced <= 0 || grid->nc >= min_ci_balanced || grid->nc == 0)
4223     {
4224         /* We don't need to worry */
4225         nsubpair_max = -1;
4226     }
4227     else
4228     {
4229         /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows */
4230         nsubpair_max = max(1,(int)(nsp_est/min_ci_balanced+0.5));
4231
4232         /* Since the target value is a maximum (this avoid high outliers,
4233          * which lead to load imbalance), not average, we get more lists
4234          * than we ask for (to compensate we need to add GPU_NSUBCELL*4/4).
4235          * But more importantly, the optimal GPU performance moves
4236          * to lower number of block for very small blocks.
4237          * To compensate we add the maximum pair count per cj4.
4238          */
4239         nsubpair_max += GPU_NSUBCELL*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
4240     }
4241
4242     if (debug)
4243     {
4244         fprintf(debug,"nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_max %d\n",
4245                 nsp_est,nsubpair_max);
4246     }
4247
4248     return nsubpair_max;
4249 }
4250
4251 /* Debug list print function */
4252 static void print_nblist_ci_cj(FILE *fp,const nbnxn_pairlist_t *nbl)
4253 {
4254     int i,j;
4255
4256     for(i=0; i<nbl->nci; i++)
4257     {
4258         fprintf(fp,"ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n",
4259                 nbl->ci[i].ci,nbl->ci[i].shift,
4260                 nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start);
4261
4262         for(j=nbl->ci[i].cj_ind_start; j<nbl->ci[i].cj_ind_end; j++)
4263         {
4264             fprintf(fp,"  cj %5d  imask %x\n",
4265                     nbl->cj[j].cj,
4266                     nbl->cj[j].excl);
4267         }
4268     }
4269 }
4270
4271 /* Debug list print function */
4272 static void print_nblist_sci_cj(FILE *fp,const nbnxn_pairlist_t *nbl)
4273 {
4274     int i,j4,j;
4275
4276     for(i=0; i<nbl->nsci; i++)
4277     {
4278         fprintf(fp,"ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n",
4279                 nbl->sci[i].sci,nbl->sci[i].shift,
4280                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start);
4281
4282         for(j4=nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4<nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
4283         {
4284             for(j=0; j<4; j++)
4285             {
4286                 fprintf(fp,"  sj %5d  imask %x\n",
4287                         nbl->cj4[j4].cj[j],
4288                         nbl->cj4[j4].imei[0].imask);
4289             }
4290         }
4291     }
4292 }
4293
4294 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
4295 static void combine_nblists(int nnbl,nbnxn_pairlist_t **nbl,
4296                             nbnxn_pairlist_t *nblc)
4297 {
4298     int nsci,ncj4,nexcl;
4299     int n,i;
4300
4301     if (nblc->bSimple)
4302     {
4303         gmx_incons("combine_nblists does not support simple lists");
4304     }
4305
4306     nsci  = nblc->nsci;
4307     ncj4  = nblc->ncj4;
4308     nexcl = nblc->nexcl;
4309     for(i=0; i<nnbl; i++)
4310     {
4311         nsci  += nbl[i]->nsci;
4312         ncj4  += nbl[i]->ncj4;
4313         nexcl += nbl[i]->nexcl;
4314     }
4315
4316     if (nsci > nblc->sci_nalloc)
4317     {
4318         nb_realloc_sci(nblc,nsci);
4319     }
4320     if (ncj4 > nblc->cj4_nalloc)
4321     {
4322         nblc->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4);
4323         nb_realloc_void((void **)&nblc->cj4,
4324                         nblc->ncj4*sizeof(*nblc->cj4),
4325                         nblc->cj4_nalloc*sizeof(*nblc->cj4),
4326                         nblc->alloc,nblc->free);
4327     }
4328     if (nexcl > nblc->excl_nalloc)
4329     {
4330         nblc->excl_nalloc = over_alloc_small(nexcl);
4331         nb_realloc_void((void **)&nblc->excl,
4332                         nblc->nexcl*sizeof(*nblc->excl),
4333                         nblc->excl_nalloc*sizeof(*nblc->excl),
4334                         nblc->alloc,nblc->free);
4335     }
4336
4337     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
4338      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
4339      */
4340 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
4341     for(n=0; n<nnbl; n++)
4342     {
4343         int sci_offset;
4344         int cj4_offset;
4345         int ci_offset;
4346         int excl_offset;
4347         int i,j4;
4348         const nbnxn_pairlist_t *nbli;
4349
4350         /* Determine the offset in the combined data for our thread */
4351         sci_offset  = nblc->nsci;
4352         cj4_offset  = nblc->ncj4;
4353         ci_offset   = nblc->nci_tot;
4354         excl_offset = nblc->nexcl;
4355
4356         for(i=0; i<n; i++)
4357         {
4358             sci_offset  += nbl[i]->nsci;
4359             cj4_offset  += nbl[i]->ncj4;
4360             ci_offset   += nbl[i]->nci_tot;
4361             excl_offset += nbl[i]->nexcl;
4362         }
4363
4364         nbli = nbl[n];
4365
4366         for(i=0; i<nbli->nsci; i++)
4367         {
4368             nblc->sci[sci_offset+i]                = nbli->sci[i];
4369             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_start += cj4_offset;
4370             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_end   += cj4_offset;
4371         }
4372
4373         for(j4=0; j4<nbli->ncj4; j4++)
4374         {
4375             nblc->cj4[cj4_offset+j4] = nbli->cj4[j4];
4376             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
4377             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
4378         }
4379
4380         for(j4=0; j4<nbli->nexcl; j4++)
4381         {
4382             nblc->excl[excl_offset+j4] = nbli->excl[j4];
4383         }
4384     }
4385
4386     for(n=0; n<nnbl; n++)
4387     {
4388         nblc->nsci    += nbl[n]->nsci;
4389         nblc->ncj4    += nbl[n]->ncj4;
4390         nblc->nci_tot += nbl[n]->nci_tot;
4391         nblc->nexcl   += nbl[n]->nexcl;
4392     }
4393 }
4394
4395 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
4396 static gmx_bool next_ci(const nbnxn_grid_t *grid,
4397                         int conv,
4398                         int nth,int ci_block,
4399                         int *ci_x,int *ci_y,
4400                         int *ci_b,int *ci)
4401 {
4402     (*ci_b)++;
4403     (*ci)++;
4404
4405     if (*ci_b == ci_block)
4406     {
4407         /* Jump to the next block assigned to this task */
4408         *ci   += (nth - 1)*ci_block;
4409         *ci_b  = 0;
4410     }
4411
4412     if (*ci >= grid->nc*conv)
4413     {
4414         return FALSE;
4415     }
4416
4417     while (*ci >= grid->cxy_ind[*ci_x*grid->ncy + *ci_y + 1]*conv)
4418     {
4419         *ci_y += 1;
4420         if (*ci_y == grid->ncy)
4421         {
4422             *ci_x += 1;
4423             *ci_y  = 0;
4424         }
4425     }
4426
4427     return TRUE;
4428 }
4429
4430 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
4431  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
4432  */
4433 static float boundingbox_only_distance2(const nbnxn_grid_t *gridi,
4434                                         const nbnxn_grid_t *gridj,
4435                                         real rlist,
4436                                         gmx_bool simple)
4437 {
4438     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
4439      * than this distance, do not check the distance between
4440      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
4441      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
4442      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
4443      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
4444      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
4445      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
4446      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
4447      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
4448      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
4449      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
4450      */
4451     real bbx,bby;
4452     real rbb2;
4453
4454     bbx = 0.5*(gridi->sx + gridj->sx);
4455     bby = 0.5*(gridi->sy + gridj->sy);
4456     if (!simple)
4457     {
4458         bbx /= GPU_NSUBCELL_X;
4459         bby /= GPU_NSUBCELL_Y;
4460     }
4461
4462     rbb2 = sqr(max(0,rlist - 0.5*sqrt(bbx*bbx + bby*bby)));
4463
4464 #ifndef GMX_DOUBLE
4465     return rbb2;
4466 #else
4467     return (float)((1+GMX_FLOAT_EPS)*rbb2);
4468 #endif
4469 }
4470
4471 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
4472 static void nbnxn_make_pairlist_part(const nbnxn_search_t nbs,
4473                                      const nbnxn_grid_t *gridi,
4474                                      const nbnxn_grid_t *gridj,
4475                                      nbnxn_search_work_t *work,
4476                                      const nbnxn_atomdata_t *nbat,
4477                                      const t_blocka *excl,
4478                                      real rlist,
4479                                      int nb_kernel_type,
4480                                      int nsubpair_max,
4481                                      gmx_bool progBal,
4482                                      int min_ci_balanced,
4483                                      int th,int nth,
4484                                      nbnxn_pairlist_t *nbl)
4485 {
4486     int  na_cj_2log;
4487     matrix box;
4488     real rl2;
4489     float rbb2;
4490     int  d;
4491     int  ci_block,ci_b,ci,ci_x,ci_y,ci_xy,cj;
4492     ivec shp;
4493     int  tx,ty,tz;
4494     int  shift;
4495     gmx_bool bMakeList;
4496     real shx,shy,shz;
4497     int  conv_i,cell0_i;
4498     const float *bb_i,*bbcz_i,*bbcz_j;
4499     const int *flags_i;
4500     real bx0,bx1,by0,by1,bz0,bz1;
4501     real bz1_frac;
4502     real d2cx,d2z,d2z_cx,d2z_cy,d2zx,d2zxy,d2xy;
4503     int  cxf,cxl,cyf,cyf_x,cyl;
4504     int  cx,cy;
4505     int  c0,c1,cs,cf,cl;
4506     int  ndistc;
4507     int  ncpcheck;
4508
4509     nbs_cycle_start(&work->cc[enbsCCsearch]);
4510
4511     if (gridj->bSimple != nbl->bSimple)
4512     {
4513         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
4514     }
4515
4516     sync_work(nbl);
4517
4518     nbl->na_sc = gridj->na_sc;
4519     nbl->na_ci = gridj->na_c;
4520     nbl->na_cj = kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
4521     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
4522
4523     nbl->rlist  = rlist;
4524
4525     copy_mat(nbs->box,box);
4526
4527     rl2 = nbl->rlist*nbl->rlist;
4528
4529     rbb2 = boundingbox_only_distance2(gridi,gridj,nbl->rlist,nbl->bSimple);
4530
4531     if (debug)
4532     {
4533         fprintf(debug,"nbl bounding box only distance %f\n",sqrt(rbb2));
4534     }
4535
4536     /* Set the shift range */
4537     for(d=0; d<DIM; d++)
4538     {
4539         /* Check if we need periodicity shifts.
4540          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
4541          */
4542         if (d >= ePBC2npbcdim(nbs->ePBC) || nbs->dd_dim[d])
4543         {
4544             shp[d] = 0;
4545         }
4546         else
4547         {
4548             if (d == XX &&
4549                 box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < sqrt(rl2))
4550             {
4551                 shp[d] = 2;
4552             }
4553             else
4554             {
4555                 shp[d] = 1;
4556             }
4557         }
4558     }
4559
4560     if (nbl->bSimple && !gridi->bSimple)
4561     {
4562         conv_i  = gridi->na_sc/gridj->na_sc;
4563         bb_i    = gridi->bb_simple;
4564         bbcz_i  = gridi->bbcz_simple;
4565         flags_i = gridi->flags_simple;
4566     }
4567     else
4568     {
4569         conv_i  = 1;
4570         bb_i    = gridi->bb;
4571         bbcz_i  = gridi->bbcz;
4572         flags_i = gridi->flags;
4573     }
4574     cell0_i = gridi->cell0*conv_i;
4575
4576     bbcz_j = gridj->bbcz;
4577
4578     if (conv_i == 1)
4579     {
4580 #define CI_BLOCK_ENUM    5
4581 #define CI_BLOCK_DENOM  11
4582         /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
4583          * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
4584          * a multiple of the number of threads, which would lead to some
4585          * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
4586          * which in turns will lead to load imbalance between threads.
4587          * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
4588          * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
4589          * of the grid parts of the different thread along all three grid
4590          * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
4591          * the blocks will not become too small.
4592          */
4593         ci_block = (gridi->nc*CI_BLOCK_ENUM)/(CI_BLOCK_DENOM*gridi->ncx*nth);
4594
4595         /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
4596         if (ci_block*gridi->na_sc < 16)
4597         {
4598             ci_block = (16 + gridi->na_sc - 1)/gridi->na_sc;
4599         }
4600
4601         /* Without domain decomposition
4602          * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
4603          */
4604         if (!nbs->DomDec || ci_block*3*nth > gridi->nc)
4605         {
4606             ci_block = (gridi->nc + nth - 1)/nth;
4607         }
4608     }
4609     else
4610     {
4611         /* Blocks of the conversion factor - 1 give a large repeat count
4612          * combined with a small block size. This should result in good
4613          * load balancing for both small and large domains.
4614          */
4615         ci_block = conv_i - 1;
4616     }
4617     if (debug)
4618     {
4619         fprintf(debug,"nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n",
4620                 gridi->nc,gridi->nc/(double)(gridi->ncx*gridi->ncy),ci_block);
4621     }
4622
4623     ndistc = 0;
4624     ncpcheck = 0;
4625
4626     ci_b = -1;
4627     ci   = th*ci_block - 1;
4628     ci_x = 0;
4629     ci_y = 0;
4630     while (next_ci(gridi,conv_i,nth,ci_block,&ci_x,&ci_y,&ci_b,&ci))
4631     {
4632         if (nbl->bSimple && flags_i[ci] == 0)
4633         {
4634             continue;
4635         }
4636
4637         d2cx = 0;
4638         if (gridj != gridi && shp[XX] == 0)
4639         {
4640             if (nbl->bSimple)
4641             {
4642                 bx1 = bb_i[ci*NNBSBB_B+NNBSBB_C+XX];
4643             }
4644             else
4645             {
4646                 bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx;
4647             }
4648             if (bx1 < gridj->c0[XX])
4649             {
4650                 d2cx = sqr(gridj->c0[XX] - bx1);
4651
4652                 if (d2cx >= rl2)
4653                 {
4654                     continue;
4655                 }
4656             }
4657         }
4658
4659         ci_xy = ci_x*gridi->ncy + ci_y;
4660
4661         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
4662         for (tz=-shp[ZZ]; tz<=shp[ZZ]; tz++)
4663         {
4664             shz = tz*box[ZZ][ZZ];
4665
4666             bz0 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D  ] + shz;
4667             bz1 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D+1] + shz;
4668
4669             if (tz == 0)
4670             {
4671                 d2z = 0;
4672             }
4673             else if (tz < 0)
4674             {
4675                 d2z = sqr(bz1);
4676             }
4677             else
4678             {
4679                 d2z = sqr(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
4680             }
4681
4682             d2z_cx = d2z + d2cx;
4683
4684             if (d2z_cx >= rl2)
4685             {
4686                 continue;
4687             }
4688
4689             bz1_frac =
4690                 bz1/((real)(gridi->cxy_ind[ci_xy+1] - gridi->cxy_ind[ci_xy]));
4691             if (bz1_frac < 0)
4692             {
4693                 bz1_frac = 0;
4694             }
4695             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
4696
4697             for (ty=-shp[YY]; ty<=shp[YY]; ty++)
4698             {
4699                 shy = ty*box[YY][YY] + tz*box[ZZ][YY];
4700
4701                 if (nbl->bSimple)
4702                 {
4703                     by0 = bb_i[ci*NNBSBB_B         +YY] + shy;
4704                     by1 = bb_i[ci*NNBSBB_B+NNBSBB_C+YY] + shy;
4705                 }
4706                 else
4707                 {
4708                     by0 = gridi->c0[YY] + (ci_y  )*gridi->sy + shy;
4709                     by1 = gridi->c0[YY] + (ci_y+1)*gridi->sy + shy;
4710                 }
4711
4712                 get_cell_range(by0,by1,
4713                                gridj->ncy,gridj->c0[YY],gridj->sy,gridj->inv_sy,
4714                                d2z_cx,rl2,
4715                                &cyf,&cyl);
4716
4717                 if (cyf > cyl)
4718                 {
4719                     continue;
4720                 }
4721
4722                 d2z_cy = d2z;
4723                 if (by1 < gridj->c0[YY])
4724                 {
4725                     d2z_cy += sqr(gridj->c0[YY] - by1);
4726                 }
4727                 else if (by0 > gridj->c1[YY])
4728                 {
4729                     d2z_cy += sqr(by0 - gridj->c1[YY]);
4730                 }
4731
4732                 for (tx=-shp[XX]; tx<=shp[XX]; tx++)
4733                 {
4734                     shift = XYZ2IS(tx,ty,tz);
4735
4736 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4737                     if (gridi == gridj && shift > CENTRAL)
4738                     {
4739                         continue;
4740                     }
4741 #endif
4742
4743                     shx = tx*box[XX][XX] + ty*box[YY][XX] + tz*box[ZZ][XX];
4744
4745                     if (nbl->bSimple)
4746                     {
4747                         bx0 = bb_i[ci*NNBSBB_B         +XX] + shx;
4748                         bx1 = bb_i[ci*NNBSBB_B+NNBSBB_C+XX] + shx;
4749                     }
4750                     else
4751                     {
4752                         bx0 = gridi->c0[XX] + (ci_x  )*gridi->sx + shx;
4753                         bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx + shx;
4754                     }
4755
4756                     get_cell_range(bx0,bx1,
4757                                    gridj->ncx,gridj->c0[XX],gridj->sx,gridj->inv_sx,
4758                                    d2z_cy,rl2,
4759                                    &cxf,&cxl);
4760
4761                     if (cxf > cxl)
4762                     {
4763                         continue;
4764                     }
4765
4766                     if (nbl->bSimple)
4767                     {
4768                         new_ci_entry(nbl,cell0_i+ci,shift,flags_i[ci],
4769                                      nbl->work);
4770                     }
4771                     else
4772                     {
4773                         new_sci_entry(nbl,cell0_i+ci,shift,flags_i[ci],
4774                                       nbl->work);
4775                     }
4776
4777 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4778                     if (cxf < ci_x)
4779 #else
4780                     if (shift == CENTRAL && gridi == gridj &&
4781                         cxf < ci_x)
4782 #endif
4783                     {
4784                         /* Leave the pairs with i > j.
4785                          * x is the major index, so skip half of it.
4786                          */
4787                         cxf = ci_x;
4788                     }
4789
4790                     if (nbl->bSimple)
4791                     {
4792                         set_icell_bb_simple(bb_i,ci,shx,shy,shz,
4793                                             nbl->work->bb_ci);
4794                     }
4795                     else
4796                     {
4797                         set_icell_bb_supersub(bb_i,ci,shx,shy,shz,
4798                                               nbl->work->bb_ci);
4799                     }
4800
4801                     nbs->icell_set_x(cell0_i+ci,shx,shy,shz,
4802                                      gridi->na_c,nbat->xstride,nbat->x,
4803                                      nbl->work);
4804
4805                     for(cx=cxf; cx<=cxl; cx++)
4806                     {
4807                         d2zx = d2z;
4808                         if (gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx > bx1)
4809                         {
4810                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx - bx1);
4811                         }
4812                         else if (gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx < bx0)
4813                         {
4814                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx - bx0);
4815                         }
4816
4817 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4818                         if (gridi == gridj &&
4819                             cx == 0 && cyf < ci_y)
4820 #else
4821                         if (gridi == gridj &&
4822                             cx == 0 && shift == CENTRAL && cyf < ci_y)
4823 #endif
4824                         {
4825                             /* Leave the pairs with i > j.
4826                              * Skip half of y when i and j have the same x.
4827                              */
4828                             cyf_x = ci_y;
4829                         }
4830                         else
4831                         {
4832                             cyf_x = cyf;
4833                         }
4834
4835                         for(cy=cyf_x; cy<=cyl; cy++)
4836                         {
4837                             c0 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy];
4838                             c1 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy+1];
4839 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4840                             if (gridi == gridj &&
4841                                 shift == CENTRAL && c0 < ci)
4842                             {
4843                                 c0 = ci;
4844                             }
4845 #endif
4846
4847                             d2zxy = d2zx;
4848                             if (gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy > by1)
4849                             {
4850                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy - by1);
4851                             }
4852                             else if (gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy < by0)
4853                             {
4854                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy - by0);
4855                             }
4856                             if (c1 > c0 && d2zxy < rl2)
4857                             {
4858                                 cs = c0 + (int)(bz1_frac*(c1 - c0));
4859                                 if (cs >= c1)
4860                                 {
4861                                     cs = c1 - 1;
4862                                 }
4863
4864                                 d2xy = d2zxy - d2z;
4865
4866                                 /* Find the lowest cell that can possibly
4867                                  * be within range.
4868                                  */
4869                                 cf = cs;
4870                                 while(cf > c0 &&
4871                                       (bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] >= bz0 ||
4872                                        d2xy + sqr(bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] - bz0) < rl2))
4873                                 {
4874                                     cf--;
4875                                 }
4876
4877                                 /* Find the highest cell that can possibly
4878                                  * be within range.
4879                                  */
4880                                 cl = cs;
4881                                 while(cl < c1-1 &&
4882                                       (bbcz_j[cl*NNBSBB_D] <= bz1 ||
4883                                        d2xy + sqr(bbcz_j[cl*NNBSBB_D] - bz1) < rl2))
4884                                 {
4885                                     cl++;
4886                                 }
4887
4888 #ifdef NBNXN_REFCODE
4889                                 {
4890                                     /* Simple reference code, for debugging,
4891                                      * overrides the more complex code above.
4892                                      */
4893                                     int k;
4894                                     cf = c1;
4895                                     cl = -1;
4896                                     for(k=c0; k<c1; k++)
4897                                     {
4898                                         if (box_dist2(bx0,bx1,by0,by1,bz0,bz1,
4899                                                       bb+k*NNBSBB_B) < rl2 &&
4900                                             k < cf)
4901                                         {
4902                                             cf = k;
4903                                         }
4904                                         if (box_dist2(bx0,bx1,by0,by1,bz0,bz1,
4905                                                       bb+k*NNBSBB_B) < rl2 &&
4906                                             k > cl)
4907                                         {
4908                                             cl = k;
4909                                         }
4910                                     }
4911                                 }
4912 #endif
4913
4914                                 if (gridi == gridj)
4915                                 {
4916                                     /* We want each atom/cell pair only once,
4917                                      * only use cj >= ci.
4918                                      */
4919 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4920                                     cf = max(cf,ci);
4921 #else
4922                                     if (shift == CENTRAL)
4923                                     {
4924                                         cf = max(cf,ci);
4925                                     }
4926 #endif
4927                                 }
4928
4929                                 if (cf <= cl)
4930                                 {
4931                                     switch (nb_kernel_type)
4932                                     {
4933                                     case nbk4x4_PlainC:
4934                                         check_subcell_list_space_simple(nbl,cl-cf+1);
4935
4936                                         make_cluster_list_simple(gridj,
4937                                                                  nbl,ci,cf,cl,
4938                                                                  (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4939                                                                  nbat->x,
4940                                                                  rl2,rbb2,
4941                                                                  &ndistc);
4942                                         break;
4943 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
4944                                     case nbk4xN_X86_SIMD128:
4945                                         check_subcell_list_space_simple(nbl,ci_to_cj(na_cj_2log,cl-cf)+2);
4946                                         make_cluster_list_x86_simd128(gridj,
4947                                                                       nbl,ci,cf,cl,
4948                                                                       (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4949                                                                       nbat->x,
4950                                                                       rl2,rbb2,
4951                                                                       &ndistc);
4952                                         break;
4953 #ifdef GMX_X86_AVX_256
4954                                     case nbk4xN_X86_SIMD256:
4955                                         check_subcell_list_space_simple(nbl,ci_to_cj(na_cj_2log,cl-cf)+2);
4956                                         make_cluster_list_x86_simd256(gridj,
4957                                                                       nbl,ci,cf,cl,
4958                                                                       (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4959                                                                       nbat->x,
4960                                                                       rl2,rbb2,
4961                                                                       &ndistc);
4962                                         break;
4963 #endif
4964 #endif
4965                                     case nbk8x8x8_PlainC:
4966                                     case nbk8x8x8_CUDA:
4967                                         check_subcell_list_space_supersub(nbl,cl-cf+1);
4968                                         for(cj=cf; cj<=cl; cj++)
4969                                         {
4970                                             make_cluster_list_supersub(nbs,gridi,gridj,
4971                                                                        nbl,ci,cj,
4972                                                                        (gridi == gridj && shift == CENTRAL && ci == cj),
4973                                                                        nbat->xstride,nbat->x,
4974                                                                        rl2,rbb2,
4975                                                                        &ndistc);
4976                                         }
4977                                         break;
4978                                     }
4979                                     ncpcheck += cl - cf + 1;
4980                                 }
4981                             }
4982                         }
4983                     }
4984
4985                     /* Set the exclusions for this ci list */
4986                     if (nbl->bSimple)
4987                     {
4988                         set_ci_top_excls(nbs,
4989                                          nbl,
4990                                          shift == CENTRAL && gridi == gridj,
4991                                          gridj->na_c_2log,
4992                                          na_cj_2log,
4993                                          &(nbl->ci[nbl->nci]),
4994                                          excl);
4995                     }
4996                     else
4997                     {
4998                         set_sci_top_excls(nbs,
4999                                           nbl,
5000                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5001                                           gridj->na_c_2log,
5002                                           &(nbl->sci[nbl->nsci]),
5003                                           excl);
5004                     }
5005
5006                     /* Close this ci list */
5007                     if (nbl->bSimple)
5008                     {
5009                         close_ci_entry_simple(nbl);
5010                     }
5011                     else
5012                     {
5013                         close_ci_entry_supersub(nbl,
5014                                                 nsubpair_max,
5015                                                 progBal,min_ci_balanced,
5016                                                 th,nth);
5017                     }
5018                 }
5019             }
5020         }
5021     }
5022
5023     work->ndistc = ndistc;
5024
5025     nbs_cycle_stop(&work->cc[enbsCCsearch]);
5026
5027     if (debug)
5028     {
5029         fprintf(debug,"number of distance checks %d\n",ndistc);
5030         fprintf(debug,"ncpcheck %s %d\n",gridi==gridj ? "local" : "non-local",
5031                 ncpcheck);
5032
5033         if (nbl->bSimple)
5034         {
5035             print_nblist_statistics_simple(debug,nbl,nbs,rlist);
5036         }
5037         else
5038         {
5039             print_nblist_statistics_supersub(debug,nbl,nbs,rlist);
5040         }
5041
5042     }
5043 }
5044
5045 /* Make a local or non-local pair-list, depending on iloc */
5046 void nbnxn_make_pairlist(const nbnxn_search_t nbs,
5047                          const nbnxn_atomdata_t *nbat,
5048                          const t_blocka *excl,
5049                          real rlist,
5050                          int min_ci_balanced,
5051                          nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
5052                          int iloc,
5053                          int nb_kernel_type,
5054                          t_nrnb *nrnb)
5055 {
5056     const nbnxn_grid_t *gridi,*gridj;
5057     int nzi,zi,zj0,zj1,zj;
5058     int nsubpair_max;
5059     int nth,th;
5060     int nnbl;
5061     nbnxn_pairlist_t **nbl;
5062     gmx_bool CombineNBLists;
5063     int np_tot,np_noq,np_hlj,nap;
5064
5065     nnbl            = nbl_list->nnbl;
5066     nbl             = nbl_list->nbl;
5067     CombineNBLists  = nbl_list->bCombined;
5068
5069     if (debug)
5070     {
5071         fprintf(debug,"ns making %d nblists\n", nnbl);
5072     }
5073
5074     if (nbl_list->bSimple)
5075     {
5076         switch (nb_kernel_type)
5077         {
5078 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
5079         case nbk4xN_X86_SIMD128:
5080             nbs->icell_set_x = icell_set_x_x86_simd128;
5081             break;
5082 #ifdef GMX_X86_AVX_256
5083         case nbk4xN_X86_SIMD256:
5084             nbs->icell_set_x = icell_set_x_x86_simd256;
5085             break;
5086 #endif
5087 #endif
5088         default:
5089             nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
5090             break;
5091         }
5092     }
5093     else
5094     {
5095 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
5096         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub_sse8;
5097 #else
5098         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub;
5099 #endif
5100     }
5101
5102     if (LOCAL_I(iloc))
5103     {
5104         /* Only zone (grid) 0 vs 0 */
5105         nzi = 1;
5106         zj0 = 0;
5107         zj1 = 1;
5108     }
5109     else
5110     {
5111         nzi = nbs->zones->nizone;
5112     }
5113
5114     if (!nbl_list->bSimple && min_ci_balanced > 0)
5115     {
5116         nsubpair_max = get_nsubpair_max(nbs,iloc,rlist,min_ci_balanced);
5117     }
5118     else
5119     {
5120         nsubpair_max = 0;
5121     }
5122
5123     /* Clear all pair-lists */
5124     for(th=0; th<nnbl; th++)
5125     {
5126         clear_pairlist(nbl[th]);
5127     }
5128
5129     for(zi=0; zi<nzi; zi++)
5130     {
5131         gridi = &nbs->grid[zi];
5132
5133         if (NONLOCAL_I(iloc))
5134         {
5135             zj0 = nbs->zones->izone[zi].j0;
5136             zj1 = nbs->zones->izone[zi].j1;
5137             if (zi == 0)
5138             {
5139                 zj0++;
5140             }
5141         }
5142         for(zj=zj0; zj<zj1; zj++)
5143         {
5144             gridj = &nbs->grid[zj];
5145
5146             if (debug)
5147             {
5148                 fprintf(debug,"ns search grid %d vs %d\n",zi,zj);
5149             }
5150
5151             nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5152
5153 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5154             for(th=0; th<nnbl; th++)
5155             {
5156                 if (CombineNBLists && th > 0)
5157                 {
5158                     clear_pairlist(nbl[th]);
5159                 }
5160
5161                 /* Divide the i super cell equally over the nblists */
5162                 nbnxn_make_pairlist_part(nbs,gridi,gridj,
5163                                          &nbs->work[th],nbat,excl,
5164                                          rlist,
5165                                          nb_kernel_type,
5166                                          nsubpair_max,
5167                                          (LOCAL_I(iloc) || nbs->zones->n <= 2),
5168                                          min_ci_balanced,
5169                                          th,nnbl,
5170                                          nbl[th]);
5171             }
5172             nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5173
5174             np_tot = 0;
5175             np_noq = 0;
5176             np_hlj = 0;
5177             for(th=0; th<nnbl; th++)
5178             {
5179                 inc_nrnb(nrnb,eNR_NBNXN_DIST2,nbs->work[th].ndistc);
5180
5181                 if (nbl_list->bSimple)
5182                 {
5183                     np_tot += nbl[th]->ncj;
5184                     np_noq += nbl[th]->work->ncj_noq;
5185                     np_hlj += nbl[th]->work->ncj_hlj;
5186                 }
5187                 else
5188                 {
5189                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
5190                     np_tot += nbl[th]->nci_tot;
5191                 }
5192             }
5193             nap = nbl[0]->na_ci*nbl[0]->na_cj;
5194             nbl_list->natpair_ljq = (np_tot - np_noq)*nap - np_hlj*nap/2;
5195             nbl_list->natpair_lj  = np_noq*nap;
5196             nbl_list->natpair_q   = np_hlj*nap/2;
5197
5198             if (CombineNBLists && nnbl > 1)
5199             {
5200                 nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5201
5202                 combine_nblists(nnbl-1,nbl+1,nbl[0]);
5203
5204                 nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5205             }
5206
5207         }
5208     }
5209
5210     /*
5211     print_supersub_nsp("nsubpair",nbl[0],iloc);
5212     */
5213
5214     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
5215     if (LOCAL_I(iloc))
5216     {
5217         nbs->search_count++;
5218     }
5219     if (nbs->print_cycles &&
5220         (!nbs->DomDec || (nbs->DomDec && !LOCAL_I(iloc))) &&
5221         nbs->search_count % 100 == 0)
5222     {
5223         nbs_cycle_print(stderr,nbs);
5224     }
5225
5226     if (debug && (CombineNBLists && nnbl > 1))
5227     {
5228         if (nbl[0]->bSimple)
5229         {
5230             print_nblist_statistics_simple(debug,nbl[0],nbs,rlist);
5231         }
5232         else
5233         {
5234             print_nblist_statistics_supersub(debug,nbl[0],nbs,rlist);
5235         }
5236     }
5237
5238     if (gmx_debug_at)
5239     {
5240         if (nbl[0]->bSimple)
5241         {
5242             print_nblist_ci_cj(debug,nbl[0]);
5243         }
5244         else
5245         {
5246             print_nblist_sci_cj(debug,nbl[0]);
5247         }
5248     }
5249 }
5250
5251 /* Initializes an nbnxn_atomdata_output_t data structure */
5252 static void nbnxn_atomdata_output_init(nbnxn_atomdata_output_t *out,
5253                                        int nb_kernel_type,
5254                                        int nenergrp,int stride,
5255                                        gmx_nbat_alloc_t *ma)
5256 {
5257     int cj_size;
5258
5259     out->f = NULL;
5260     ma((void **)&out->fshift,SHIFTS*DIM*sizeof(*out->fshift));
5261     out->nV = nenergrp*nenergrp;
5262     ma((void **)&out->Vvdw,out->nV*sizeof(*out->Vvdw));
5263     ma((void **)&out->Vc  ,out->nV*sizeof(*out->Vc  ));
5264
5265     if (nb_kernel_type == nbk4xN_X86_SIMD128 ||
5266         nb_kernel_type == nbk4xN_X86_SIMD256)
5267     {
5268         cj_size = kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
5269         out->nVS = nenergrp*nenergrp*stride*(cj_size>>1)*cj_size;
5270         ma((void **)&out->VSvdw,out->nVS*sizeof(*out->VSvdw));
5271         ma((void **)&out->VSc  ,out->nVS*sizeof(*out->VSc  ));
5272     }
5273     else
5274     {
5275         out->nVS = 0;
5276     }
5277 }
5278
5279 /* Determines the combination rule (or none) to be used, stores it,
5280  * and sets the LJ parameters required with the rule.
5281  */
5282 static void set_combination_rule_data(nbnxn_atomdata_t *nbat)
5283 {
5284     int  nt,i,j;
5285     real c6,c12;
5286
5287     nt = nbat->ntype;
5288
5289     switch (nbat->comb_rule)
5290     {
5291     case  ljcrGEOM:
5292         nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
5293
5294         for(i=0; i<nt; i++)
5295         {
5296             /* Copy the diagonal from the nbfp matrix */
5297             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = sqrt(nbat->nbfp[(i*nt+i)*2  ]);
5298             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = sqrt(nbat->nbfp[(i*nt+i)*2+1]);
5299         }
5300         break;
5301     case ljcrLB:
5302         for(i=0; i<nt; i++)
5303         {
5304             /* Get 6*C6 and 12*C12 from the diagonal of the nbfp matrix */
5305             c6  = nbat->nbfp[(i*nt+i)*2  ];
5306             c12 = nbat->nbfp[(i*nt+i)*2+1];
5307             if (c6 > 0 && c12 > 0)
5308             {
5309                 /* We store 0.5*2^1/6*sigma and sqrt(4*3*eps),
5310                  * so we get 6*C6 and 12*C12 after combining.
5311                  */
5312                 nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0.5*pow(c12/c6,1.0/6.0);
5313                 nbat->nbfp_comb[i*2+1] = sqrt(c6*c6/c12);
5314             }
5315             else
5316             {
5317                 nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0;
5318                 nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0;
5319             }
5320         }
5321         break;
5322     case ljcrNONE:
5323         /* In nbfp_s4 we use a stride of 4 for storing two parameters */
5324         nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp_s4,nt*nt*4*sizeof(*nbat->nbfp_s4));
5325         for(i=0; i<nt; i++)
5326         {
5327             for(j=0; j<nt; j++)
5328             {
5329                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+0] = nbat->nbfp[(i*nt+j)*2+0];
5330                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+1] = nbat->nbfp[(i*nt+j)*2+1];
5331                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+2] = 0;
5332                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+3] = 0;
5333             }
5334         }
5335         break;
5336     default:
5337         gmx_incons("Unknown combination rule");
5338         break;
5339     }
5340 }
5341
5342 /* Initializes an nbnxn_atomdata_t data structure */
5343 void nbnxn_atomdata_init(FILE *fp,
5344                          nbnxn_atomdata_t *nbat,
5345                          int nb_kernel_type,
5346                          int ntype,const real *nbfp,
5347                          int n_energygroups,
5348                          int nout,
5349                          gmx_nbat_alloc_t *alloc,
5350                          gmx_nbat_free_t  *free)
5351 {
5352     int  i,j;
5353     real c6,c12,tol;
5354     char *ptr;
5355     gmx_bool simple,bCombGeom,bCombLB;
5356
5357     if (alloc == NULL)
5358     {
5359         nbat->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
5360     }
5361     else
5362     {
5363         nbat->alloc = alloc;
5364     }
5365     if (free == NULL)
5366     {
5367         nbat->free = nbnxn_free_aligned;
5368     }
5369     else
5370     {
5371         nbat->free = free;
5372     }
5373
5374     if (debug)
5375     {
5376         fprintf(debug,"There are %d atom types in the system, adding one for nbnxn_atomdata_t\n",ntype);
5377     }
5378     nbat->ntype = ntype + 1;
5379     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp,
5380                 nbat->ntype*nbat->ntype*2*sizeof(*nbat->nbfp));
5381     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp_comb,nbat->ntype*2*sizeof(*nbat->nbfp_comb));
5382
5383     /* A tolerance of 1e-5 seems reasonable for (possibly hand-typed)
5384      * force-field floating point parameters.
5385      */
5386     tol = 1e-5;
5387     ptr = getenv("GMX_LJCOMB_TOL");
5388     if (ptr != NULL)
5389     {
5390         double dbl;
5391
5392         sscanf(ptr,"%lf",&dbl);
5393         tol = dbl;
5394     }
5395     bCombGeom = TRUE;
5396     bCombLB   = TRUE;
5397
5398     /* Temporarily fill nbat->nbfp_comb with sigma and epsilon
5399      * to check for the LB rule.
5400      */
5401     for(i=0; i<ntype; i++)
5402     {
5403         c6  = nbfp[(i*ntype+i)*2  ];
5404         c12 = nbfp[(i*ntype+i)*2+1];
5405         if (c6 > 0 && c12 > 0)
5406         {
5407             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = pow(c12/c6,1.0/6.0);
5408             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0.25*c6*c6/c12;
5409         }
5410         else if (c6 == 0 && c12 == 0)
5411         {
5412             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0;
5413             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0;
5414         }
5415         else
5416         {
5417             /* Can not use LB rule with only dispersion or repulsion */
5418             bCombLB = FALSE;
5419         }
5420     }
5421
5422     for(i=0; i<nbat->ntype; i++)
5423     {
5424         for(j=0; j<nbat->ntype; j++)
5425         {
5426             if (i < ntype && j < ntype)
5427             {
5428                 /* We store the prefactor in the derivative of the potential
5429                  * in the parameter to avoid multiplications in the inner loop.
5430                  */
5431                 c6  = nbfp[(i*ntype+j)*2  ];
5432                 c12 = nbfp[(i*ntype+j)*2+1];
5433                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] =  6.0*c6;
5434                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = 12.0*c12;
5435
5436                 bCombGeom = bCombGeom &&
5437                     gmx_within_tol(c6*c6  ,nbfp[(i*ntype+i)*2  ]*nbfp[(j*ntype+j)*2  ],tol) &&
5438                     gmx_within_tol(c12*c12,nbfp[(i*ntype+i)*2+1]*nbfp[(j*ntype+j)*2+1],tol);
5439
5440                 bCombLB = bCombLB &&
5441                     ((c6 == 0 && c12 == 0 &&
5442                       (nbat->nbfp_comb[i*2+1] == 0 || nbat->nbfp_comb[j*2+1] == 0)) ||
5443                      (c6 > 0 && c12 > 0 &&
5444                       gmx_within_tol(pow(c12/c6,1.0/6.0),0.5*(nbat->nbfp_comb[i*2]+nbat->nbfp_comb[j*2]),tol) &&
5445                       gmx_within_tol(0.25*c6*c6/c12,sqrt(nbat->nbfp_comb[i*2+1]*nbat->nbfp_comb[j*2+1]),tol)));
5446             }
5447             else
5448             {
5449                 /* Add zero parameters for the additional dummy atom type */
5450                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = 0;
5451                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = 0;
5452             }
5453         }
5454     }
5455     if (debug)
5456     {
5457         fprintf(debug,"Combination rules: geometric %d Lorentz-Berthelot %d\n",
5458                 bCombGeom,bCombLB);
5459     }
5460
5461     simple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
5462
5463     if (simple)
5464     {
5465         /* We prefer the geometic combination rule,
5466          * as that gives a slightly faster kernel than the LB rule.
5467          */
5468         if (bCombGeom)
5469         {
5470             nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
5471         }
5472         else if (bCombLB)
5473         {
5474             nbat->comb_rule = ljcrLB;
5475         }
5476         else
5477         {
5478             nbat->comb_rule = ljcrNONE;
5479
5480             nbat->free(nbat->nbfp_comb);
5481         }
5482
5483         if (fp)
5484         {
5485             if (nbat->comb_rule == ljcrNONE)
5486             {
5487                 fprintf(fp,"Using full Lennard-Jones parameter combination matrix\n\n");
5488             }
5489             else
5490             {
5491                 fprintf(fp,"Using %s Lennard-Jones combination rule\n\n",
5492                         nbat->comb_rule==ljcrGEOM ? "geometric" : "Lorentz-Berthelot");
5493             }
5494         }
5495
5496         set_combination_rule_data(nbat);
5497     }
5498     else
5499     {
5500         nbat->comb_rule = ljcrNONE;
5501
5502         nbat->free(nbat->nbfp_comb);
5503     }
5504
5505     nbat->natoms  = 0;
5506     nbat->type    = NULL;
5507     nbat->lj_comb = NULL;
5508     if (simple)
5509     {
5510         switch (nb_kernel_type)
5511         {
5512         case nbk4xN_X86_SIMD128:
5513             nbat->XFormat = nbatX4;
5514             break;
5515         case nbk4xN_X86_SIMD256:
5516 #ifndef GMX_DOUBLE
5517             nbat->XFormat = nbatX8;
5518 #else
5519             nbat->XFormat = nbatX4;
5520 #endif
5521             break;
5522         default:
5523             nbat->XFormat = nbatXYZ;
5524             break;
5525         }
5526
5527         nbat->FFormat = nbat->XFormat;
5528     }
5529     else
5530     {
5531         nbat->XFormat = nbatXYZQ;
5532         nbat->FFormat = nbatXYZ;
5533     }
5534     nbat->q       = NULL;
5535     nbat->nenergrp = n_energygroups;
5536     if (!simple)
5537     {
5538         /* Energy groups not supported yet for super-sub lists */
5539         nbat->nenergrp = 1;
5540     }
5541     /* Temporary storage goes is #grp^3*8 real, so limit to 64 */
5542     if (nbat->nenergrp > 64)
5543     {
5544         gmx_fatal(FARGS,"With NxN kernels not more than 64 energy groups are supported\n");
5545     }
5546     nbat->neg_2log = 1;
5547     while (nbat->nenergrp > (1<<nbat->neg_2log))
5548     {
5549         nbat->neg_2log++;
5550     }
5551     nbat->energrp = NULL;
5552     nbat->alloc((void **)&nbat->shift_vec,SHIFTS*sizeof(*nbat->shift_vec));
5553     nbat->xstride = (nbat->XFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
5554     nbat->fstride = (nbat->FFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
5555     nbat->x       = NULL;
5556     nbat->nout    = nout;
5557     snew(nbat->out,nbat->nout);
5558     nbat->nalloc  = 0;
5559     for(i=0; i<nbat->nout; i++)
5560     {
5561         nbnxn_atomdata_output_init(&nbat->out[i],
5562                                    nb_kernel_type,
5563                                    nbat->nenergrp,1<<nbat->neg_2log,
5564                                    nbat->alloc);
5565     }
5566 }
5567
5568 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(const real *ljparam_type,
5569                                        const int *type,int na,
5570                                        real *ljparam_at)
5571 {
5572     int is,k,i;
5573
5574     /* The LJ params follow the combination rule:
5575      * copy the params for the type array to the atom array.
5576      */
5577     for(is=0; is<na; is+=PACK_X4)
5578     {
5579         for(k=0; k<PACK_X4; k++)
5580         {
5581             i = is + k;
5582             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
5583             ljparam_at[is*2+PACK_X4+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
5584         }
5585     }
5586 }
5587
5588 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(const real *ljparam_type,
5589                                        const int *type,int na,
5590                                        real *ljparam_at)
5591 {
5592     int is,k,i;
5593
5594     /* The LJ params follow the combination rule:
5595      * copy the params for the type array to the atom array.
5596      */
5597     for(is=0; is<na; is+=PACK_X8)
5598     {
5599         for(k=0; k<PACK_X8; k++)
5600         {
5601             i = is + k;
5602             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
5603             ljparam_at[is*2+PACK_X8+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
5604         }
5605     }
5606 }
5607
5608 /* Sets the atom type and LJ data in nbnxn_atomdata_t */
5609 static void nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbnxn_atomdata_t *nbat,
5610                                          int ngrid,
5611                                          const nbnxn_search_t nbs,
5612                                          const int *type)
5613 {
5614     int g,i,ncz,ash;
5615     const nbnxn_grid_t *grid;
5616
5617     for(g=0; g<ngrid; g++)
5618     {
5619         grid = &nbs->grid[g];
5620
5621         /* Loop over all columns and copy and fill */
5622         for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy; i++)
5623         {
5624             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
5625             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
5626
5627             copy_int_to_nbat_int(nbs->a+ash,grid->cxy_na[i],ncz*grid->na_sc,
5628                                  type,nbat->ntype-1,nbat->type+ash);
5629
5630             if (nbat->comb_rule != ljcrNONE)
5631             {
5632                 if (nbat->XFormat == nbatX4)
5633                 {
5634                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(nbat->nbfp_comb,
5635                                                nbat->type+ash,ncz*grid->na_sc,
5636                                                nbat->lj_comb+ash*2);
5637                 }
5638                 else if (nbat->XFormat == nbatX8)
5639                 {
5640                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(nbat->nbfp_comb,
5641                                                nbat->type+ash,ncz*grid->na_sc,
5642                                                nbat->lj_comb+ash*2);
5643                 }
5644             }
5645         }
5646     }
5647 }
5648
5649 /* Sets the charges in nbnxn_atomdata_t *nbat */
5650 static void nbnxn_atomdata_set_charges(nbnxn_atomdata_t *nbat,
5651                                        int ngrid,
5652                                        const nbnxn_search_t nbs,
5653                                        const real *charge)
5654 {
5655     int  g,cxy,ncz,ash,na,na_round,i,j;
5656     real *q;
5657     const nbnxn_grid_t *grid;
5658
5659     for(g=0; g<ngrid; g++)
5660     {
5661         grid = &nbs->grid[g];
5662
5663         /* Loop over all columns and copy and fill */
5664         for(cxy=0; cxy<grid->ncx*grid->ncy; cxy++)
5665         {
5666             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
5667             na  = grid->cxy_na[cxy];
5668             na_round = (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
5669
5670             if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
5671             {
5672                 q = nbat->x + ash*STRIDE_XYZQ + ZZ + 1;
5673                 for(i=0; i<na; i++)
5674                 {
5675                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
5676                     q += STRIDE_XYZQ;
5677                 }
5678                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
5679                 for(; i<na_round; i++)
5680                 {
5681                     *q = 0;
5682                     q += STRIDE_XYZQ;
5683                 }
5684             }
5685             else
5686             {
5687                 q = nbat->q + ash;
5688                 for(i=0; i<na; i++)
5689                 {
5690                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
5691                     q++;
5692                 }
5693                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
5694                 for(; i<na_round; i++)
5695                 {
5696                     *q = 0;
5697                     q++;
5698                 }
5699             }
5700         }
5701     }
5702 }
5703
5704 /* Copies the energy group indices to a reordered and packed array */
5705 static void copy_egp_to_nbat_egps(const int *a,int na,int na_round,
5706                                   int na_c,int bit_shift,
5707                                   const int *in,int *innb)
5708 {
5709     int i,j,sa,at;
5710     int comb;
5711
5712     j = 0;
5713     for(i=0; i<na; i+=na_c)
5714     {
5715         /* Store na_c energy groups number into one int */
5716         comb = 0;
5717         for(sa=0; sa<na_c; sa++)
5718         {
5719             at = a[i+sa];
5720             if (at >= 0)
5721             {
5722                 comb |= (GET_CGINFO_GID(in[at]) << (sa*bit_shift));
5723             }
5724         }
5725         innb[j++] = comb;
5726     }
5727     /* Complete the partially filled last cell with fill */
5728     for(; i<na_round; i+=na_c)
5729     {
5730         innb[j++] = 0;
5731     }
5732 }
5733
5734 /* Set the energy group indices for atoms in nbnxn_atomdata_t */
5735 static void nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbnxn_atomdata_t *nbat,
5736                                             int ngrid,
5737                                             const nbnxn_search_t nbs,
5738                                             const int *atinfo)
5739 {
5740     int g,i,ncz,ash;
5741     const nbnxn_grid_t *grid;
5742
5743     for(g=0; g<ngrid; g++)
5744     {
5745         grid = &nbs->grid[g];
5746
5747         /* Loop over all columns and copy and fill */
5748         for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy; i++)
5749         {
5750             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
5751             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
5752
5753             copy_egp_to_nbat_egps(nbs->a+ash,grid->cxy_na[i],ncz*grid->na_sc,
5754                                   nbat->na_c,nbat->neg_2log,
5755                                   atinfo,nbat->energrp+(ash>>grid->na_c_2log));
5756         }
5757     }
5758 }
5759
5760 /* Sets all required atom parameter data in nbnxn_atomdata_t */
5761 void nbnxn_atomdata_set(nbnxn_atomdata_t *nbat,
5762                         int locality,
5763                         const nbnxn_search_t nbs,
5764                         const t_mdatoms *mdatoms,
5765                         const int *atinfo)
5766 {
5767     int ngrid;
5768
5769     if (locality == eatLocal)
5770     {
5771         ngrid = 1;
5772     }
5773     else
5774     {
5775         ngrid = nbs->ngrid;
5776     }
5777
5778     nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbat,ngrid,nbs,mdatoms->typeA);
5779
5780     nbnxn_atomdata_set_charges(nbat,ngrid,nbs,mdatoms->chargeA);
5781
5782     if (nbat->nenergrp > 1)
5783     {
5784         nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbat,ngrid,nbs,atinfo);
5785     }
5786 }
5787
5788 /* Copies the shift vector array to nbnxn_atomdata_t */
5789 void nbnxn_atomdata_copy_shiftvec(gmx_bool bDynamicBox,
5790                                    rvec *shift_vec,
5791                                    nbnxn_atomdata_t *nbat)
5792 {
5793     int i;
5794
5795     nbat->bDynamicBox = bDynamicBox;
5796     for(i=0; i<SHIFTS; i++)
5797     {
5798         copy_rvec(shift_vec[i],nbat->shift_vec[i]);
5799     }
5800 }
5801
5802 /* Copies (and reorders) the coordinates to nbnxn_atomdata_t */
5803 void nbnxn_atomdata_copy_x_to_nbat_x(const nbnxn_search_t nbs,
5804                                       int locality,
5805                                       gmx_bool FillLocal,
5806                                       rvec *x,
5807                                       nbnxn_atomdata_t *nbat)
5808 {
5809     int g0=0,g1=0;
5810     int nth,th;
5811
5812     switch (locality)
5813     {
5814     case eatAll:
5815         g0 = 0;
5816         g1 = nbs->ngrid;
5817         break;
5818     case eatLocal:
5819         g0 = 0;
5820         g1 = 1;
5821         break;
5822     case eatNonlocal:
5823         g0 = 1;
5824         g1 = nbs->ngrid;
5825         break;
5826     }
5827
5828     if (FillLocal)
5829     {
5830         nbat->natoms_local = nbs->grid[0].nc*nbs->grid[0].na_sc;
5831     }
5832
5833     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
5834
5835 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
5836     for(th=0; th<nth; th++)
5837     {
5838         int g;
5839
5840         for(g=g0; g<g1; g++)
5841         {
5842             const nbnxn_grid_t *grid;
5843             int cxy0,cxy1,cxy;
5844
5845             grid = &nbs->grid[g];
5846
5847             cxy0 = (grid->ncx*grid->ncy* th   +nth-1)/nth;
5848             cxy1 = (grid->ncx*grid->ncy*(th+1)+nth-1)/nth;
5849
5850             for(cxy=cxy0; cxy<cxy1; cxy++)
5851             {
5852                 int na,ash,na_fill;
5853
5854                 na  = grid->cxy_na[cxy];
5855                 ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
5856
5857                 if (g == 0 && FillLocal)
5858                 {
5859                     na_fill =
5860                         (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
5861                 }
5862                 else
5863                 {
5864                     /* We fill only the real particle locations.
5865                      * We assume the filling entries at the end have been
5866                      * properly set before during ns.
5867                      */
5868                     na_fill = na;
5869                 }
5870                 copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+ash,na,na_fill,x,
5871                                        nbat->XFormat,nbat->x,ash,
5872                                        0,0,0);
5873             }
5874         }
5875     }
5876 }
5877
5878 /* Add part of the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
5879 static void
5880 nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(const nbnxn_search_t nbs,
5881                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
5882                                     nbnxn_atomdata_output_t *out,
5883                                     int nfa,
5884                                     int a0,int a1,
5885                                     rvec *f)
5886 {
5887     int  a,i,fa;
5888     const int  *cell;
5889     const real *fnb;
5890
5891     cell = nbs->cell;
5892
5893     /* Loop over all columns and copy and fill */
5894     switch (nbat->FFormat)
5895     {
5896     case nbatXYZ:
5897     case nbatXYZQ:
5898         if (nfa == 1)
5899         {
5900             fnb = out[0].f;
5901
5902             for(a=a0; a<a1; a++)
5903             {
5904                 i = cell[a]*nbat->fstride;
5905
5906                 f[a][XX] += fnb[i];
5907                 f[a][YY] += fnb[i+1];
5908                 f[a][ZZ] += fnb[i+2];
5909             }
5910         }
5911         else
5912         {
5913             for(a=a0; a<a1; a++)
5914             {
5915                 i = cell[a]*nbat->fstride;
5916
5917                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
5918                 {
5919                     f[a][XX] += out[fa].f[i];
5920                     f[a][YY] += out[fa].f[i+1];
5921                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+2];
5922                 }
5923             }
5924         }
5925         break;
5926     case nbatX4:
5927         if (nfa == 1)
5928         {
5929             fnb = out[0].f;
5930
5931             for(a=a0; a<a1; a++)
5932             {
5933                 i = X4_IND_A(cell[a]);
5934
5935                 f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X4];
5936                 f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X4];
5937                 f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X4];
5938             }
5939         }
5940         else
5941         {
5942             for(a=a0; a<a1; a++)
5943             {
5944                 i = X4_IND_A(cell[a]);
5945
5946                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
5947                 {
5948                     f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X4];
5949                     f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X4];
5950                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X4];
5951                 }
5952             }
5953         }
5954         break;
5955     case nbatX8:
5956         if (nfa == 1)
5957         {
5958             fnb = out[0].f;
5959
5960             for(a=a0; a<a1; a++)
5961             {
5962                 i = X8_IND_A(cell[a]);
5963
5964                 f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X8];
5965                 f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X8];
5966                 f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X8];
5967             }
5968         }
5969         else
5970         {
5971             for(a=a0; a<a1; a++)
5972             {
5973                 i = X8_IND_A(cell[a]);
5974
5975                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
5976                 {
5977                     f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X8];
5978                     f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X8];
5979                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X8];
5980                 }
5981             }
5982         }
5983         break;
5984     }
5985 }
5986
5987 /* Add the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
5988 void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f(const nbnxn_search_t nbs,
5989                                     int locality,
5990                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
5991                                     rvec *f)
5992 {
5993     int a0=0,na=0;
5994     int nth,th;
5995
5996     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
5997
5998     switch (locality)
5999     {
6000     case eatAll:
6001         a0 = 0;
6002         na = nbs->natoms_nonlocal;
6003         break;
6004     case eatLocal:
6005         a0 = 0;
6006         na = nbs->natoms_local;
6007         break;
6008     case eatNonlocal:
6009         a0 = nbs->natoms_local;
6010         na = nbs->natoms_nonlocal - nbs->natoms_local;
6011         break;
6012     }
6013
6014     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
6015 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
6016     for(th=0; th<nth; th++)
6017     {
6018         nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(nbs,nbat,
6019                                              nbat->out,
6020                                              nbat->nout,
6021                                              a0+((th+0)*na)/nth,
6022                                              a0+((th+1)*na)/nth,
6023                                              f);
6024     }
6025
6026     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
6027 }
6028
6029 /* Adds the shift forces from nbnxn_atomdata_t to fshift */
6030 void nbnxn_atomdata_add_nbat_fshift_to_fshift(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
6031                                               rvec *fshift)
6032 {
6033     const nbnxn_atomdata_output_t *out;
6034     int  th;
6035     int  s;
6036     rvec sum;
6037
6038     out = nbat->out;
6039
6040     for(s=0; s<SHIFTS; s++)
6041     {
6042         clear_rvec(sum);
6043         for(th=0; th<nbat->nout; th++)
6044         {
6045             sum[XX] += out[th].fshift[s*DIM+XX];
6046             sum[YY] += out[th].fshift[s*DIM+YY];
6047             sum[ZZ] += out[th].fshift[s*DIM+ZZ];
6048         }
6049         rvec_inc(fshift[s],sum);
6050     }
6051 }