src/gromacs/mdlib/nbnxn_search.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35
  36 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  37 #include <config.h>
  38 #endif
  39
  40 #include <math.h>
  41 #include <string.h>
  42 #include <assert.h>
  43
  44 #include "sysstuff.h"
  45 #include "smalloc.h"
  46 #include "macros.h"
  47 #include "gromacs/math/utilities.h"
  48 #include "vec.h"
  49 #include "pbc.h"
  50 #include "nbnxn_consts.h"
  51 /* nbnxn_internal.h included gromacs/simd/macros.h */
  52 #include "nbnxn_internal.h"
  53 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
  54 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
  55 #endif
  56 #include "nbnxn_atomdata.h"
  57 #include "nbnxn_search.h"
  58 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  59 #include "nrnb.h"
  60 #include "ns.h"
  61
  62 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  63
  64 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
  65 /* Always use 4-wide SIMD for bounding box calculations */
  66
  67 #    ifndef GMX_DOUBLE
  68 /* Single precision BBs + coordinates, we can also load coordinates with SIMD */
  69 #        define NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
  70 #    endif
  71
  72 #    if defined NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB && (GPU_NSUBCELL == 4 || GPU_NSUBCELL == 8)
  73 /* Store bounding boxes with x, y and z coordinates in packs of 4 */
  74 #        define NBNXN_PBB_SIMD4
  75 #    endif
  76
  77 /* The packed bounding box coordinate stride is always set to 4.
  78  * With AVX we could use 8, but that turns out not to be faster.
  79  */
  80 #    define STRIDE_PBB        4
  81 #    define STRIDE_PBB_2LOG   2
  82
  83 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
  84
  85 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
  86
  87 /* The functions below are macros as they are performance sensitive */
  88
  89 /* 4x4 list, pack=4: no complex conversion required */
  90 /* i-cluster to j-cluster conversion */
  91 #define CI_TO_CJ_J4(ci)   (ci)
  92 /* cluster index to coordinate array index conversion */
  93 #define X_IND_CI_J4(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
  94 #define X_IND_CJ_J4(cj)  ((cj)*STRIDE_P4)
  95
  96 /* 4x2 list, pack=4: j-cluster size is half the packing width */
  97 /* i-cluster to j-cluster conversion */
  98 #define CI_TO_CJ_J2(ci)  ((ci)<<1)
  99 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 100 #define X_IND_CI_J2(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
 101 #define X_IND_CJ_J2(cj)  (((cj)>>1)*STRIDE_P4 + ((cj) & 1)*(PACK_X4>>1))
 102
 103 /* 4x8 list, pack=8: i-cluster size is half the packing width */
 104 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 105 #define CI_TO_CJ_J8(ci)  ((ci)>>1)
 106 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 107 #define X_IND_CI_J8(ci)  (((ci)>>1)*STRIDE_P8 + ((ci) & 1)*(PACK_X8>>1))
 108 #define X_IND_CJ_J8(cj)  ((cj)*STRIDE_P8)
 109
 110 /* The j-cluster size is matched to the SIMD width */
 111 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
 112 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J2(ci)
 113 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J2(ci)
 114 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J2(cj)
 115 #else
 116 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 4
 117 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J4(ci)
 118 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J4(ci)
 119 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J4(cj)
 120 #else
 121 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 8
 122 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J8(ci)
 123 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J8(ci)
 124 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J8(cj)
 125 /* Half SIMD with j-cluster size */
 126 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J4(ci)
 127 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J4(ci)
 128 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J4(cj)
 129 #else
 130 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 16
 131 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J8(ci)
 132 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J8(ci)
 133 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J8(cj)
 134 #else
 135 #error "unsupported GMX_SIMD_REAL_WIDTH"
 136 #endif
 137 #endif
 138 #endif
 139 #endif
 140
 141 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
 142
 143
 144 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 145 /* Store bounding boxes corners as quadruplets: xxxxyyyyzzzz */
 146 #define NBNXN_BBXXXX
 147 /* Size of bounding box corners quadruplet */
 148 #define NNBSBB_XXXX      (NNBSBB_D*DIM*STRIDE_PBB)
 149 #endif
 150
 151 /* We shift the i-particles backward for PBC.
 152  * This leads to more conditionals than shifting forward.
 153  * We do this to get more balanced pair lists.
 154  */
 155 #define NBNXN_SHIFT_BACKWARD
 156
 157
 158 /* This define is a lazy way to avoid interdependence of the grid
 159  * and searching data structures.
 160  */
 161 #define NBNXN_NA_SC_MAX (GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE)
 162
 163
 164 static void nbs_cycle_clear(nbnxn_cycle_t *cc)
 165 {
 166     int i;
 167
 168     for (i = 0; i < enbsCCnr; i++)
 169     {
 170         cc[i].count = 0;
 171         cc[i].c     = 0;
 172     }
 173 }
 174
 175 static double Mcyc_av(const nbnxn_cycle_t *cc)
 176 {
 177     return (double)cc->c*1e-6/cc->count;
 178 }
 179
 180 static void nbs_cycle_print(FILE *fp, const nbnxn_search_t nbs)
 181 {
 182     int n;
 183     int t;
 184
 185     fprintf(fp, "\n");
 186     fprintf(fp, "ns %4d grid %4.1f search %4.1f red.f %5.3f",
 187             nbs->cc[enbsCCgrid].count,
 188             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCgrid]),
 189             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCsearch]),
 190             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCreducef]));
 191
 192     if (nbs->nthread_max > 1)
 193     {
 194         if (nbs->cc[enbsCCcombine].count > 0)
 195         {
 196             fprintf(fp, " comb %5.2f",
 197                     Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCcombine]));
 198         }
 199         fprintf(fp, " s. th");
 200         for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 201         {
 202             fprintf(fp, " %4.1f",
 203                     Mcyc_av(&nbs->work[t].cc[enbsCCsearch]));
 204         }
 205     }
 206     fprintf(fp, "\n");
 207 }
 208
 209 static void nbnxn_grid_init(nbnxn_grid_t * grid)
 210 {
 211     grid->cxy_na      = NULL;
 212     grid->cxy_ind     = NULL;
 213     grid->cxy_nalloc  = 0;
 214     grid->bb          = NULL;
 215     grid->bbj         = NULL;
 216     grid->nc_nalloc   = 0;
 217 }
 218
 219 static int get_2log(int n)
 220 {
 221     int log2;
 222
 223     log2 = 0;
 224     while ((1<<log2) < n)
 225     {
 226         log2++;
 227     }
 228     if ((1<<log2) != n)
 229     {
 230         gmx_fatal(FARGS, "nbnxn na_c (%d) is not a power of 2", n);
 231     }
 232
 233     return log2;
 234 }
 235
 236 static int nbnxn_kernel_to_ci_size(int nb_kernel_type)
 237 {
 238     switch (nb_kernel_type)
 239     {
 240         case nbnxnk4x4_PlainC:
 241         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 242         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 243             return NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 244         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 245         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 246             /* The cluster size for super/sub lists is only set here.
 247              * Any value should work for the pair-search and atomdata code.
 248              * The kernels, of course, might require a particular value.
 249              */
 250             return NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE;
 251         default:
 252             gmx_incons("unknown kernel type");
 253     }
 254
 255     return 0;
 256 }
 257
 258 int nbnxn_kernel_to_cj_size(int nb_kernel_type)
 259 {
 260     int nbnxn_simd_width = 0;
 261     int cj_size          = 0;
 262
 263 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 264     nbnxn_simd_width = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
 265 #endif
 266
 267     switch (nb_kernel_type)
 268     {
 269         case nbnxnk4x4_PlainC:
 270             cj_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 271             break;
 272         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 273             cj_size = nbnxn_simd_width;
 274             break;
 275         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 276             cj_size = nbnxn_simd_width/2;
 277             break;
 278         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 279         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 280             cj_size = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
 281             break;
 282         default:
 283             gmx_incons("unknown kernel type");
 284     }
 285
 286     return cj_size;
 287 }
 288
 289 static int ci_to_cj(int na_cj_2log, int ci)
 290 {
 291     switch (na_cj_2log)
 292     {
 293         case 2: return ci;     break;
 294         case 1: return (ci<<1); break;
 295         case 3: return (ci>>1); break;
 296     }
 297
 298     return 0;
 299 }
 300
 301 gmx_bool nbnxn_kernel_pairlist_simple(int nb_kernel_type)
 302 {
 303     if (nb_kernel_type == nbnxnkNotSet)
 304     {
 305         gmx_fatal(FARGS, "Non-bonded kernel type not set for Verlet-style pair-list.");
 306     }
 307
 308     switch (nb_kernel_type)
 309     {
 310         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 311         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 312             return FALSE;
 313
 314         case nbnxnk4x4_PlainC:
 315         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 316         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 317             return TRUE;
 318
 319         default:
 320             gmx_incons("Invalid nonbonded kernel type passed!");
 321             return FALSE;
 322     }
 323 }
 324
 325 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
 326 static void nbnxn_init_pairlist_fep(t_nblist *nl)
 327 {
 328     nl->type        = GMX_NBLIST_INTERACTION_FREE_ENERGY;
 329     nl->igeometry   = GMX_NBLIST_GEOMETRY_PARTICLE_PARTICLE;
 330     /* The interaction functions are set in the free energy kernel fuction */
 331     nl->ivdw        = -1;
 332     nl->ivdwmod     = -1;
 333     nl->ielec       = -1;
 334     nl->ielecmod    = -1;
 335
 336     nl->maxnri      = 0;
 337     nl->maxnrj      = 0;
 338     nl->nri         = 0;
 339     nl->nrj         = 0;
 340     nl->iinr        = NULL;
 341     nl->gid         = NULL;
 342     nl->shift       = NULL;
 343     nl->jindex      = NULL;
 344     nl->jjnr        = NULL;
 345     nl->excl_fep    = NULL;
 346
 347 }
 348
 349 void nbnxn_init_search(nbnxn_search_t    * nbs_ptr,
 350                        ivec               *n_dd_cells,
 351                        gmx_domdec_zones_t *zones,
 352                        gmx_bool            bFEP,
 353                        int                 nthread_max)
 354 {
 355     nbnxn_search_t nbs;
 356     int            d, g, t;
 357
 358     snew(nbs, 1);
 359     *nbs_ptr = nbs;
 360
 361     nbs->bFEP   = bFEP;
 362
 363     nbs->DomDec = (n_dd_cells != NULL);
 364
 365     clear_ivec(nbs->dd_dim);
 366     nbs->ngrid = 1;
 367     if (nbs->DomDec)
 368     {
 369         nbs->zones = zones;
 370
 371         for (d = 0; d < DIM; d++)
 372         {
 373             if ((*n_dd_cells)[d] > 1)
 374             {
 375                 nbs->dd_dim[d] = 1;
 376                 /* Each grid matches a DD zone */
 377                 nbs->ngrid *= 2;
 378             }
 379         }
 380     }
 381
 382     snew(nbs->grid, nbs->ngrid);
 383     for (g = 0; g < nbs->ngrid; g++)
 384     {
 385         nbnxn_grid_init(&nbs->grid[g]);
 386     }
 387     nbs->cell        = NULL;
 388     nbs->cell_nalloc = 0;
 389     nbs->a           = NULL;
 390     nbs->a_nalloc    = 0;
 391
 392     nbs->nthread_max = nthread_max;
 393
 394     /* Initialize the work data structures for each thread */
 395     snew(nbs->work, nbs->nthread_max);
 396     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 397     {
 398         nbs->work[t].cxy_na           = NULL;
 399         nbs->work[t].cxy_na_nalloc    = 0;
 400         nbs->work[t].sort_work        = NULL;
 401         nbs->work[t].sort_work_nalloc = 0;
 402
 403         snew(nbs->work[t].nbl_fep, 1);
 404         nbnxn_init_pairlist_fep(nbs->work[t].nbl_fep);
 405     }
 406
 407     /* Initialize detailed nbsearch cycle counting */
 408     nbs->print_cycles = (getenv("GMX_NBNXN_CYCLE") != 0);
 409     nbs->search_count = 0;
 410     nbs_cycle_clear(nbs->cc);
 411     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 412     {
 413         nbs_cycle_clear(nbs->work[t].cc);
 414     }
 415 }
 416
 417 static real grid_atom_density(int n, rvec corner0, rvec corner1)
 418 {
 419     rvec size;
 420
 421     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 422
 423     return n/(size[XX]*size[YY]*size[ZZ]);
 424 }
 425
 426 static int set_grid_size_xy(const nbnxn_search_t nbs,
 427                             nbnxn_grid_t *grid,
 428                             int dd_zone,
 429                             int n, rvec corner0, rvec corner1,
 430                             real atom_density)
 431 {
 432     rvec size;
 433     int  na_c;
 434     real adens, tlen, tlen_x, tlen_y, nc_max;
 435     int  t;
 436
 437     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 438
 439     if (n > grid->na_sc)
 440     {
 441         /* target cell length */
 442         if (grid->bSimple)
 443         {
 444             /* To minimize the zero interactions, we should make
 445              * the largest of the i/j cell cubic.
 446              */
 447             na_c = max(grid->na_c, grid->na_cj);
 448
 449             /* Approximately cubic cells */
 450             tlen   = pow(na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 451             tlen_x = tlen;
 452             tlen_y = tlen;
 453         }
 454         else
 455         {
 456             /* Approximately cubic sub cells */
 457             tlen   = pow(grid->na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 458             tlen_x = tlen*GPU_NSUBCELL_X;
 459             tlen_y = tlen*GPU_NSUBCELL_Y;
 460         }
 461         /* We round ncx and ncy down, because we get less cell pairs
 462          * in the nbsist when the fixed cell dimensions (x,y) are
 463          * larger than the variable one (z) than the other way around.
 464          */
 465         grid->ncx = max(1, (int)(size[XX]/tlen_x));
 466         grid->ncy = max(1, (int)(size[YY]/tlen_y));
 467     }
 468     else
 469     {
 470         grid->ncx = 1;
 471         grid->ncy = 1;
 472     }
 473
 474     grid->sx     = size[XX]/grid->ncx;
 475     grid->sy     = size[YY]/grid->ncy;
 476     grid->inv_sx = 1/grid->sx;
 477     grid->inv_sy = 1/grid->sy;
 478
 479     if (dd_zone > 0)
 480     {
 481         /* This is a non-home zone, add an extra row of cells
 482          * for particles communicated for bonded interactions.
 483          * These can be beyond the cut-off. It doesn't matter where
 484          * they end up on the grid, but for performance it's better
 485          * if they don't end up in cells that can be within cut-off range.
 486          */
 487         grid->ncx++;
 488         grid->ncy++;
 489     }
 490
 491     /* We need one additional cell entry for particles moved by DD */
 492     if (grid->ncx*grid->ncy+1 > grid->cxy_nalloc)
 493     {
 494         grid->cxy_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 495         srenew(grid->cxy_na, grid->cxy_nalloc);
 496         srenew(grid->cxy_ind, grid->cxy_nalloc+1);
 497     }
 498     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 499     {
 500         if (grid->ncx*grid->ncy+1 > nbs->work[t].cxy_na_nalloc)
 501         {
 502             nbs->work[t].cxy_na_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 503             srenew(nbs->work[t].cxy_na, nbs->work[t].cxy_na_nalloc);
 504         }
 505     }
 506
 507     /* Worst case scenario of 1 atom in each last cell */
 508     if (grid->na_cj <= grid->na_c)
 509     {
 510         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy;
 511     }
 512     else
 513     {
 514         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy*grid->na_cj/grid->na_c;
 515     }
 516
 517     if (nc_max > grid->nc_nalloc)
 518     {
 519         grid->nc_nalloc = over_alloc_large(nc_max);
 520         srenew(grid->nsubc, grid->nc_nalloc);
 521         srenew(grid->bbcz, grid->nc_nalloc*NNBSBB_D);
 522
 523         sfree_aligned(grid->bb);
 524         /* This snew also zeros the contents, this avoid possible
 525          * floating exceptions in SIMD with the unused bb elements.
 526          */
 527         if (grid->bSimple)
 528         {
 529             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc, 16);
 530         }
 531         else
 532         {
 533 #ifdef NBNXN_BBXXXX
 534             int pbb_nalloc;
 535
 536             pbb_nalloc = grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX;
 537             snew_aligned(grid->pbb, pbb_nalloc, 16);
 538 #else
 539             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL, 16);
 540 #endif
 541         }
 542
 543         if (grid->bSimple)
 544         {
 545             if (grid->na_cj == grid->na_c)
 546             {
 547                 grid->bbj = grid->bb;
 548             }
 549             else
 550             {
 551                 sfree_aligned(grid->bbj);
 552                 snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc*grid->na_c/grid->na_cj, 16);
 553             }
 554         }
 555
 556         srenew(grid->flags, grid->nc_nalloc);
 557         if (nbs->bFEP)
 558         {
 559             srenew(grid->fep, grid->nc_nalloc*grid->na_sc/grid->na_c);
 560         }
 561     }
 562
 563     copy_rvec(corner0, grid->c0);
 564     copy_rvec(corner1, grid->c1);
 565
 566     return nc_max;
 567 }
 568
 569 /* We need to sort paricles in grid columns on z-coordinate.
 570  * As particle are very often distributed homogeneously, we a sorting
 571  * algorithm similar to pigeonhole sort. We multiply the z-coordinate
 572  * by a factor, cast to an int and try to store in that hole. If the hole
 573  * is full, we move this or another particle. A second pass is needed to make
 574  * contiguous elements. SORT_GRID_OVERSIZE is the ratio of holes to particles.
 575  * 4 is the optimal value for homogeneous particle distribution and allows
 576  * for an O(#particles) sort up till distributions were all particles are
 577  * concentrated in 1/4 of the space. No NlogN fallback is implemented,
 578  * as it can be expensive to detect imhomogeneous particle distributions.
 579  * SGSF is the maximum ratio of holes used, in the worst case all particles
 580  * end up in the last hole and we need #particles extra holes at the end.
 581  */
 582 #define SORT_GRID_OVERSIZE 4
 583 #define SGSF (SORT_GRID_OVERSIZE + 1)
 584
 585 /* Sort particle index a on coordinates x along dim.
 586  * Backwards tells if we want decreasing iso increasing coordinates.
 587  * h0 is the minimum of the coordinate range.
 588  * invh is the 1/length of the sorting range.
 589  * n_per_h (>=n) is the expected average number of particles per 1/invh
 590  * sort is the sorting work array.
 591  * sort should have a size of at least n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n,
 592  * or easier, allocate at least n*SGSF elements.
 593  */
 594 static void sort_atoms(int dim, gmx_bool Backwards,
 595                        int gmx_unused dd_zone,
 596                        int *a, int n, rvec *x,
 597                        real h0, real invh, int n_per_h,
 598                        int *sort)
 599 {
 600     int nsort, i, c;
 601     int zi, zim, zi_min, zi_max;
 602     int cp, tmp;
 603
 604     if (n <= 1)
 605     {
 606         /* Nothing to do */
 607         return;
 608     }
 609
 610 #ifndef NDEBUG
 611     if (n > n_per_h)
 612     {
 613         gmx_incons("n > n_per_h");
 614     }
 615 #endif
 616
 617     /* Transform the inverse range height into the inverse hole height */
 618     invh *= n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE;
 619
 620     /* Set nsort to the maximum possible number of holes used.
 621      * In worst case all n elements end up in the last bin.
 622      */
 623     nsort = n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n;
 624
 625     /* Determine the index range used, so we can limit it for the second pass */
 626     zi_min = INT_MAX;
 627     zi_max = -1;
 628
 629     /* Sort the particles using a simple index sort */
 630     for (i = 0; i < n; i++)
 631     {
 632         /* The cast takes care of float-point rounding effects below zero.
 633          * This code assumes particles are less than 1/SORT_GRID_OVERSIZE
 634          * times the box height out of the box.
 635          */
 636         zi = (int)((x[a[i]][dim] - h0)*invh);
 637
 638 #ifndef NDEBUG
 639         /* As we can have rounding effect, we use > iso >= here */
 640         if (zi < 0 || (dd_zone == 0 && zi > n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE))
 641         {
 642             gmx_fatal(FARGS, "(int)((x[%d][%c]=%f - %f)*%f) = %d, not in 0 - %d*%d\n",
 643                       a[i], 'x'+dim, x[a[i]][dim], h0, invh, zi,
 644                       n_per_h, SORT_GRID_OVERSIZE);
 645         }
 646 #endif
 647
 648         /* In a non-local domain, particles communcated for bonded interactions
 649          * can be far beyond the grid size, which is set by the non-bonded
 650          * cut-off distance. We sort such particles into the last cell.
 651          */
 652         if (zi > n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE)
 653         {
 654             zi = n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE;
 655         }
 656
 657         /* Ideally this particle should go in sort cell zi,
 658          * but that might already be in use,
 659          * in that case find the first empty cell higher up
 660          */
 661         if (sort[zi] < 0)
 662         {
 663             sort[zi] = a[i];
 664             zi_min   = min(zi_min, zi);
 665             zi_max   = max(zi_max, zi);
 666         }
 667         else
 668         {
 669             /* We have multiple atoms in the same sorting slot.
 670              * Sort on real z for minimal bounding box size.
 671              * There is an extra check for identical z to ensure
 672              * well-defined output order, independent of input order
 673              * to ensure binary reproducibility after restarts.
 674              */
 675             while (sort[zi] >= 0 && ( x[a[i]][dim] >  x[sort[zi]][dim] ||
 676                                       (x[a[i]][dim] == x[sort[zi]][dim] &&
 677                                        a[i] > sort[zi])))
 678             {
 679                 zi++;
 680             }
 681
 682             if (sort[zi] >= 0)
 683             {
 684                 /* Shift all elements by one slot until we find an empty slot */
 685                 cp  = sort[zi];
 686                 zim = zi + 1;
 687                 while (sort[zim] >= 0)
 688                 {
 689                     tmp       = sort[zim];
 690                     sort[zim] = cp;
 691                     cp        = tmp;
 692                     zim++;
 693                 }
 694                 sort[zim] = cp;
 695                 zi_max    = max(zi_max, zim);
 696             }
 697             sort[zi] = a[i];
 698             zi_max   = max(zi_max, zi);
 699         }
 700     }
 701
 702     c = 0;
 703     if (!Backwards)
 704     {
 705         for (zi = 0; zi < nsort; zi++)
 706         {
 707             if (sort[zi] >= 0)
 708             {
 709                 a[c++]   = sort[zi];
 710                 sort[zi] = -1;
 711             }
 712         }
 713     }
 714     else
 715     {
 716         for (zi = zi_max; zi >= zi_min; zi--)
 717         {
 718             if (sort[zi] >= 0)
 719             {
 720                 a[c++]   = sort[zi];
 721                 sort[zi] = -1;
 722             }
 723         }
 724     }
 725     if (c < n)
 726     {
 727         gmx_incons("Lost particles while sorting");
 728     }
 729 }
 730
 731 #ifdef GMX_DOUBLE
 732 #define R2F_D(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 733 #define R2F_U(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 734 #else
 735 #define R2F_D(x) (x)
 736 #define R2F_U(x) (x)
 737 #endif
 738
 739 /* Coordinate order x,y,z, bb order xyz0 */
 740 static void calc_bounding_box(int na, int stride, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 741 {
 742     int  i, j;
 743     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 744
 745     i  = 0;
 746     xl = x[i+XX];
 747     xh = x[i+XX];
 748     yl = x[i+YY];
 749     yh = x[i+YY];
 750     zl = x[i+ZZ];
 751     zh = x[i+ZZ];
 752     i += stride;
 753     for (j = 1; j < na; j++)
 754     {
 755         xl = min(xl, x[i+XX]);
 756         xh = max(xh, x[i+XX]);
 757         yl = min(yl, x[i+YY]);
 758         yh = max(yh, x[i+YY]);
 759         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 760         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 761         i += stride;
 762     }
 763     /* Note: possible double to float conversion here */
 764     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 765     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 766     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 767     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 768     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 769     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 770 }
 771
 772 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 773 static void calc_bounding_box_x_x4(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 774 {
 775     int  j;
 776     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 777
 778     xl = x[XX*PACK_X4];
 779     xh = x[XX*PACK_X4];
 780     yl = x[YY*PACK_X4];
 781     yh = x[YY*PACK_X4];
 782     zl = x[ZZ*PACK_X4];
 783     zh = x[ZZ*PACK_X4];
 784     for (j = 1; j < na; j++)
 785     {
 786         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X4]);
 787         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X4]);
 788         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X4]);
 789         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X4]);
 790         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 791         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 792     }
 793     /* Note: possible double to float conversion here */
 794     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 795     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 796     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 797     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 798     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 799     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 800 }
 801
 802 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 803 static void calc_bounding_box_x_x8(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 804 {
 805     int  j;
 806     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 807
 808     xl = x[XX*PACK_X8];
 809     xh = x[XX*PACK_X8];
 810     yl = x[YY*PACK_X8];
 811     yh = x[YY*PACK_X8];
 812     zl = x[ZZ*PACK_X8];
 813     zh = x[ZZ*PACK_X8];
 814     for (j = 1; j < na; j++)
 815     {
 816         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X8]);
 817         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X8]);
 818         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X8]);
 819         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X8]);
 820         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 821         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 822     }
 823     /* Note: possible double to float conversion here */
 824     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 825     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 826     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 827     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 828     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 829     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 830 }
 831
 832 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 833 static void calc_bounding_box_x_x4_halves(int na, const real *x,
 834                                           nbnxn_bb_t *bb, nbnxn_bb_t *bbj)
 835 {
 836     calc_bounding_box_x_x4(min(na, 2), x, bbj);
 837
 838     if (na > 2)
 839     {
 840         calc_bounding_box_x_x4(min(na-2, 2), x+(PACK_X4>>1), bbj+1);
 841     }
 842     else
 843     {
 844         /* Set the "empty" bounding box to the same as the first one,
 845          * so we don't need to treat special cases in the rest of the code.
 846          */
 847 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 848         gmx_simd4_store_f(&bbj[1].lower[0], gmx_simd4_load_f(&bbj[0].lower[0]));
 849         gmx_simd4_store_f(&bbj[1].upper[0], gmx_simd4_load_f(&bbj[0].upper[0]));
 850 #else
 851         bbj[1] = bbj[0];
 852 #endif
 853     }
 854
 855 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 856     gmx_simd4_store_f(&bb->lower[0],
 857                       gmx_simd4_min_f(gmx_simd4_load_f(&bbj[0].lower[0]),
 858                                       gmx_simd4_load_f(&bbj[1].lower[0])));
 859     gmx_simd4_store_f(&bb->upper[0],
 860                       gmx_simd4_max_f(gmx_simd4_load_f(&bbj[0].upper[0]),
 861                                       gmx_simd4_load_f(&bbj[1].upper[0])));
 862 #else
 863     {
 864         int i;
 865
 866         for (i = 0; i < NNBSBB_C; i++)
 867         {
 868             bb->lower[i] = min(bbj[0].lower[i], bbj[1].lower[i]);
 869             bb->upper[i] = max(bbj[0].upper[i], bbj[1].upper[i]);
 870         }
 871     }
 872 #endif
 873 }
 874
 875 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 876
 877 /* Coordinate order xyz, bb order xxxxyyyyzzzz */
 878 static void calc_bounding_box_xxxx(int na, int stride, const real *x, float *bb)
 879 {
 880     int  i, j;
 881     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 882
 883     i  = 0;
 884     xl = x[i+XX];
 885     xh = x[i+XX];
 886     yl = x[i+YY];
 887     yh = x[i+YY];
 888     zl = x[i+ZZ];
 889     zh = x[i+ZZ];
 890     i += stride;
 891     for (j = 1; j < na; j++)
 892     {
 893         xl = min(xl, x[i+XX]);
 894         xh = max(xh, x[i+XX]);
 895         yl = min(yl, x[i+YY]);
 896         yh = max(yh, x[i+YY]);
 897         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 898         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 899         i += stride;
 900     }
 901     /* Note: possible double to float conversion here */
 902     bb[0*STRIDE_PBB] = R2F_D(xl);
 903     bb[1*STRIDE_PBB] = R2F_D(yl);
 904     bb[2*STRIDE_PBB] = R2F_D(zl);
 905     bb[3*STRIDE_PBB] = R2F_U(xh);
 906     bb[4*STRIDE_PBB] = R2F_U(yh);
 907     bb[5*STRIDE_PBB] = R2F_U(zh);
 908 }
 909
 910 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
 911
 912 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
 913
 914 /* Coordinate order xyz?, bb order xyz0 */
 915 static void calc_bounding_box_simd4(int na, const float *x, nbnxn_bb_t *bb)
 916 {
 917     gmx_simd4_float_t bb_0_S, bb_1_S;
 918     gmx_simd4_float_t x_S;
 919
 920     int               i;
 921
 922     bb_0_S = gmx_simd4_load_f(x);
 923     bb_1_S = bb_0_S;
 924
 925     for (i = 1; i < na; i++)
 926     {
 927         x_S    = gmx_simd4_load_f(x+i*NNBSBB_C);
 928         bb_0_S = gmx_simd4_min_f(bb_0_S, x_S);
 929         bb_1_S = gmx_simd4_max_f(bb_1_S, x_S);
 930     }
 931
 932     gmx_simd4_store_f(&bb->lower[0], bb_0_S);
 933     gmx_simd4_store_f(&bb->upper[0], bb_1_S);
 934 }
 935
 936 /* Coordinate order xyz?, bb order xxxxyyyyzzzz */
 937 static void calc_bounding_box_xxxx_simd4(int na, const float *x,
 938                                          nbnxn_bb_t *bb_work_aligned,
 939                                          real *bb)
 940 {
 941     calc_bounding_box_simd4(na, x, bb_work_aligned);
 942
 943     bb[0*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_X];
 944     bb[1*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Y];
 945     bb[2*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Z];
 946     bb[3*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_X];
 947     bb[4*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Y];
 948     bb[5*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Z];
 949 }
 950
 951 #endif /* NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB */
 952
 953
 954 /* Combines pairs of consecutive bounding boxes */
 955 static void combine_bounding_box_pairs(nbnxn_grid_t *grid, const nbnxn_bb_t *bb)
 956 {
 957     int    i, j, sc2, nc2, c2;
 958
 959     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
 960     {
 961         /* Starting bb in a column is expected to be 2-aligned */
 962         sc2 = grid->cxy_ind[i]>>1;
 963         /* For odd numbers skip the last bb here */
 964         nc2 = (grid->cxy_na[i]+3)>>(2+1);
 965         for (c2 = sc2; c2 < sc2+nc2; c2++)
 966         {
 967 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 968             gmx_simd4_float_t min_S, max_S;
 969
 970             min_S = gmx_simd4_min_f(gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+0].lower[0]),
 971                                     gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+1].lower[0]));
 972             max_S = gmx_simd4_max_f(gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+0].upper[0]),
 973                                     gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+1].upper[0]));
 974             gmx_simd4_store_f(&grid->bbj[c2].lower[0], min_S);
 975             gmx_simd4_store_f(&grid->bbj[c2].upper[0], max_S);
 976 #else
 977             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 978             {
 979                 grid->bbj[c2].lower[j] = min(bb[c2*2+0].lower[j],
 980                                              bb[c2*2+1].lower[j]);
 981                 grid->bbj[c2].upper[j] = max(bb[c2*2+0].upper[j],
 982                                              bb[c2*2+1].upper[j]);
 983             }
 984 #endif
 985         }
 986         if (((grid->cxy_na[i]+3)>>2) & 1)
 987         {
 988             /* The bb count in this column is odd: duplicate the last bb */
 989             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 990             {
 991                 grid->bbj[c2].lower[j] = bb[c2*2].lower[j];
 992                 grid->bbj[c2].upper[j] = bb[c2*2].upper[j];
 993             }
 994         }
 995     }
 996 }
 997
 998
 999 /* Prints the average bb size, used for debug output */
1000 static void print_bbsizes_simple(FILE                *fp,
1001                                  const nbnxn_search_t nbs,
1002                                  const nbnxn_grid_t  *grid)
1003 {
1004     int  c, d;
1005     dvec ba;
1006
1007     clear_dvec(ba);
1008     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
1009     {
1010         for (d = 0; d < DIM; d++)
1011         {
1012             ba[d] += grid->bb[c].upper[d] - grid->bb[c].lower[d];
1013         }
1014     }
1015     dsvmul(1.0/grid->nc, ba, ba);
1016
1017     fprintf(fp, "ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1018             nbs->box[XX][XX]/grid->ncx,
1019             nbs->box[YY][YY]/grid->ncy,
1020             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/grid->nc,
1021             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1022             ba[XX]*grid->ncx/nbs->box[XX][XX],
1023             ba[YY]*grid->ncy/nbs->box[YY][YY],
1024             ba[ZZ]*grid->nc/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
1025 }
1026
1027 /* Prints the average bb size, used for debug output */
1028 static void print_bbsizes_supersub(FILE                *fp,
1029                                    const nbnxn_search_t nbs,
1030                                    const nbnxn_grid_t  *grid)
1031 {
1032     int  ns, c, s;
1033     dvec ba;
1034
1035     clear_dvec(ba);
1036     ns = 0;
1037     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
1038     {
1039 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1040         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s += STRIDE_PBB)
1041         {
1042             int cs_w, i, d;
1043
1044             cs_w = (c*GPU_NSUBCELL + s)/STRIDE_PBB;
1045             for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
1046             {
1047                 for (d = 0; d < DIM; d++)
1048                 {
1049                     ba[d] +=
1050                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+(DIM+d)*STRIDE_PBB+i] -
1051                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+     d *STRIDE_PBB+i];
1052                 }
1053             }
1054         }
1055 #else
1056         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s++)
1057         {
1058             int cs, d;
1059
1060             cs = c*GPU_NSUBCELL + s;
1061             for (d = 0; d < DIM; d++)
1062             {
1063                 ba[d] += grid->bb[cs].upper[d] - grid->bb[cs].lower[d];
1064             }
1065         }
1066 #endif
1067         ns += grid->nsubc[c];
1068     }
1069     dsvmul(1.0/ns, ba, ba);
1070
1071     fprintf(fp, "ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1072             nbs->box[XX][XX]/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X),
1073             nbs->box[YY][YY]/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y),
1074             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z),
1075             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1076             ba[XX]*grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X/nbs->box[XX][XX],
1077             ba[YY]*grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y/nbs->box[YY][YY],
1078             ba[ZZ]*grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
1079 }
1080
1081 /* Potentially sorts atoms on LJ coefficients !=0 and ==0.
1082  * Also sets interaction flags.
1083  */
1084 void sort_on_lj(int na_c,
1085                 int a0, int a1, const int *atinfo,
1086                 int *order,
1087                 int *flags)
1088 {
1089     int      subc, s, a, n1, n2, a_lj_max, i, j;
1090     int      sort1[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1091     int      sort2[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1092     gmx_bool haveQ, bFEP;
1093
1094     *flags = 0;
1095
1096     subc = 0;
1097     for (s = a0; s < a1; s += na_c)
1098     {
1099         /* Make lists for this (sub-)cell on atoms with and without LJ */
1100         n1       = 0;
1101         n2       = 0;
1102         haveQ    = FALSE;
1103         a_lj_max = -1;
1104         for (a = s; a < min(s+na_c, a1); a++)
1105         {
1106             haveQ = haveQ || GET_CGINFO_HAS_Q(atinfo[order[a]]);
1107
1108             if (GET_CGINFO_HAS_VDW(atinfo[order[a]]))
1109             {
1110                 sort1[n1++] = order[a];
1111                 a_lj_max    = a;
1112             }
1113             else
1114             {
1115                 sort2[n2++] = order[a];
1116             }
1117         }
1118
1119         /* If we don't have atoms with LJ, there's nothing to sort */
1120         if (n1 > 0)
1121         {
1122             *flags |= NBNXN_CI_DO_LJ(subc);
1123
1124             if (2*n1 <= na_c)
1125             {
1126                 /* Only sort when strictly necessary. Ordering particles
1127                  * Ordering particles can lead to less accurate summation
1128                  * due to rounding, both for LJ and Coulomb interactions.
1129                  */
1130                 if (2*(a_lj_max - s) >= na_c)
1131                 {
1132                     for (i = 0; i < n1; i++)
1133                     {
1134                         order[a0+i] = sort1[i];
1135                     }
1136                     for (j = 0; j < n2; j++)
1137                     {
1138                         order[a0+n1+j] = sort2[j];
1139                     }
1140                 }
1141
1142                 *flags |= NBNXN_CI_HALF_LJ(subc);
1143             }
1144         }
1145         if (haveQ)
1146         {
1147             *flags |= NBNXN_CI_DO_COUL(subc);
1148         }
1149         subc++;
1150     }
1151 }
1152
1153 /* Fill a pair search cell with atoms.
1154  * Potentially sorts atoms and sets the interaction flags.
1155  */
1156 void fill_cell(const nbnxn_search_t nbs,
1157                nbnxn_grid_t *grid,
1158                nbnxn_atomdata_t *nbat,
1159                int a0, int a1,
1160                const int *atinfo,
1161                rvec *x,
1162                int sx, int sy, int sz,
1163                nbnxn_bb_t gmx_unused *bb_work_aligned)
1164 {
1165     int         na, a;
1166     size_t      offset;
1167     nbnxn_bb_t *bb_ptr;
1168 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1169     float      *pbb_ptr;
1170 #endif
1171
1172     na = a1 - a0;
1173
1174     if (grid->bSimple)
1175     {
1176         sort_on_lj(grid->na_c, a0, a1, atinfo, nbs->a,
1177                    grid->flags+(a0>>grid->na_c_2log)-grid->cell0);
1178     }
1179
1180     if (nbs->bFEP)
1181     {
1182         /* Set the fep flag for perturbed atoms in this (sub-)cell */
1183         int c, at;
1184
1185         /* The grid-local cluster/(sub-)cell index */
1186         c            = (a0 >> grid->na_c_2log) - grid->cell0*(grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL);
1187         grid->fep[c] = 0;
1188         for (at = a0; at < a1; at++)
1189         {
1190             if (nbs->a[at] >= 0 && GET_CGINFO_FEP(atinfo[nbs->a[at]]))
1191             {
1192                 grid->fep[c] |= (1 << (at - a0));
1193             }
1194         }
1195     }
1196
1197     /* Now we have sorted the atoms, set the cell indices */
1198     for (a = a0; a < a1; a++)
1199     {
1200         nbs->cell[nbs->a[a]] = a;
1201     }
1202
1203     copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+a0, a1-a0, grid->na_c, x,
1204                            nbat->XFormat, nbat->x, a0,
1205                            sx, sy, sz);
1206
1207     if (nbat->XFormat == nbatX4)
1208     {
1209         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1210         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1211         bb_ptr = grid->bb + offset;
1212
1213 #if defined GMX_NBNXN_SIMD && GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
1214         if (2*grid->na_cj == grid->na_c)
1215         {
1216             calc_bounding_box_x_x4_halves(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr,
1217                                           grid->bbj+offset*2);
1218         }
1219         else
1220 #endif
1221         {
1222             calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr);
1223         }
1224     }
1225     else if (nbat->XFormat == nbatX8)
1226     {
1227         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1228         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1229         bb_ptr = grid->bb + offset;
1230
1231         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(a0), bb_ptr);
1232     }
1233 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1234     else if (!grid->bSimple)
1235     {
1236         /* Store the bounding boxes in a format convenient
1237          * for SIMD4 calculations: xxxxyyyyzzzz...
1238          */
1239         pbb_ptr =
1240             grid->pbb +
1241             ((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>(grid->na_c_2log+STRIDE_PBB_2LOG))*NNBSBB_XXXX +
1242             (((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log) & (STRIDE_PBB-1));
1243
1244 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
1245         if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
1246         {
1247             calc_bounding_box_xxxx_simd4(na, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1248                                          bb_work_aligned, pbb_ptr);
1249         }
1250         else
1251 #endif
1252         {
1253             calc_bounding_box_xxxx(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1254                                    pbb_ptr);
1255         }
1256         if (gmx_debug_at)
1257         {
1258             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1259                     sx, sy, sz,
1260                     pbb_ptr[0*STRIDE_PBB], pbb_ptr[3*STRIDE_PBB],
1261                     pbb_ptr[1*STRIDE_PBB], pbb_ptr[4*STRIDE_PBB],
1262                     pbb_ptr[2*STRIDE_PBB], pbb_ptr[5*STRIDE_PBB]);
1263         }
1264     }
1265 #endif
1266     else
1267     {
1268         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1269         bb_ptr = grid->bb+((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log);
1270
1271         calc_bounding_box(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1272                           bb_ptr);
1273
1274         if (gmx_debug_at)
1275         {
1276             int bbo;
1277             bbo = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc)/grid->na_c;
1278             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1279                     sx, sy, sz,
1280                     grid->bb[bbo].lower[BB_X],
1281                     grid->bb[bbo].lower[BB_Y],
1282                     grid->bb[bbo].lower[BB_Z],
1283                     grid->bb[bbo].upper[BB_X],
1284                     grid->bb[bbo].upper[BB_Y],
1285                     grid->bb[bbo].upper[BB_Z]);
1286         }
1287     }
1288 }
1289
1290 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1291 static void sort_columns_simple(const nbnxn_search_t nbs,
1292                                 int dd_zone,
1293                                 nbnxn_grid_t *grid,
1294                                 int a0, int a1,
1295                                 const int *atinfo,
1296                                 rvec *x,
1297                                 nbnxn_atomdata_t *nbat,
1298                                 int cxy_start, int cxy_end,
1299                                 int *sort_work)
1300 {
1301     int  cxy;
1302     int  cx, cy, cz, ncz, cfilled, c;
1303     int  na, ash, ind, a;
1304     int  na_c, ash_c;
1305
1306     if (debug)
1307     {
1308         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1309                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1310     }
1311
1312     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1313     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1314     {
1315         cx = cxy/grid->ncy;
1316         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1317
1318         na  = grid->cxy_na[cxy];
1319         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1320         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1321
1322         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1323         sort_atoms(ZZ, FALSE, dd_zone,
1324                    nbs->a+ash, na, x,
1325                    grid->c0[ZZ],
1326                    1.0/nbs->box[ZZ][ZZ], ncz*grid->na_sc,
1327                    sort_work);
1328
1329         /* Fill the ncz cells in this column */
1330         cfilled = grid->cxy_ind[cxy];
1331         for (cz = 0; cz < ncz; cz++)
1332         {
1333             c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1334
1335             ash_c = ash + cz*grid->na_sc;
1336             na_c  = min(grid->na_sc, na-(ash_c-ash));
1337
1338             fill_cell(nbs, grid, nbat,
1339                       ash_c, ash_c+na_c, atinfo, x,
1340                       grid->na_sc*cx + (dd_zone >> 2),
1341                       grid->na_sc*cy + (dd_zone & 3),
1342                       grid->na_sc*cz,
1343                       NULL);
1344
1345             /* This copy to bbcz is not really necessary.
1346              * But it allows to use the same grid search code
1347              * for the simple and supersub cell setups.
1348              */
1349             if (na_c > 0)
1350             {
1351                 cfilled = c;
1352             }
1353             grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = grid->bb[cfilled].lower[BB_Z];
1354             grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = grid->bb[cfilled].upper[BB_Z];
1355         }
1356
1357         /* Set the unused atom indices to -1 */
1358         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1359         {
1360             nbs->a[ash+ind] = -1;
1361         }
1362     }
1363 }
1364
1365 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1366 static void sort_columns_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
1367                                   int dd_zone,
1368                                   nbnxn_grid_t *grid,
1369                                   int a0, int a1,
1370                                   const int *atinfo,
1371                                   rvec *x,
1372                                   nbnxn_atomdata_t *nbat,
1373                                   int cxy_start, int cxy_end,
1374                                   int *sort_work)
1375 {
1376     int  cxy;
1377     int  cx, cy, cz = -1, c = -1, ncz;
1378     int  na, ash, na_c, ind, a;
1379     int  subdiv_z, sub_z, na_z, ash_z;
1380     int  subdiv_y, sub_y, na_y, ash_y;
1381     int  subdiv_x, sub_x, na_x, ash_x;
1382
1383     /* cppcheck-suppress unassignedVariable */
1384     nbnxn_bb_t bb_work_array[2], *bb_work_aligned;
1385
1386     bb_work_aligned = (nbnxn_bb_t *)(((size_t)(bb_work_array+1)) & (~((size_t)15)));
1387
1388     if (debug)
1389     {
1390         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1391                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1392     }
1393
1394     subdiv_x = grid->na_c;
1395     subdiv_y = GPU_NSUBCELL_X*subdiv_x;
1396     subdiv_z = GPU_NSUBCELL_Y*subdiv_y;
1397
1398     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1399     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1400     {
1401         cx = cxy/grid->ncy;
1402         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1403
1404         na  = grid->cxy_na[cxy];
1405         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1406         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1407
1408         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1409         sort_atoms(ZZ, FALSE, dd_zone,
1410                    nbs->a+ash, na, x,
1411                    grid->c0[ZZ],
1412                    1.0/nbs->box[ZZ][ZZ], ncz*grid->na_sc,
1413                    sort_work);
1414
1415         /* This loop goes over the supercells and subcells along z at once */
1416         for (sub_z = 0; sub_z < ncz*GPU_NSUBCELL_Z; sub_z++)
1417         {
1418             ash_z = ash + sub_z*subdiv_z;
1419             na_z  = min(subdiv_z, na-(ash_z-ash));
1420
1421             /* We have already sorted on z */
1422
1423             if (sub_z % GPU_NSUBCELL_Z == 0)
1424             {
1425                 cz = sub_z/GPU_NSUBCELL_Z;
1426                 c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1427
1428                 /* The number of atoms in this supercell */
1429                 na_c = min(grid->na_sc, na-(ash_z-ash));
1430
1431                 grid->nsubc[c] = min(GPU_NSUBCELL, (na_c+grid->na_c-1)/grid->na_c);
1432
1433                 /* Store the z-boundaries of the super cell */
1434                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = x[nbs->a[ash_z]][ZZ];
1435                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = x[nbs->a[ash_z+na_c-1]][ZZ];
1436             }
1437
1438 #if GPU_NSUBCELL_Y > 1
1439             /* Sort the atoms along y */
1440             sort_atoms(YY, (sub_z & 1), dd_zone,
1441                        nbs->a+ash_z, na_z, x,
1442                        grid->c0[YY]+cy*grid->sy,
1443                        grid->inv_sy, subdiv_z,
1444                        sort_work);
1445 #endif
1446
1447             for (sub_y = 0; sub_y < GPU_NSUBCELL_Y; sub_y++)
1448             {
1449                 ash_y = ash_z + sub_y*subdiv_y;
1450                 na_y  = min(subdiv_y, na-(ash_y-ash));
1451
1452 #if GPU_NSUBCELL_X > 1
1453                 /* Sort the atoms along x */
1454                 sort_atoms(XX, ((cz*GPU_NSUBCELL_Y + sub_y) & 1), dd_zone,
1455                            nbs->a+ash_y, na_y, x,
1456                            grid->c0[XX]+cx*grid->sx,
1457                            grid->inv_sx, subdiv_y,
1458                            sort_work);
1459 #endif
1460
1461                 for (sub_x = 0; sub_x < GPU_NSUBCELL_X; sub_x++)
1462                 {
1463                     ash_x = ash_y + sub_x*subdiv_x;
1464                     na_x  = min(subdiv_x, na-(ash_x-ash));
1465
1466                     fill_cell(nbs, grid, nbat,
1467                               ash_x, ash_x+na_x, atinfo, x,
1468                               grid->na_c*(cx*GPU_NSUBCELL_X+sub_x) + (dd_zone >> 2),
1469                               grid->na_c*(cy*GPU_NSUBCELL_Y+sub_y) + (dd_zone & 3),
1470                               grid->na_c*sub_z,
1471                               bb_work_aligned);
1472                 }
1473             }
1474         }
1475
1476         /* Set the unused atom indices to -1 */
1477         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1478         {
1479             nbs->a[ash+ind] = -1;
1480         }
1481     }
1482 }
1483
1484 /* Determine in which grid column atoms should go */
1485 static void calc_column_indices(nbnxn_grid_t *grid,
1486                                 int a0, int a1,
1487                                 rvec *x,
1488                                 int dd_zone, const int *move,
1489                                 int thread, int nthread,
1490                                 int *cell,
1491                                 int *cxy_na)
1492 {
1493     int  n0, n1, i;
1494     int  cx, cy;
1495
1496     /* We add one extra cell for particles which moved during DD */
1497     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1498     {
1499         cxy_na[i] = 0;
1500     }
1501
1502     n0 = a0 + (int)((thread+0)*(a1 - a0))/nthread;
1503     n1 = a0 + (int)((thread+1)*(a1 - a0))/nthread;
1504     if (dd_zone == 0)
1505     {
1506         /* Home zone */
1507         for (i = n0; i < n1; i++)
1508         {
1509             if (move == NULL || move[i] >= 0)
1510             {
1511                 /* We need to be careful with rounding,
1512                  * particles might be a few bits outside the local zone.
1513                  * The int cast takes care of the lower bound,
1514                  * we will explicitly take care of the upper bound.
1515                  */
1516                 cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1517                 cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1518
1519 #ifndef NDEBUG
1520                 if (cx < 0 || cx > grid->ncx ||
1521                     cy < 0 || cy > grid->ncy)
1522                 {
1523                     gmx_fatal(FARGS,
1524                               "grid cell cx %d cy %d out of range (max %d %d)\n"
1525                               "atom %f %f %f, grid->c0 %f %f",
1526                               cx, cy, grid->ncx, grid->ncy,
1527                               x[i][XX], x[i][YY], x[i][ZZ], grid->c0[XX], grid->c0[YY]);
1528                 }
1529 #endif
1530                 /* Take care of potential rouding issues */
1531                 cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1532                 cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1533
1534                 /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1535                  * x and y indices, not z.
1536                  */
1537                 cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1538             }
1539             else
1540             {
1541                 /* Put this moved particle after the end of the grid,
1542                  * so we can process it later without using conditionals.
1543                  */
1544                 cell[i] = grid->ncx*grid->ncy;
1545             }
1546
1547             cxy_na[cell[i]]++;
1548         }
1549     }
1550     else
1551     {
1552         /* Non-home zone */
1553         for (i = n0; i < n1; i++)
1554         {
1555             cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1556             cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1557
1558             /* For non-home zones there could be particles outside
1559              * the non-bonded cut-off range, which have been communicated
1560              * for bonded interactions only. For the result it doesn't
1561              * matter where these end up on the grid. For performance
1562              * we put them in an extra row at the border.
1563              */
1564             cx = max(cx, 0);
1565             cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1566             cy = max(cy, 0);
1567             cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1568
1569             /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1570              * x and y indices, not z.
1571              */
1572             cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1573
1574             cxy_na[cell[i]]++;
1575         }
1576     }
1577 }
1578
1579 /* Determine in which grid cells the atoms should go */
1580 static void calc_cell_indices(const nbnxn_search_t nbs,
1581                               int dd_zone,
1582                               nbnxn_grid_t *grid,
1583                               int a0, int a1,
1584                               const int *atinfo,
1585                               rvec *x,
1586                               const int *move,
1587                               nbnxn_atomdata_t *nbat)
1588 {
1589     int   n0, n1, i;
1590     int   cx, cy, cxy, ncz_max, ncz;
1591     int   nthread, thread;
1592     int  *cxy_na, cxy_na_i;
1593
1594     nthread = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1595
1596 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1597     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1598     {
1599         calc_column_indices(grid, a0, a1, x, dd_zone, move, thread, nthread,
1600                             nbs->cell, nbs->work[thread].cxy_na);
1601     }
1602
1603     /* Make the cell index as a function of x and y */
1604     ncz_max          = 0;
1605     ncz              = 0;
1606     grid->cxy_ind[0] = 0;
1607     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1608     {
1609         /* We set ncz_max at the beginning of the loop iso at the end
1610          * to skip i=grid->ncx*grid->ncy which are moved particles
1611          * that do not need to be ordered on the grid.
1612          */
1613         if (ncz > ncz_max)
1614         {
1615             ncz_max = ncz;
1616         }
1617         cxy_na_i = nbs->work[0].cxy_na[i];
1618         for (thread = 1; thread < nthread; thread++)
1619         {
1620             cxy_na_i += nbs->work[thread].cxy_na[i];
1621         }
1622         ncz = (cxy_na_i + grid->na_sc - 1)/grid->na_sc;
1623         if (nbat->XFormat == nbatX8)
1624         {
1625             /* Make the number of cell a multiple of 2 */
1626             ncz = (ncz + 1) & ~1;
1627         }
1628         grid->cxy_ind[i+1] = grid->cxy_ind[i] + ncz;
1629         /* Clear cxy_na, so we can reuse the array below */
1630         grid->cxy_na[i] = 0;
1631     }
1632     grid->nc = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy] - grid->cxy_ind[0];
1633
1634     nbat->natoms = (grid->cell0 + grid->nc)*grid->na_sc;
1635
1636     if (debug)
1637     {
1638         fprintf(debug, "ns na_sc %d na_c %d super-cells: %d x %d y %d z %.1f maxz %d\n",
1639                 grid->na_sc, grid->na_c, grid->nc,
1640                 grid->ncx, grid->ncy, grid->nc/((double)(grid->ncx*grid->ncy)),
1641                 ncz_max);
1642         if (gmx_debug_at)
1643         {
1644             i = 0;
1645             for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
1646             {
1647                 for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
1648                 {
1649                     fprintf(debug, " %2d", grid->cxy_ind[i+1]-grid->cxy_ind[i]);
1650                     i++;
1651                 }
1652                 fprintf(debug, "\n");
1653             }
1654         }
1655     }
1656
1657     /* Make sure the work array for sorting is large enough */
1658     if (ncz_max*grid->na_sc*SGSF > nbs->work[0].sort_work_nalloc)
1659     {
1660         for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1661         {
1662             nbs->work[thread].sort_work_nalloc =
1663                 over_alloc_large(ncz_max*grid->na_sc*SGSF);
1664             srenew(nbs->work[thread].sort_work,
1665                    nbs->work[thread].sort_work_nalloc);
1666             /* When not in use, all elements should be -1 */
1667             for (i = 0; i < nbs->work[thread].sort_work_nalloc; i++)
1668             {
1669                 nbs->work[thread].sort_work[i] = -1;
1670             }
1671         }
1672     }
1673
1674     /* Now we know the dimensions we can fill the grid.
1675      * This is the first, unsorted fill. We sort the columns after this.
1676      */
1677     for (i = a0; i < a1; i++)
1678     {
1679         /* At this point nbs->cell contains the local grid x,y indices */
1680         cxy = nbs->cell[i];
1681         nbs->a[(grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc + grid->cxy_na[cxy]++] = i;
1682     }
1683
1684     if (dd_zone == 0)
1685     {
1686         /* Set the cell indices for the moved particles */
1687         n0 = grid->nc*grid->na_sc;
1688         n1 = grid->nc*grid->na_sc+grid->cxy_na[grid->ncx*grid->ncy];
1689         if (dd_zone == 0)
1690         {
1691             for (i = n0; i < n1; i++)
1692             {
1693                 nbs->cell[nbs->a[i]] = i;
1694             }
1695         }
1696     }
1697
1698     /* Sort the super-cell columns along z into the sub-cells. */
1699 #pragma omp parallel for num_threads(nbs->nthread_max) schedule(static)
1700     for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1701     {
1702         if (grid->bSimple)
1703         {
1704             sort_columns_simple(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1705                                 ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1706                                 ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1707                                 nbs->work[thread].sort_work);
1708         }
1709         else
1710         {
1711             sort_columns_supersub(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1712                                   ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1713                                   ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1714                                   nbs->work[thread].sort_work);
1715         }
1716     }
1717
1718     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1719     {
1720         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb);
1721     }
1722
1723     if (!grid->bSimple)
1724     {
1725         grid->nsubc_tot = 0;
1726         for (i = 0; i < grid->nc; i++)
1727         {
1728             grid->nsubc_tot += grid->nsubc[i];
1729         }
1730     }
1731
1732     if (debug)
1733     {
1734         if (grid->bSimple)
1735         {
1736             print_bbsizes_simple(debug, nbs, grid);
1737         }
1738         else
1739         {
1740             fprintf(debug, "ns non-zero sub-cells: %d average atoms %.2f\n",
1741                     grid->nsubc_tot, (a1-a0)/(double)grid->nsubc_tot);
1742
1743             print_bbsizes_supersub(debug, nbs, grid);
1744         }
1745     }
1746 }
1747
1748 static void init_buffer_flags(nbnxn_buffer_flags_t *flags,
1749                               int                   natoms)
1750 {
1751     int b;
1752
1753     flags->nflag = (natoms + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE - 1)/NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE;
1754     if (flags->nflag > flags->flag_nalloc)
1755     {
1756         flags->flag_nalloc = over_alloc_large(flags->nflag);
1757         srenew(flags->flag, flags->flag_nalloc);
1758     }
1759     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
1760     {
1761         flags->flag[b] = 0;
1762     }
1763 }
1764
1765 /* Sets up a grid and puts the atoms on the grid.
1766  * This function only operates on one domain of the domain decompostion.
1767  * Note that without domain decomposition there is only one domain.
1768  */
1769 void nbnxn_put_on_grid(nbnxn_search_t nbs,
1770                        int ePBC, matrix box,
1771                        int dd_zone,
1772                        rvec corner0, rvec corner1,
1773                        int a0, int a1,
1774                        real atom_density,
1775                        const int *atinfo,
1776                        rvec *x,
1777                        int nmoved, int *move,
1778                        int nb_kernel_type,
1779                        nbnxn_atomdata_t *nbat)
1780 {
1781     nbnxn_grid_t *grid;
1782     int           n;
1783     int           nc_max_grid, nc_max;
1784
1785     grid = &nbs->grid[dd_zone];
1786
1787     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1788
1789     grid->bSimple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
1790
1791     grid->na_c      = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
1792     grid->na_cj     = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
1793     grid->na_sc     = (grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL)*grid->na_c;
1794     grid->na_c_2log = get_2log(grid->na_c);
1795
1796     nbat->na_c = grid->na_c;
1797
1798     if (dd_zone == 0)
1799     {
1800         grid->cell0 = 0;
1801     }
1802     else
1803     {
1804         grid->cell0 =
1805             (nbs->grid[dd_zone-1].cell0 + nbs->grid[dd_zone-1].nc)*
1806             nbs->grid[dd_zone-1].na_sc/grid->na_sc;
1807     }
1808
1809     n = a1 - a0;
1810
1811     if (dd_zone == 0)
1812     {
1813         nbs->ePBC = ePBC;
1814         copy_mat(box, nbs->box);
1815
1816         if (atom_density >= 0)
1817         {
1818             grid->atom_density = atom_density;
1819         }
1820         else
1821         {
1822             grid->atom_density = grid_atom_density(n-nmoved, corner0, corner1);
1823         }
1824
1825         grid->cell0 = 0;
1826
1827         nbs->natoms_local    = a1 - nmoved;
1828         /* We assume that nbnxn_put_on_grid is called first
1829          * for the local atoms (dd_zone=0).
1830          */
1831         nbs->natoms_nonlocal = a1 - nmoved;
1832     }
1833     else
1834     {
1835         nbs->natoms_nonlocal = max(nbs->natoms_nonlocal, a1);
1836     }
1837
1838     nc_max_grid = set_grid_size_xy(nbs, grid,
1839                                    dd_zone, n-nmoved, corner0, corner1,
1840                                    nbs->grid[0].atom_density);
1841
1842     nc_max = grid->cell0 + nc_max_grid;
1843
1844     if (a1 > nbs->cell_nalloc)
1845     {
1846         nbs->cell_nalloc = over_alloc_large(a1);
1847         srenew(nbs->cell, nbs->cell_nalloc);
1848     }
1849
1850     /* To avoid conditionals we store the moved particles at the end of a,
1851      * make sure we have enough space.
1852      */
1853     if (nc_max*grid->na_sc + nmoved > nbs->a_nalloc)
1854     {
1855         nbs->a_nalloc = over_alloc_large(nc_max*grid->na_sc + nmoved);
1856         srenew(nbs->a, nbs->a_nalloc);
1857     }
1858
1859     /* We need padding up to a multiple of the buffer flag size: simply add */
1860     if (nc_max*grid->na_sc + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE > nbat->nalloc)
1861     {
1862         nbnxn_atomdata_realloc(nbat, nc_max*grid->na_sc+NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE);
1863     }
1864
1865     calc_cell_indices(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, move, nbat);
1866
1867     if (dd_zone == 0)
1868     {
1869         nbat->natoms_local = nbat->natoms;
1870     }
1871
1872     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1873 }
1874
1875 /* Calls nbnxn_put_on_grid for all non-local domains */
1876 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nbnxn_search_t            nbs,
1877                                 const gmx_domdec_zones_t *zones,
1878                                 const int                *atinfo,
1879                                 rvec                     *x,
1880                                 int                       nb_kernel_type,
1881                                 nbnxn_atomdata_t         *nbat)
1882 {
1883     int  zone, d;
1884     rvec c0, c1;
1885
1886     for (zone = 1; zone < zones->n; zone++)
1887     {
1888         for (d = 0; d < DIM; d++)
1889         {
1890             c0[d] = zones->size[zone].bb_x0[d];
1891             c1[d] = zones->size[zone].bb_x1[d];
1892         }
1893
1894         nbnxn_put_on_grid(nbs, nbs->ePBC, NULL,
1895                           zone, c0, c1,
1896                           zones->cg_range[zone],
1897                           zones->cg_range[zone+1],
1898                           -1,
1899                           atinfo,
1900                           x,
1901                           0, NULL,
1902                           nb_kernel_type,
1903                           nbat);
1904     }
1905 }
1906
1907 /* Add simple grid type information to the local super/sub grid */
1908 void nbnxn_grid_add_simple(nbnxn_search_t    nbs,
1909                            nbnxn_atomdata_t *nbat)
1910 {
1911     nbnxn_grid_t *grid;
1912     float        *bbcz;
1913     nbnxn_bb_t   *bb;
1914     int           ncd, sc;
1915
1916     grid = &nbs->grid[0];
1917
1918     if (grid->bSimple)
1919     {
1920         gmx_incons("nbnxn_grid_simple called with a simple grid");
1921     }
1922
1923     ncd = grid->na_sc/NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1924
1925     if (grid->nc*ncd > grid->nc_nalloc_simple)
1926     {
1927         grid->nc_nalloc_simple = over_alloc_large(grid->nc*ncd);
1928         srenew(grid->bbcz_simple, grid->nc_nalloc_simple*NNBSBB_D);
1929         srenew(grid->bb_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1930         srenew(grid->flags_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1931         if (nbat->XFormat)
1932         {
1933             sfree_aligned(grid->bbj);
1934             snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc_simple/2, 16);
1935         }
1936     }
1937
1938     bbcz = grid->bbcz_simple;
1939     bb   = grid->bb_simple;
1940
1941 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
1942     for (sc = 0; sc < grid->nc; sc++)
1943     {
1944         int c, tx, na;
1945
1946         for (c = 0; c < ncd; c++)
1947         {
1948             tx = sc*ncd + c;
1949
1950             na = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1951             while (na > 0 &&
1952                    nbat->type[tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+na-1] == nbat->ntype-1)
1953             {
1954                 na--;
1955             }
1956
1957             if (na > 0)
1958             {
1959                 switch (nbat->XFormat)
1960                 {
1961                     case nbatX4:
1962                         /* PACK_X4==NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, so this is simple */
1963                         calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+tx*STRIDE_P4,
1964                                                bb+tx);
1965                         break;
1966                     case nbatX8:
1967                         /* PACK_X8>NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, more complicated */
1968                         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE),
1969                                                bb+tx);
1970                         break;
1971                     default:
1972                         calc_bounding_box(na, nbat->xstride,
1973                                           nbat->x+tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*nbat->xstride,
1974                                           bb+tx);
1975                         break;
1976                 }
1977                 bbcz[tx*NNBSBB_D+0] = bb[tx].lower[BB_Z];
1978                 bbcz[tx*NNBSBB_D+1] = bb[tx].upper[BB_Z];
1979
1980                 /* No interaction optimization yet here */
1981                 grid->flags_simple[tx] = NBNXN_CI_DO_LJ(0) | NBNXN_CI_DO_COUL(0);
1982             }
1983             else
1984             {
1985                 grid->flags_simple[tx] = 0;
1986             }
1987         }
1988     }
1989
1990     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1991     {
1992         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb_simple);
1993     }
1994 }
1995
1996 void nbnxn_get_ncells(nbnxn_search_t nbs, int *ncx, int *ncy)
1997 {
1998     *ncx = nbs->grid[0].ncx;
1999     *ncy = nbs->grid[0].ncy;
2000 }
2001
2002 void nbnxn_get_atomorder(nbnxn_search_t nbs, int **a, int *n)
2003 {
2004     const nbnxn_grid_t *grid;
2005
2006     grid = &nbs->grid[0];
2007
2008     /* Return the atom order for the home cell (index 0) */
2009     *a  = nbs->a;
2010
2011     *n = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy]*grid->na_sc;
2012 }
2013
2014 void nbnxn_set_atomorder(nbnxn_search_t nbs)
2015 {
2016     nbnxn_grid_t *grid;
2017     int           ao, cx, cy, cxy, cz, j;
2018
2019     /* Set the atom order for the home cell (index 0) */
2020     grid = &nbs->grid[0];
2021
2022     ao = 0;
2023     for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
2024     {
2025         for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
2026         {
2027             cxy = cx*grid->ncy + cy;
2028             j   = grid->cxy_ind[cxy]*grid->na_sc;
2029             for (cz = 0; cz < grid->cxy_na[cxy]; cz++)
2030             {
2031                 nbs->a[j]     = ao;
2032                 nbs->cell[ao] = j;
2033                 ao++;
2034                 j++;
2035             }
2036         }
2037     }
2038 }
2039
2040 /* Determines the cell range along one dimension that
2041  * the bounding box b0 - b1 sees.
2042  */
2043 static void get_cell_range(real b0, real b1,
2044                            int nc, real c0, real s, real invs,
2045                            real d2, real r2, int *cf, int *cl)
2046 {
2047     *cf = max((int)((b0 - c0)*invs), 0);
2048
2049     while (*cf > 0 && d2 + sqr((b0 - c0) - (*cf-1+1)*s) < r2)
2050     {
2051         (*cf)--;
2052     }
2053
2054     *cl = min((int)((b1 - c0)*invs), nc-1);
2055     while (*cl < nc-1 && d2 + sqr((*cl+1)*s - (b1 - c0)) < r2)
2056     {
2057         (*cl)++;
2058     }
2059 }
2060
2061 /* Reference code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2062 static float box_dist2(float bx0, float bx1, float by0,
2063                        float by1, float bz0, float bz1,
2064                        const nbnxn_bb_t *bb)
2065 {
2066     float d2;
2067     float dl, dh, dm, dm0;
2068
2069     d2 = 0;
2070
2071     dl  = bx0 - bb->upper[BB_X];
2072     dh  = bb->lower[BB_X] - bx1;
2073     dm  = max(dl, dh);
2074     dm0 = max(dm, 0);
2075     d2 += dm0*dm0;
2076
2077     dl  = by0 - bb->upper[BB_Y];
2078     dh  = bb->lower[BB_Y] - by1;
2079     dm  = max(dl, dh);
2080     dm0 = max(dm, 0);
2081     d2 += dm0*dm0;
2082
2083     dl  = bz0 - bb->upper[BB_Z];
2084     dh  = bb->lower[BB_Z] - bz1;
2085     dm  = max(dl, dh);
2086     dm0 = max(dm, 0);
2087     d2 += dm0*dm0;
2088
2089     return d2;
2090 }
2091
2092 /* Plain C code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2093 static float subc_bb_dist2(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2094                            int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2095 {
2096     const nbnxn_bb_t *bb_i, *bb_j;
2097     float             d2;
2098     float             dl, dh, dm, dm0;
2099
2100     bb_i = bb_i_ci  +  si;
2101     bb_j = bb_j_all + csj;
2102
2103     d2 = 0;
2104
2105     dl  = bb_i->lower[BB_X] - bb_j->upper[BB_X];
2106     dh  = bb_j->lower[BB_X] - bb_i->upper[BB_X];
2107     dm  = max(dl, dh);
2108     dm0 = max(dm, 0);
2109     d2 += dm0*dm0;
2110
2111     dl  = bb_i->lower[BB_Y] - bb_j->upper[BB_Y];
2112     dh  = bb_j->lower[BB_Y] - bb_i->upper[BB_Y];
2113     dm  = max(dl, dh);
2114     dm0 = max(dm, 0);
2115     d2 += dm0*dm0;
2116
2117     dl  = bb_i->lower[BB_Z] - bb_j->upper[BB_Z];
2118     dh  = bb_j->lower[BB_Z] - bb_i->upper[BB_Z];
2119     dm  = max(dl, dh);
2120     dm0 = max(dm, 0);
2121     d2 += dm0*dm0;
2122
2123     return d2;
2124 }
2125
2126 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
2127
2128 /* 4-wide SIMD code for bb distance for bb format xyz0 */
2129 static float subc_bb_dist2_simd4(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2130                                  int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2131 {
2132     gmx_simd4_float_t bb_i_S0, bb_i_S1;
2133     gmx_simd4_float_t bb_j_S0, bb_j_S1;
2134     gmx_simd4_float_t dl_S;
2135     gmx_simd4_float_t dh_S;
2136     gmx_simd4_float_t dm_S;
2137     gmx_simd4_float_t dm0_S;
2138
2139     bb_i_S0 = gmx_simd4_load_f(&bb_i_ci[si].lower[0]);
2140     bb_i_S1 = gmx_simd4_load_f(&bb_i_ci[si].upper[0]);
2141     bb_j_S0 = gmx_simd4_load_f(&bb_j_all[csj].lower[0]);
2142     bb_j_S1 = gmx_simd4_load_f(&bb_j_all[csj].upper[0]);
2143
2144     dl_S    = gmx_simd4_sub_f(bb_i_S0, bb_j_S1);
2145     dh_S    = gmx_simd4_sub_f(bb_j_S0, bb_i_S1);
2146
2147     dm_S    = gmx_simd4_max_f(dl_S, dh_S);
2148     dm0_S   = gmx_simd4_max_f(dm_S, gmx_simd4_setzero_f());
2149
2150     return gmx_simd4_dotproduct3_f(dm0_S, dm0_S);
2151 }
2152
2153 /* Calculate bb bounding distances of bb_i[si,...,si+3] and store them in d2 */
2154 #define SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(si, bb_i, d2) \
2155     {                                                \
2156         int               shi;                                  \
2157                                                  \
2158         gmx_simd4_float_t dx_0, dy_0, dz_0;                    \
2159         gmx_simd4_float_t dx_1, dy_1, dz_1;                    \
2160                                                  \
2161         gmx_simd4_float_t mx, my, mz;                          \
2162         gmx_simd4_float_t m0x, m0y, m0z;                       \
2163                                                  \
2164         gmx_simd4_float_t d2x, d2y, d2z;                       \
2165         gmx_simd4_float_t d2s, d2t;                            \
2166                                                  \
2167         shi = si*NNBSBB_D*DIM;                       \
2168                                                  \
2169         xi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+0*STRIDE_PBB);   \
2170         yi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+1*STRIDE_PBB);   \
2171         zi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+2*STRIDE_PBB);   \
2172         xi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+3*STRIDE_PBB);   \
2173         yi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+4*STRIDE_PBB);   \
2174         zi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+5*STRIDE_PBB);   \
2175                                                  \
2176         dx_0 = gmx_simd4_sub_f(xi_l, xj_h);                 \
2177         dy_0 = gmx_simd4_sub_f(yi_l, yj_h);                 \
2178         dz_0 = gmx_simd4_sub_f(zi_l, zj_h);                 \
2179                                                  \
2180         dx_1 = gmx_simd4_sub_f(xj_l, xi_h);                 \
2181         dy_1 = gmx_simd4_sub_f(yj_l, yi_h);                 \
2182         dz_1 = gmx_simd4_sub_f(zj_l, zi_h);                 \
2183                                                  \
2184         mx   = gmx_simd4_max_f(dx_0, dx_1);                 \
2185         my   = gmx_simd4_max_f(dy_0, dy_1);                 \
2186         mz   = gmx_simd4_max_f(dz_0, dz_1);                 \
2187                                                  \
2188         m0x  = gmx_simd4_max_f(mx, zero);                   \
2189         m0y  = gmx_simd4_max_f(my, zero);                   \
2190         m0z  = gmx_simd4_max_f(mz, zero);                   \
2191                                                  \
2192         d2x  = gmx_simd4_mul_f(m0x, m0x);                   \
2193         d2y  = gmx_simd4_mul_f(m0y, m0y);                   \
2194         d2z  = gmx_simd4_mul_f(m0z, m0z);                   \
2195                                                  \
2196         d2s  = gmx_simd4_add_f(d2x, d2y);                   \
2197         d2t  = gmx_simd4_add_f(d2s, d2z);                   \
2198                                                  \
2199         gmx_simd4_store_f(d2+si, d2t);                      \
2200     }
2201
2202 /* 4-wide SIMD code for nsi bb distances for bb format xxxxyyyyzzzz */
2203 static void subc_bb_dist2_simd4_xxxx(const float *bb_j,
2204                                      int nsi, const float *bb_i,
2205                                      float *d2)
2206 {
2207     gmx_simd4_float_t xj_l, yj_l, zj_l;
2208     gmx_simd4_float_t xj_h, yj_h, zj_h;
2209     gmx_simd4_float_t xi_l, yi_l, zi_l;
2210     gmx_simd4_float_t xi_h, yi_h, zi_h;
2211
2212     gmx_simd4_float_t zero;
2213
2214     zero = gmx_simd4_setzero_f();
2215
2216     xj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[0*STRIDE_PBB]);
2217     yj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[1*STRIDE_PBB]);
2218     zj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[2*STRIDE_PBB]);
2219     xj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[3*STRIDE_PBB]);
2220     yj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[4*STRIDE_PBB]);
2221     zj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[5*STRIDE_PBB]);
2222
2223     /* Here we "loop" over si (0,STRIDE_PBB) from 0 to nsi with step STRIDE_PBB.
2224      * But as we know the number of iterations is 1 or 2, we unroll manually.
2225      */
2226     SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(0, bb_i, d2);
2227     if (STRIDE_PBB < nsi)
2228     {
2229         SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(STRIDE_PBB, bb_i, d2);
2230     }
2231 }
2232
2233 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
2234
2235 /* Plain C function which determines if any atom pair between two cells
2236  * is within distance sqrt(rl2).
2237  */
2238 static gmx_bool subc_in_range_x(int na_c,
2239                                 int si, const real *x_i,
2240                                 int csj, int stride, const real *x_j,
2241                                 real rl2)
2242 {
2243     int  i, j, i0, j0;
2244     real d2;
2245
2246     for (i = 0; i < na_c; i++)
2247     {
2248         i0 = (si*na_c + i)*DIM;
2249         for (j = 0; j < na_c; j++)
2250         {
2251             j0 = (csj*na_c + j)*stride;
2252
2253             d2 = sqr(x_i[i0  ] - x_j[j0  ]) +
2254                 sqr(x_i[i0+1] - x_j[j0+1]) +
2255                 sqr(x_i[i0+2] - x_j[j0+2]);
2256
2257             if (d2 < rl2)
2258             {
2259                 return TRUE;
2260             }
2261         }
2262     }
2263
2264     return FALSE;
2265 }
2266
2267 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
2268
2269 /* 4-wide SIMD function which determines if any atom pair between two cells,
2270  * both with 8 atoms, is within distance sqrt(rl2).
2271  * Using 8-wide AVX is not faster on Intel Sandy Bridge.
2272  */
2273 static gmx_bool subc_in_range_simd4(int na_c,
2274                                     int si, const real *x_i,
2275                                     int csj, int stride, const real *x_j,
2276                                     real rl2)
2277 {
2278     gmx_simd4_real_t ix_S0, iy_S0, iz_S0;
2279     gmx_simd4_real_t ix_S1, iy_S1, iz_S1;
2280
2281     gmx_simd4_real_t rc2_S;
2282
2283     int              dim_stride;
2284     int              j0, j1;
2285
2286     rc2_S   = gmx_simd4_set1_r(rl2);
2287
2288     dim_stride = NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/STRIDE_PBB*DIM;
2289     ix_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+0)*STRIDE_PBB);
2290     iy_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+1)*STRIDE_PBB);
2291     iz_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+2)*STRIDE_PBB);
2292     ix_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+3)*STRIDE_PBB);
2293     iy_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+4)*STRIDE_PBB);
2294     iz_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+5)*STRIDE_PBB);
2295
2296     /* We loop from the outer to the inner particles to maximize
2297      * the chance that we find a pair in range quickly and return.
2298      */
2299     j0 = csj*na_c;
2300     j1 = j0 + na_c - 1;
2301     while (j0 < j1)
2302     {
2303         gmx_simd4_real_t jx0_S, jy0_S, jz0_S;
2304         gmx_simd4_real_t jx1_S, jy1_S, jz1_S;
2305
2306         gmx_simd4_real_t dx_S0, dy_S0, dz_S0;
2307         gmx_simd4_real_t dx_S1, dy_S1, dz_S1;
2308         gmx_simd4_real_t dx_S2, dy_S2, dz_S2;
2309         gmx_simd4_real_t dx_S3, dy_S3, dz_S3;
2310
2311         gmx_simd4_real_t rsq_S0;
2312         gmx_simd4_real_t rsq_S1;
2313         gmx_simd4_real_t rsq_S2;
2314         gmx_simd4_real_t rsq_S3;
2315
2316         gmx_simd4_bool_t wco_S0;
2317         gmx_simd4_bool_t wco_S1;
2318         gmx_simd4_bool_t wco_S2;
2319         gmx_simd4_bool_t wco_S3;
2320         gmx_simd4_bool_t wco_any_S01, wco_any_S23, wco_any_S;
2321
2322         jx0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+0]);
2323         jy0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+1]);
2324         jz0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+2]);
2325
2326         jx1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+0]);
2327         jy1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+1]);
2328         jz1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+2]);
2329
2330         /* Calculate distance */
2331         dx_S0            = gmx_simd4_sub_r(ix_S0, jx0_S);
2332         dy_S0            = gmx_simd4_sub_r(iy_S0, jy0_S);
2333         dz_S0            = gmx_simd4_sub_r(iz_S0, jz0_S);
2334         dx_S1            = gmx_simd4_sub_r(ix_S1, jx0_S);
2335         dy_S1            = gmx_simd4_sub_r(iy_S1, jy0_S);
2336         dz_S1            = gmx_simd4_sub_r(iz_S1, jz0_S);
2337         dx_S2            = gmx_simd4_sub_r(ix_S0, jx1_S);
2338         dy_S2            = gmx_simd4_sub_r(iy_S0, jy1_S);
2339         dz_S2            = gmx_simd4_sub_r(iz_S0, jz1_S);
2340         dx_S3            = gmx_simd4_sub_r(ix_S1, jx1_S);
2341         dy_S3            = gmx_simd4_sub_r(iy_S1, jy1_S);
2342         dz_S3            = gmx_simd4_sub_r(iz_S1, jz1_S);
2343
2344         /* rsq = dx*dx+dy*dy+dz*dz */
2345         rsq_S0           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S0, dy_S0, dz_S0);
2346         rsq_S1           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S1, dy_S1, dz_S1);
2347         rsq_S2           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S2, dy_S2, dz_S2);
2348         rsq_S3           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S3, dy_S3, dz_S3);
2349
2350         wco_S0           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S0, rc2_S);
2351         wco_S1           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S1, rc2_S);
2352         wco_S2           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S2, rc2_S);
2353         wco_S3           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S3, rc2_S);
2354
2355         wco_any_S01      = gmx_simd4_or_b(wco_S0, wco_S1);
2356         wco_any_S23      = gmx_simd4_or_b(wco_S2, wco_S3);
2357         wco_any_S        = gmx_simd4_or_b(wco_any_S01, wco_any_S23);
2358
2359         if (gmx_simd4_anytrue_b(wco_any_S))
2360         {
2361             return TRUE;
2362         }
2363
2364         j0++;
2365         j1--;
2366     }
2367     return FALSE;
2368
2369 }
2370 #endif
2371
2372
2373 /* Returns the j sub-cell for index cj_ind */
2374 static int nbl_cj(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2375 {
2376     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].cj[cj_ind & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1)];
2377 }
2378
2379 /* Returns the i-interaction mask of the j sub-cell for index cj_ind */
2380 static unsigned int nbl_imask0(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2381 {
2382     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].imei[0].imask;
2383 }
2384
2385 /* Ensures there is enough space for extra extra exclusion masks */
2386 static void check_excl_space(nbnxn_pairlist_t *nbl, int extra)
2387 {
2388     if (nbl->nexcl+extra > nbl->excl_nalloc)
2389     {
2390         nbl->excl_nalloc = over_alloc_small(nbl->nexcl+extra);
2391         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->excl,
2392                            nbl->nexcl*sizeof(*nbl->excl),
2393                            nbl->excl_nalloc*sizeof(*nbl->excl),
2394                            nbl->alloc, nbl->free);
2395     }
2396 }
2397
2398 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-cells in the list */
2399 static void check_subcell_list_space_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2400                                             int               ncell)
2401 {
2402     int cj_max;
2403
2404     cj_max = nbl->ncj + ncell;
2405
2406     if (cj_max > nbl->cj_nalloc)
2407     {
2408         nbl->cj_nalloc = over_alloc_small(cj_max);
2409         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj,
2410                            nbl->ncj*sizeof(*nbl->cj),
2411                            nbl->cj_nalloc*sizeof(*nbl->cj),
2412                            nbl->alloc, nbl->free);
2413     }
2414 }
2415
2416 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-subcells in the list */
2417 static void check_subcell_list_space_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2418                                               int               nsupercell)
2419 {
2420     int ncj4_max, j4, j, w, t;
2421
2422 #define NWARP       2
2423 #define WARP_SIZE  32
2424
2425     /* We can have maximally nsupercell*GPU_NSUBCELL sj lists */
2426     /* We can store 4 j-subcell - i-supercell pairs in one struct.
2427      * since we round down, we need one extra entry.
2428      */
2429     ncj4_max = ((nbl->work->cj_ind + nsupercell*GPU_NSUBCELL + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2430
2431     if (ncj4_max > nbl->cj4_nalloc)
2432     {
2433         nbl->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4_max);
2434         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj4,
2435                            nbl->work->cj4_init*sizeof(*nbl->cj4),
2436                            nbl->cj4_nalloc*sizeof(*nbl->cj4),
2437                            nbl->alloc, nbl->free);
2438     }
2439
2440     if (ncj4_max > nbl->work->cj4_init)
2441     {
2442         for (j4 = nbl->work->cj4_init; j4 < ncj4_max; j4++)
2443         {
2444             /* No i-subcells and no excl's in the list initially */
2445             for (w = 0; w < NWARP; w++)
2446             {
2447                 nbl->cj4[j4].imei[w].imask    = 0U;
2448                 nbl->cj4[j4].imei[w].excl_ind = 0;
2449
2450             }
2451         }
2452         nbl->work->cj4_init = ncj4_max;
2453     }
2454 }
2455
2456 /* Set all excl masks for one GPU warp no exclusions */
2457 static void set_no_excls(nbnxn_excl_t *excl)
2458 {
2459     int t;
2460
2461     for (t = 0; t < WARP_SIZE; t++)
2462     {
2463         /* Turn all interaction bits on */
2464         excl->pair[t] = NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL;
2465     }
2466 }
2467
2468 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
2469 static void nbnxn_init_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2470                                 gmx_bool          bSimple,
2471                                 nbnxn_alloc_t    *alloc,
2472                                 nbnxn_free_t     *free)
2473 {
2474     if (alloc == NULL)
2475     {
2476         nbl->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
2477     }
2478     else
2479     {
2480         nbl->alloc = alloc;
2481     }
2482     if (free == NULL)
2483     {
2484         nbl->free = nbnxn_free_aligned;
2485     }
2486     else
2487     {
2488         nbl->free = free;
2489     }
2490
2491     nbl->bSimple     = bSimple;
2492     nbl->na_sc       = 0;
2493     nbl->na_ci       = 0;
2494     nbl->na_cj       = 0;
2495     nbl->nci         = 0;
2496     nbl->ci          = NULL;
2497     nbl->ci_nalloc   = 0;
2498     nbl->ncj         = 0;
2499     nbl->cj          = NULL;
2500     nbl->cj_nalloc   = 0;
2501     nbl->ncj4        = 0;
2502     /* We need one element extra in sj, so alloc initially with 1 */
2503     nbl->cj4_nalloc  = 0;
2504     nbl->cj4         = NULL;
2505     nbl->nci_tot     = 0;
2506
2507     if (!nbl->bSimple)
2508     {
2509         nbl->excl        = NULL;
2510         nbl->excl_nalloc = 0;
2511         nbl->nexcl       = 0;
2512         check_excl_space(nbl, 1);
2513         nbl->nexcl       = 1;
2514         set_no_excls(&nbl->excl[0]);
2515     }
2516
2517     snew(nbl->work, 1);
2518     if (nbl->bSimple)
2519     {
2520         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, 1, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2521     }
2522     else
2523     {
2524 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2525         snew_aligned(nbl->work->pbb_ci, GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2526 #else
2527         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2528 #endif
2529     }
2530     snew_aligned(nbl->work->x_ci, NBNXN_NA_SC_MAX*DIM, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2531 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2532     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_4xn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2533     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_2xnn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2534 #endif
2535     snew_aligned(nbl->work->d2, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2536
2537     nbl->work->sort            = NULL;
2538     nbl->work->sort_nalloc     = 0;
2539     nbl->work->sci_sort        = NULL;
2540     nbl->work->sci_sort_nalloc = 0;
2541 }
2542
2543 void nbnxn_init_pairlist_set(nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
2544                              gmx_bool bSimple, gmx_bool bCombined,
2545                              nbnxn_alloc_t *alloc,
2546                              nbnxn_free_t  *free)
2547 {
2548     int i;
2549
2550     nbl_list->bSimple   = bSimple;
2551     nbl_list->bCombined = bCombined;
2552
2553     nbl_list->nnbl = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
2554
2555     if (!nbl_list->bCombined &&
2556         nbl_list->nnbl > NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS)
2557     {
2558         gmx_fatal(FARGS, "%d OpenMP threads were requested. Since the non-bonded force buffer reduction is prohibitively slow with more than %d threads, we do not allow this. Use %d or less OpenMP threads.",
2559                   nbl_list->nnbl, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS);
2560     }
2561
2562     snew(nbl_list->nbl, nbl_list->nnbl);
2563     snew(nbl_list->nbl_fep, nbl_list->nnbl);
2564     /* Execute in order to avoid memory interleaving between threads */
2565 #pragma omp parallel for num_threads(nbl_list->nnbl) schedule(static)
2566     for (i = 0; i < nbl_list->nnbl; i++)
2567     {
2568         /* Allocate the nblist data structure locally on each thread
2569          * to optimize memory access for NUMA architectures.
2570          */
2571         snew(nbl_list->nbl[i], 1);
2572
2573         /* Only list 0 is used on the GPU, use normal allocation for i>0 */
2574         if (i == 0)
2575         {
2576             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, alloc, free);
2577         }
2578         else
2579         {
2580             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, NULL, NULL);
2581         }
2582
2583         snew(nbl_list->nbl_fep[i], 1);
2584         nbnxn_init_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[i]);
2585     }
2586 }
2587
2588 /* Print statistics of a pair list, used for debug output */
2589 static void print_nblist_statistics_simple(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2590                                            const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2591 {
2592     const nbnxn_grid_t *grid;
2593     int                 cs[SHIFTS];
2594     int                 s, i, j;
2595     int                 npexcl;
2596
2597     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2598     grid = &nbs->grid[0];
2599
2600     fprintf(fp, "nbl nci %d ncj %d\n",
2601             nbl->nci, nbl->ncj);
2602     fprintf(fp, "nbl na_sc %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2603             nbl->na_sc, rl, nbl->ncj, nbl->ncj/(double)grid->nc,
2604             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc,
2605             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)));
2606
2607     fprintf(fp, "nbl average j cell list length %.1f\n",
2608             0.25*nbl->ncj/(double)nbl->nci);
2609
2610     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2611     {
2612         cs[s] = 0;
2613     }
2614     npexcl = 0;
2615     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
2616     {
2617         cs[nbl->ci[i].shift & NBNXN_CI_SHIFT] +=
2618             nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start;
2619
2620         j = nbl->ci[i].cj_ind_start;
2621         while (j < nbl->ci[i].cj_ind_end &&
2622                nbl->cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2623         {
2624             npexcl++;
2625             j++;
2626         }
2627     }
2628     fprintf(fp, "nbl cell pairs, total: %d excl: %d %.1f%%\n",
2629             nbl->ncj, npexcl, 100*npexcl/(double)nbl->ncj);
2630     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2631     {
2632         if (cs[s] > 0)
2633         {
2634             fprintf(fp, "nbl shift %2d ncj %3d\n", s, cs[s]);
2635         }
2636     }
2637 }
2638
2639 /* Print statistics of a pair lists, used for debug output */
2640 static void print_nblist_statistics_supersub(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2641                                              const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2642 {
2643     const nbnxn_grid_t *grid;
2644     int                 i, j4, j, si, b;
2645     int                 c[GPU_NSUBCELL+1];
2646
2647     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2648     grid = &nbs->grid[0];
2649
2650     fprintf(fp, "nbl nsci %d ncj4 %d nsi %d excl4 %d\n",
2651             nbl->nsci, nbl->ncj4, nbl->nci_tot, nbl->nexcl);
2652     fprintf(fp, "nbl na_c %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2653             nbl->na_ci, rl, nbl->nci_tot, nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot,
2654             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c,
2655             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)));
2656
2657     fprintf(fp, "nbl average j super cell list length %.1f\n",
2658             0.25*nbl->ncj4/(double)nbl->nsci);
2659     fprintf(fp, "nbl average i sub cell list length %.1f\n",
2660             nbl->nci_tot/((double)nbl->ncj4));
2661
2662     for (si = 0; si <= GPU_NSUBCELL; si++)
2663     {
2664         c[si] = 0;
2665     }
2666     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
2667     {
2668         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
2669         {
2670             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
2671             {
2672                 b = 0;
2673                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
2674                 {
2675                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
2676                     {
2677                         b++;
2678                     }
2679                 }
2680                 c[b]++;
2681             }
2682         }
2683     }
2684     for (b = 0; b <= GPU_NSUBCELL; b++)
2685     {
2686         fprintf(fp, "nbl j-list #i-subcell %d %7d %4.1f\n",
2687                 b, c[b], 100.0*c[b]/(double)(nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE));
2688     }
2689 }
2690
2691 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp */
2692 static void low_get_nbl_exclusions(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2693                                    int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2694 {
2695     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2696     {
2697         /* No exclusions set, make a new list entry */
2698         nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind = nbl->nexcl;
2699         nbl->nexcl++;
2700         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2701         set_no_excls(*excl);
2702     }
2703     else
2704     {
2705         /* We already have some exclusions, new ones can be added to the list */
2706         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2707     }
2708 }
2709
2710 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp,
2711  * generates a new element and allocates extra memory, if necessary.
2712  */
2713 static void get_nbl_exclusions_1(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2714                                  int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2715 {
2716     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2717     {
2718         /* We need to make a new list entry, check if we have space */
2719         check_excl_space(nbl, 1);
2720     }
2721     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, warp, excl);
2722 }
2723
2724 /* Returns pointers to the exclusion mask for cj4-unit cj4 for both warps,
2725  * generates a new element and allocates extra memory, if necessary.
2726  */
2727 static void get_nbl_exclusions_2(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2728                                  nbnxn_excl_t **excl_w0,
2729                                  nbnxn_excl_t **excl_w1)
2730 {
2731     /* Check for space we might need */
2732     check_excl_space(nbl, 2);
2733
2734     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 0, excl_w0);
2735     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 1, excl_w1);
2736 }
2737
2738 /* Sets the self exclusions i=j and pair exclusions i>j */
2739 static void set_self_and_newton_excls_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2740                                                int cj4_ind, int sj_offset,
2741                                                int si)
2742 {
2743     nbnxn_excl_t *excl[2];
2744     int           ei, ej, w;
2745
2746     /* Here we only set the set self and double pair exclusions */
2747
2748     get_nbl_exclusions_2(nbl, cj4_ind, &excl[0], &excl[1]);
2749
2750     /* Only minor < major bits set */
2751     for (ej = 0; ej < nbl->na_ci; ej++)
2752     {
2753         w = (ej>>2);
2754         for (ei = ej; ei < nbl->na_ci; ei++)
2755         {
2756             excl[w]->pair[(ej & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1))*nbl->na_ci + ei] &=
2757                 ~(1U << (sj_offset*GPU_NSUBCELL + si));
2758         }
2759     }
2760 }
2761
2762 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for plain C lists */
2763 static unsigned int get_imask(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2764 {
2765     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2766 }
2767
2768 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=2 */
2769 static unsigned int get_imask_simd_j2(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2770 {
2771     return (rdiag && ci*2 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_0 :
2772             (rdiag && ci*2+1 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_1 :
2773              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2774 }
2775
2776 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=4 */
2777 static unsigned int get_imask_simd_j4(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2778 {
2779     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2780 }
2781
2782 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=8 */
2783 static unsigned int get_imask_simd_j8(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2784 {
2785     return (rdiag && ci == cj*2 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_0 :
2786             (rdiag && ci == cj*2+1 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_1 :
2787              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2788 }
2789
2790 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2791 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
2792 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j2
2793 #endif
2794 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 4
2795 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j4
2796 #endif
2797 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 8
2798 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j8
2799 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j4
2800 #endif
2801 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 16
2802 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j8
2803 #endif
2804 #endif
2805
2806 /* Plain C code for making a pair list of cell ci vs cell cjf-cjl.
2807  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2808  */
2809 static void make_cluster_list_simple(const nbnxn_grid_t *gridj,
2810                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
2811                                      int ci, int cjf, int cjl,
2812                                      gmx_bool remove_sub_diag,
2813                                      const real *x_j,
2814                                      real rl2, float rbb2,
2815                                      int *ndistc)
2816 {
2817     const nbnxn_list_work_t *work;
2818
2819     const nbnxn_bb_t        *bb_ci;
2820     const real              *x_ci;
2821
2822     gmx_bool                 InRange;
2823     real                     d2;
2824     int                      cjf_gl, cjl_gl, cj;
2825
2826     work = nbl->work;
2827
2828     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
2829     x_ci  = nbl->work->x_ci;
2830
2831     InRange = FALSE;
2832     while (!InRange && cjf <= cjl)
2833     {
2834         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjf, gridj->bb);
2835         *ndistc += 2;
2836
2837         /* Check if the distance is within the distance where
2838          * we use only the bounding box distance rbb,
2839          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2840          * within the cut-off.
2841          */
2842         if (d2 < rbb2)
2843         {
2844             InRange = TRUE;
2845         }
2846         else if (d2 < rl2)
2847         {
2848             int i, j;
2849
2850             cjf_gl = gridj->cell0 + cjf;
2851             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2852             {
2853                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2854                 {
2855                     InRange = InRange ||
2856                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2857                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2858                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2859                 }
2860             }
2861             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2862         }
2863         if (!InRange)
2864         {
2865             cjf++;
2866         }
2867     }
2868     if (!InRange)
2869     {
2870         return;
2871     }
2872
2873     InRange = FALSE;
2874     while (!InRange && cjl > cjf)
2875     {
2876         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjl, gridj->bb);
2877         *ndistc += 2;
2878
2879         /* Check if the distance is within the distance where
2880          * we use only the bounding box distance rbb,
2881          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2882          * within the cut-off.
2883          */
2884         if (d2 < rbb2)
2885         {
2886             InRange = TRUE;
2887         }
2888         else if (d2 < rl2)
2889         {
2890             int i, j;
2891
2892             cjl_gl = gridj->cell0 + cjl;
2893             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2894             {
2895                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2896                 {
2897                     InRange = InRange ||
2898                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2899                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2900                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2901                 }
2902             }
2903             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2904         }
2905         if (!InRange)
2906         {
2907             cjl--;
2908         }
2909     }
2910
2911     if (cjf <= cjl)
2912     {
2913         for (cj = cjf; cj <= cjl; cj++)
2914         {
2915             /* Store cj and the interaction mask */
2916             nbl->cj[nbl->ncj].cj   = gridj->cell0 + cj;
2917             nbl->cj[nbl->ncj].excl = get_imask(remove_sub_diag, ci, cj);
2918             nbl->ncj++;
2919         }
2920         /* Increase the closing index in i super-cell list */
2921         nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end = nbl->ncj;
2922     }
2923 }
2924
2925 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
2926 #include "nbnxn_search_simd_4xn.h"
2927 #endif
2928 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
2929 #include "nbnxn_search_simd_2xnn.h"
2930 #endif
2931
2932 /* Plain C or SIMD4 code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
2933  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2934  */
2935 static void make_cluster_list_supersub(const nbnxn_grid_t *gridi,
2936                                        const nbnxn_grid_t *gridj,
2937                                        nbnxn_pairlist_t *nbl,
2938                                        int sci, int scj,
2939                                        gmx_bool sci_equals_scj,
2940                                        int stride, const real *x,
2941                                        real rl2, float rbb2,
2942                                        int *ndistc)
2943 {
2944     int               na_c;
2945     int               npair;
2946     int               cjo, ci1, ci, cj, cj_gl;
2947     int               cj4_ind, cj_offset;
2948     unsigned int      imask;
2949     nbnxn_cj4_t      *cj4;
2950 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2951     const float      *pbb_ci;
2952 #else
2953     const nbnxn_bb_t *bb_ci;
2954 #endif
2955     const real       *x_ci;
2956     float            *d2l, d2;
2957     int               w;
2958 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE
2959 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2960     int  ci_last = -1;
2961 #endif
2962
2963     d2l = nbl->work->d2;
2964
2965 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2966     pbb_ci = nbl->work->pbb_ci;
2967 #else
2968     bb_ci  = nbl->work->bb_ci;
2969 #endif
2970     x_ci   = nbl->work->x_ci;
2971
2972     na_c = gridj->na_c;
2973
2974     for (cjo = 0; cjo < gridj->nsubc[scj]; cjo++)
2975     {
2976         cj4_ind   = (nbl->work->cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2977         cj_offset = nbl->work->cj_ind - cj4_ind*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
2978         cj4       = &nbl->cj4[cj4_ind];
2979
2980         cj = scj*GPU_NSUBCELL + cjo;
2981
2982         cj_gl = gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cj;
2983
2984         /* Initialize this j-subcell i-subcell list */
2985         cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
2986         imask              = 0;
2987
2988         if (sci_equals_scj)
2989         {
2990             ci1 = cjo + 1;
2991         }
2992         else
2993         {
2994             ci1 = gridi->nsubc[sci];
2995         }
2996
2997 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2998         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SIMD4 */
2999         subc_bb_dist2_simd4_xxxx(gridj->pbb+(cj>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX+(cj & (STRIDE_PBB-1)),
3000                                  ci1, pbb_ci, d2l);
3001         *ndistc += na_c*2;
3002 #endif
3003
3004         npair = 0;
3005         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
3006         for (ci = 0; ci < GPU_NSUBCELL; ci++)
3007         {
3008             if (ci == ci1)
3009             {
3010                 break;
3011             }
3012
3013 #ifndef NBNXN_BBXXXX
3014             /* Determine the bb distance between ci and cj */
3015             d2l[ci]  = subc_bb_dist2(ci, bb_ci, cj, gridj->bb);
3016             *ndistc += 2;
3017 #endif
3018             d2 = d2l[ci];
3019
3020 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ALL
3021             /* Check if the distance is within the distance where
3022              * we use only the bounding box distance rbb,
3023              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
3024              * within the cut-off. This check is very costly.
3025              */
3026             *ndistc += na_c*na_c;
3027             if (d2 < rbb2 ||
3028                 (d2 < rl2 &&
3029 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
3030                  subc_in_range_simd4
3031 #else
3032                  subc_in_range_x
3033 #endif
3034                      (na_c, ci, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2)))
3035 #else
3036             /* Check if the distance between the two bounding boxes
3037              * in within the pair-list cut-off.
3038              */
3039             if (d2 < rl2)
3040 #endif
3041             {
3042                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
3043                 imask |= (1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci));
3044
3045 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3046                 ci_last = ci;
3047 #endif
3048
3049                 npair++;
3050             }
3051         }
3052
3053 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3054         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
3055          * within the cut-off, so we could get rid of it.
3056          */
3057         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2)
3058         {
3059             /* Avoid using function pointers here, as it's slower */
3060             if (
3061 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
3062                 !subc_in_range_simd4
3063 #else
3064                 !subc_in_range_x
3065 #endif
3066                     (na_c, ci_last, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2))
3067             {
3068                 imask &= ~(1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci_last));
3069                 npair--;
3070             }
3071         }
3072 #endif
3073
3074         if (npair > 0)
3075         {
3076             /* We have a useful sj entry, close it now */
3077
3078             /* Set the exclucions for the ci== sj entry.
3079              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
3080              * as it will nearly always be in the list.
3081              */
3082             if (sci_equals_scj)
3083             {
3084                 set_self_and_newton_excls_supersub(nbl, cj4_ind, cj_offset, cjo);
3085             }
3086
3087             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
3088             for (w = 0; w < NWARP; w++)
3089             {
3090                 cj4->imei[w].imask |= imask;
3091             }
3092
3093             nbl->work->cj_ind++;
3094
3095             /* Keep the count */
3096             nbl->nci_tot += npair;
3097
3098             /* Increase the closing index in i super-cell list */
3099             nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end =
3100                 ((nbl->work->cj_ind+NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3101         }
3102     }
3103 }
3104
3105 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3106  * as masks in the pair-list for simple list i-entry nbl_ci
3107  */
3108 static void set_ci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3109                              nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3110                              gmx_bool             diagRemoved,
3111                              int                  na_ci_2log,
3112                              int                  na_cj_2log,
3113                              const nbnxn_ci_t    *nbl_ci,
3114                              const t_blocka      *excl)
3115 {
3116     const int    *cell;
3117     int           ci;
3118     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3119     int           cj_first, cj_last;
3120     int           ndirect;
3121     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3122     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3123     int           cj_m;
3124     gmx_bool      Found_si;
3125     int           si_ind;
3126     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3127     int           inner_i, inner_e;
3128
3129     cell = nbs->cell;
3130
3131     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3132     {
3133         /* Empty list */
3134         return;
3135     }
3136
3137     ci = nbl_ci->ci;
3138
3139     cj_ind_first = nbl_ci->cj_ind_start;
3140     cj_ind_last  = nbl->ncj - 1;
3141
3142     cj_first = nbl->cj[cj_ind_first].cj;
3143     cj_last  = nbl->cj[cj_ind_last].cj;
3144
3145     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
3146      * from the first i-cell. This number can be used to directly
3147      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
3148      */
3149     ndirect = 0;
3150     if (na_ci_2log == na_cj_2log)
3151     {
3152         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3153                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci + ndirect)
3154         {
3155             ndirect++;
3156         }
3157     }
3158 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
3159     else
3160     {
3161         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3162                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci_to_cj(na_cj_2log, ci) + ndirect)
3163         {
3164             ndirect++;
3165         }
3166     }
3167 #endif
3168
3169     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3170     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3171     {
3172         ai = nbs->a[ci*nbl->na_sc+i];
3173         if (ai >= 0)
3174         {
3175             si  = (i>>na_ci_2log);
3176
3177             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3178             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3179             {
3180                 aj = excl->a[eind];
3181
3182                 if (aj == ai)
3183                 {
3184                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3185                     continue;
3186                 }
3187
3188                 ge = cell[aj];
3189
3190                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3191                  * for one-way pair-lists.
3192                  */
3193                 if (diagRemoved && ge <= ci*nbl->na_sc + i)
3194                 {
3195                     continue;
3196                 }
3197
3198                 se = (ge >> na_cj_2log);
3199
3200                 /* Could the cluster se be in our list? */
3201                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3202                 {
3203                     if (se < cj_first + ndirect)
3204                     {
3205                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3206                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3207                     }
3208                     else
3209                     {
3210                         /* Search for se using bisection */
3211                         found    = -1;
3212                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3213                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3214                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3215                         {
3216                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3217
3218                             cj_m = nbl->cj[cj_ind_m].cj;
3219
3220                             if (se == cj_m)
3221                             {
3222                                 found = cj_ind_m;
3223                             }
3224                             else if (se < cj_m)
3225                             {
3226                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3227                             }
3228                             else
3229                             {
3230                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3231                             }
3232                         }
3233                     }
3234
3235                     if (found >= 0)
3236                     {
3237                         inner_i = i  - (si << na_ci_2log);
3238                         inner_e = ge - (se << na_cj_2log);
3239
3240                         nbl->cj[found].excl &= ~(1U<<((inner_i<<na_cj_2log) + inner_e));
3241 /* The next code line is usually not needed. We do not want to version
3242  * away the above line, because there is logic that relies on being
3243  * able to detect easily whether any exclusions exist. */
3244 #if (defined GMX_SIMD_IBM_QPX)
3245                         nbl->cj[found].interaction_mask_indices[inner_i] &= ~(1U << inner_e);
3246 #endif
3247                     }
3248                 }
3249             }
3250         }
3251     }
3252 }
3253
3254 /* Add a new i-entry to the FEP list and copy the i-properties */
3255 static gmx_inline void fep_list_new_nri_copy(t_nblist *nlist)
3256 {
3257     /* Add a new i-entry */
3258     nlist->nri++;
3259
3260     assert(nlist->nri < nlist->maxnri);
3261
3262     /* Duplicate the last i-entry, except for jindex, which continues */
3263     nlist->iinr[nlist->nri]   = nlist->iinr[nlist->nri-1];
3264     nlist->shift[nlist->nri]  = nlist->shift[nlist->nri-1];
3265     nlist->gid[nlist->nri]    = nlist->gid[nlist->nri-1];
3266     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3267 }
3268
3269 /* For load balancing of the free-energy lists over threads, we set
3270  * the maximum nrj size of an i-entry to 40. This leads to good
3271  * load balancing in the worst case scenario of a single perturbed
3272  * particle on 16 threads, while not introducing significant overhead.
3273  * Note that half of the perturbed pairs will anyhow end up in very small lists,
3274  * since non perturbed i-particles will see few perturbed j-particles).
3275  */
3276 const int max_nrj_fep = 40;
3277
3278 /* Exclude the perturbed pairs from the Verlet list. This is only done to avoid
3279  * singularities for overlapping particles (0/0), since the charges and
3280  * LJ parameters have been zeroed in the nbnxn data structure.
3281  * Simultaneously make a group pair list for the perturbed pairs.
3282  */
3283 static void make_fep_list(const nbnxn_search_t    nbs,
3284                           const nbnxn_atomdata_t *nbat,
3285                           nbnxn_pairlist_t       *nbl,
3286                           gmx_bool                bDiagRemoved,
3287                           nbnxn_ci_t             *nbl_ci,
3288                           const nbnxn_grid_t     *gridi,
3289                           const nbnxn_grid_t     *gridj,
3290                           t_nblist               *nlist)
3291 {
3292     int      ci, cj_ind_start, cj_ind_end, cj_ind, cja, cjr;
3293     int      nri_max;
3294     int      ngid, gid_i = 0, gid_j, gid;
3295     int      egp_shift, egp_mask;
3296     int      gid_cj = 0;
3297     int      i, j, ind_i, ind_j, ai, aj;
3298     int      nri;
3299     gmx_bool bFEP_i, bFEP_i_all;
3300
3301     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3302     {
3303         /* Empty list */
3304         return;
3305     }
3306
3307     ci = nbl_ci->ci;
3308
3309     cj_ind_start = nbl_ci->cj_ind_start;
3310     cj_ind_end   = nbl_ci->cj_ind_end;
3311
3312     /* In worst case we have alternating energy groups and create npair lists */
3313     nri_max = nbl->na_ci*(cj_ind_end - cj_ind_start);
3314     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
3315     {
3316         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
3317         reallocate_nblist(nlist);
3318     }
3319
3320     ngid = nbat->nenergrp;
3321
3322     if (ngid*gridj->na_cj > sizeof(gid_cj)*8)
3323     {
3324         gmx_fatal(FARGS, "The Verlet scheme with %dx%d kernels and free-energy only supports up to %d energy groups",
3325                   gridi->na_c, gridj->na_cj, (sizeof(gid_cj)*8)/gridj->na_cj);
3326     }
3327
3328     egp_shift = nbat->neg_2log;
3329     egp_mask  = (1<<nbat->neg_2log) - 1;
3330
3331     /* Loop over the atoms in the i sub-cell */
3332     bFEP_i_all = TRUE;
3333     for (i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
3334     {
3335         ind_i = ci*nbl->na_ci + i;
3336         ai    = nbs->a[ind_i];
3337         if (ai >= 0)
3338         {
3339             nri                  = nlist->nri;
3340             nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
3341             nlist->iinr[nri]     = ai;
3342             /* The actual energy group pair index is set later */
3343             nlist->gid[nri]      = 0;
3344             nlist->shift[nri]    = nbl_ci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
3345
3346             bFEP_i = gridi->fep[ci - gridi->cell0] & (1 << i);
3347
3348             bFEP_i_all = bFEP_i_all && bFEP_i;
3349
3350             if ((nlist->nrj + cj_ind_end - cj_ind_start)*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
3351             {
3352                 nlist->maxnrj = over_alloc_small((nlist->nrj + cj_ind_end - cj_ind_start)*nbl->na_cj);
3353                 srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
3354                 srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
3355             }
3356
3357             if (ngid > 1)
3358             {
3359                 gid_i = (nbat->energrp[ci] >> (egp_shift*i)) & egp_mask;
3360             }
3361
3362             for (cj_ind = cj_ind_start; cj_ind < cj_ind_end; cj_ind++)
3363             {
3364                 unsigned int fep_cj;
3365
3366                 cja = nbl->cj[cj_ind].cj;
3367
3368                 if (gridj->na_cj == gridj->na_c)
3369                 {
3370                     cjr    = cja - gridj->cell0;
3371                     fep_cj = gridj->fep[cjr];
3372                     if (ngid > 1)
3373                     {
3374                         gid_cj = nbat->energrp[cja];
3375                     }
3376                 }
3377                 else if (2*gridj->na_cj == gridj->na_c)
3378                 {
3379                     cjr    = cja - gridj->cell0*2;
3380                     /* Extract half of the ci fep/energrp mask */
3381                     fep_cj = (gridj->fep[cjr>>1] >> ((cjr&1)*gridj->na_cj)) & ((1<<gridj->na_cj) - 1);
3382                     if (ngid > 1)
3383                     {
3384                         gid_cj = nbat->energrp[cja>>1] >> ((cja&1)*gridj->na_cj*egp_shift) & ((1<<(gridj->na_cj*egp_shift)) - 1);
3385                     }
3386                 }
3387                 else
3388                 {
3389                     cjr    = cja - (gridj->cell0>>1);
3390                     /* Combine two ci fep masks/energrp */
3391                     fep_cj = gridj->fep[cjr*2] + (gridj->fep[cjr*2+1] << gridj->na_c);
3392                     if (ngid > 1)
3393                     {
3394                         gid_cj = nbat->energrp[cja*2] + (nbat->energrp[cja*2+1] << (gridj->na_c*egp_shift));
3395                     }
3396                 }
3397
3398                 if (bFEP_i || fep_cj != 0)
3399                 {
3400                     for (j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
3401                     {
3402                         /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
3403                         ind_j = cja*nbl->na_cj + j;
3404                         aj    = nbs->a[ind_j];
3405                         if (aj >= 0 &&
3406                             (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
3407                             (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
3408                         {
3409                             if (ngid > 1)
3410                             {
3411                                 gid_j = (gid_cj >> (j*egp_shift)) & egp_mask;
3412                                 gid   = GID(gid_i, gid_j, ngid);
3413
3414                                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri] &&
3415                                     nlist->gid[nri] != gid)
3416                                 {
3417                                     /* Energy group pair changed: new list */
3418                                     fep_list_new_nri_copy(nlist);
3419                                     nri = nlist->nri;
3420                                 }
3421                                 nlist->gid[nri] = gid;
3422                             }
3423
3424                             if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
3425                             {
3426                                 fep_list_new_nri_copy(nlist);
3427                                 nri = nlist->nri;
3428                             }
3429
3430                             /* Add it to the FEP list */
3431                             nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
3432                             nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (nbl->cj[cj_ind].excl >> (i*nbl->na_cj + j)) & 1;
3433                             nlist->nrj++;
3434
3435                             /* Exclude it from the normal list.
3436                              * Note that the charge has been set to zero,
3437                              * but we need to avoid 0/0, as perturbed atoms
3438                              * can be on top of each other.
3439                              * (and the LJ parameters have not been zeroed)
3440                              */
3441                             nbl->cj[cj_ind].excl &= ~(1U << (i*nbl->na_cj + j));
3442                         }
3443                     }
3444                 }
3445             }
3446
3447             if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
3448             {
3449                 nlist->nri++;
3450                 nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3451             }
3452         }
3453     }
3454
3455     if (bFEP_i_all)
3456     {
3457         /* All interactions are perturbed, we can skip this entry */
3458         nbl_ci->cj_ind_end = cj_ind_start;
3459     }
3460 }
3461
3462 /* Return the index of atom a within a cluster */
3463 static gmx_inline int cj_mod_cj4(int cj)
3464 {
3465     return cj & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1);
3466 }
3467
3468 /* Convert a j-cluster to a cj4 group */
3469 static gmx_inline int cj_to_cj4(int cj)
3470 {
3471     return cj >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG;
3472 }
3473
3474 /* Return the index of an j-atom within a warp */
3475 static gmx_inline int a_mod_wj(int a)
3476 {
3477     return a & (NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/2 - 1);
3478 }
3479
3480 /* As make_fep_list above, but for super/sub lists. */
3481 static void make_fep_list_supersub(const nbnxn_search_t    nbs,
3482                                    const nbnxn_atomdata_t *nbat,
3483                                    nbnxn_pairlist_t       *nbl,
3484                                    gmx_bool                bDiagRemoved,
3485                                    const nbnxn_sci_t      *nbl_sci,
3486                                    real                    shx,
3487                                    real                    shy,
3488                                    real                    shz,
3489                                    real                    rlist_fep2,
3490                                    const nbnxn_grid_t     *gridi,
3491                                    const nbnxn_grid_t     *gridj,
3492                                    t_nblist               *nlist)
3493 {
3494     int                sci, cj4_ind_start, cj4_ind_end, cj4_ind, gcj, cjr;
3495     int                nri_max;
3496     int                c, c_abs;
3497     int                i, j, ind_i, ind_j, ai, aj;
3498     int                nri;
3499     gmx_bool           bFEP_i;
3500     real               xi, yi, zi;
3501     const nbnxn_cj4_t *cj4;
3502
3503     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3504     {
3505         /* Empty list */
3506         return;
3507     }
3508
3509     sci = nbl_sci->sci;
3510
3511     cj4_ind_start = nbl_sci->cj4_ind_start;
3512     cj4_ind_end   = nbl_sci->cj4_ind_end;
3513
3514     /* No energy groups (yet), so we split lists in max_nrj_fep pairs */
3515     nri_max = nbl->na_sc*(1 + ((cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE)/max_nrj_fep);
3516     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
3517     {
3518         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
3519         reallocate_nblist(nlist);
3520     }
3521
3522     /* Loop over the atoms in the i super-cluster */
3523     for (c = 0; c < GPU_NSUBCELL; c++)
3524     {
3525         c_abs = sci*GPU_NSUBCELL + c;
3526
3527         for (i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
3528         {
3529             ind_i = c_abs*nbl->na_ci + i;
3530             ai    = nbs->a[ind_i];
3531             if (ai >= 0)
3532             {
3533                 nri                  = nlist->nri;
3534                 nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
3535                 nlist->iinr[nri]     = ai;
3536                 /* With GPUs, energy groups are not supported */
3537                 nlist->gid[nri]      = 0;
3538                 nlist->shift[nri]    = nbl_sci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
3539
3540                 bFEP_i = (gridi->fep[c_abs - gridi->cell0] & (1 << i));
3541
3542                 xi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+XX] + shx;
3543                 yi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+YY] + shy;
3544                 zi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+ZZ] + shz;
3545
3546                 if ((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
3547                 {
3548                     nlist->maxnrj = over_alloc_small((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE*nbl->na_cj);
3549                     srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
3550                     srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
3551                 }
3552
3553                 for (cj4_ind = cj4_ind_start; cj4_ind < cj4_ind_end; cj4_ind++)
3554                 {
3555                     cj4 = &nbl->cj4[cj4_ind];
3556
3557                     for (gcj = 0; gcj < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; gcj++)
3558                     {
3559                         unsigned int fep_cj;
3560
3561                         if ((cj4->imei[0].imask & (1U << (gcj*GPU_NSUBCELL + c))) == 0)
3562                         {
3563                             /* Skip this ci for this cj */
3564                             continue;
3565                         }
3566
3567                         cjr = cj4->cj[gcj] - gridj->cell0*GPU_NSUBCELL;
3568
3569                         fep_cj = gridj->fep[cjr];
3570
3571                         if (bFEP_i || fep_cj != 0)
3572                         {
3573                             for (j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
3574                             {
3575                                 /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
3576                                 ind_j = (gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cjr)*nbl->na_cj + j;
3577                                 aj    = nbs->a[ind_j];
3578                                 if (aj >= 0 &&
3579                                     (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
3580                                     (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
3581                                 {
3582                                     nbnxn_excl_t *excl;
3583                                     int           excl_pair;
3584                                     unsigned int  excl_bit;
3585                                     real          dx, dy, dz;
3586
3587                                     get_nbl_exclusions_1(nbl, cj4_ind, j>>2, &excl);
3588
3589                                     excl_pair = a_mod_wj(j)*nbl->na_ci + i;
3590                                     excl_bit  = (1U << (gcj*GPU_NSUBCELL + c));
3591
3592                                     dx = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+XX] - xi;
3593                                     dy = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+YY] - yi;
3594                                     dz = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+ZZ] - zi;
3595
3596                                     /* The unpruned GPU list has more than 2/3
3597                                      * of the atom pairs beyond rlist. Using
3598                                      * this list will cause a lot of overhead
3599                                      * in the CPU FEP kernels, especially
3600                                      * relative to the fast GPU kernels.
3601                                      * So we prune the FEP list here.
3602                                      */
3603                                     if (dx*dx + dy*dy + dz*dz < rlist_fep2)
3604                                     {
3605                                         if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
3606                                         {
3607                                             fep_list_new_nri_copy(nlist);
3608                                             nri = nlist->nri;
3609                                         }
3610
3611                                         /* Add it to the FEP list */
3612                                         nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
3613                                         nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (excl->pair[excl_pair] & excl_bit) ? 1 : 0;
3614                                         nlist->nrj++;
3615                                     }
3616
3617                                     /* Exclude it from the normal list.
3618                                      * Note that the charge and LJ parameters have
3619                                      * been set to zero, but we need to avoid 0/0,
3620                                      * as perturbed atoms can be on top of each other.
3621                                      */
3622                                     excl->pair[excl_pair] &= ~excl_bit;
3623                                 }
3624                             }
3625
3626                             /* Note that we could mask out this pair in imask
3627                              * if all i- and/or all j-particles are perturbed.
3628                              * But since the perturbed pairs on the CPU will
3629                              * take an order of magnitude more time, the GPU
3630                              * will finish before the CPU and there is no gain.
3631                              */
3632                         }
3633                     }
3634                 }
3635
3636                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
3637                 {
3638                     nlist->nri++;
3639                     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3640                 }
3641             }
3642         }
3643     }
3644 }
3645
3646 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3647  * as masks in the pair-list for i-super-cell entry nbl_sci
3648  */
3649 static void set_sci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3650                               nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3651                               gmx_bool             diagRemoved,
3652                               int                  na_c_2log,
3653                               const nbnxn_sci_t   *nbl_sci,
3654                               const t_blocka      *excl)
3655 {
3656     const int    *cell;
3657     int           na_c;
3658     int           sci;
3659     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3660     int           cj_first, cj_last;
3661     int           ndirect;
3662     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3663     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3664     int           cj_m;
3665     gmx_bool      Found_si;
3666     int           si_ind;
3667     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3668     int           inner_i, inner_e, w;
3669
3670     cell = nbs->cell;
3671
3672     na_c = nbl->na_ci;
3673
3674     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3675     {
3676         /* Empty list */
3677         return;
3678     }
3679
3680     sci = nbl_sci->sci;
3681
3682     cj_ind_first = nbl_sci->cj4_ind_start*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3683     cj_ind_last  = nbl->work->cj_ind - 1;
3684
3685     cj_first = nbl->cj4[nbl_sci->cj4_ind_start].cj[0];
3686     cj_last  = nbl_cj(nbl, cj_ind_last);
3687
3688     /* Determine how many contiguous j-clusters we have starting
3689      * from the first i-cluster. This number can be used to directly
3690      * calculate j-cluster indices for excluded atoms.
3691      */
3692     ndirect = 0;
3693     while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3694            nbl_cj(nbl, cj_ind_first+ndirect) == sci*GPU_NSUBCELL + ndirect)
3695     {
3696         ndirect++;
3697     }
3698
3699     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3700     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3701     {
3702         ai = nbs->a[sci*nbl->na_sc+i];
3703         if (ai >= 0)
3704         {
3705             si  = (i>>na_c_2log);
3706
3707             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3708             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3709             {
3710                 aj = excl->a[eind];
3711
3712                 if (aj == ai)
3713                 {
3714                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3715                     continue;
3716                 }
3717
3718                 ge = cell[aj];
3719
3720                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3721                  * for one-way pair-lists.
3722                  */
3723                 if (diagRemoved && ge <= sci*nbl->na_sc + i)
3724                 {
3725                     continue;
3726                 }
3727
3728                 se = ge>>na_c_2log;
3729                 /* Could the cluster se be in our list? */
3730                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3731                 {
3732                     if (se < cj_first + ndirect)
3733                     {
3734                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3735                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3736                     }
3737                     else
3738                     {
3739                         /* Search for se using bisection */
3740                         found    = -1;
3741                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3742                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3743                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3744                         {
3745                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3746
3747                             cj_m = nbl_cj(nbl, cj_ind_m);
3748
3749                             if (se == cj_m)
3750                             {
3751                                 found = cj_ind_m;
3752                             }
3753                             else if (se < cj_m)
3754                             {
3755                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3756                             }
3757                             else
3758                             {
3759                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3760                             }
3761                         }
3762                     }
3763
3764                     if (found >= 0)
3765                     {
3766                         inner_i = i  - si*na_c;
3767                         inner_e = ge - se*na_c;
3768
3769                         if (nbl_imask0(nbl, found) & (1U << (cj_mod_cj4(found)*GPU_NSUBCELL + si)))
3770                         {
3771                             w       = (inner_e >> 2);
3772
3773                             get_nbl_exclusions_1(nbl, cj_to_cj4(found), w, &nbl_excl);
3774
3775                             nbl_excl->pair[a_mod_wj(inner_e)*nbl->na_ci+inner_i] &=
3776                                 ~(1U << (cj_mod_cj4(found)*GPU_NSUBCELL + si));
3777                         }
3778                     }
3779                 }
3780             }
3781         }
3782     }
3783 }
3784
3785 /* Reallocate the simple ci list for at least n entries */
3786 static void nb_realloc_ci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3787 {
3788     nbl->ci_nalloc = over_alloc_small(n);
3789     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->ci,
3790                        nbl->nci*sizeof(*nbl->ci),
3791                        nbl->ci_nalloc*sizeof(*nbl->ci),
3792                        nbl->alloc, nbl->free);
3793 }
3794
3795 /* Reallocate the super-cell sci list for at least n entries */
3796 static void nb_realloc_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3797 {
3798     nbl->sci_nalloc = over_alloc_small(n);
3799     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->sci,
3800                        nbl->nsci*sizeof(*nbl->sci),
3801                        nbl->sci_nalloc*sizeof(*nbl->sci),
3802                        nbl->alloc, nbl->free);
3803 }
3804
3805 /* Make a new ci entry at index nbl->nci */
3806 static void new_ci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int ci, int shift, int flags)
3807 {
3808     if (nbl->nci + 1 > nbl->ci_nalloc)
3809     {
3810         nb_realloc_ci(nbl, nbl->nci+1);
3811     }
3812     nbl->ci[nbl->nci].ci            = ci;
3813     nbl->ci[nbl->nci].shift         = shift;
3814     /* Store the interaction flags along with the shift */
3815     nbl->ci[nbl->nci].shift        |= flags;
3816     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start  = nbl->ncj;
3817     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end    = nbl->ncj;
3818 }
3819
3820 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
3821 static void new_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int sci, int shift)
3822 {
3823     if (nbl->nsci + 1 > nbl->sci_nalloc)
3824     {
3825         nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3826     }
3827     nbl->sci[nbl->nsci].sci           = sci;
3828     nbl->sci[nbl->nsci].shift         = shift;
3829     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start = nbl->ncj4;
3830     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end   = nbl->ncj4;
3831 }
3832
3833 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
3834  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
3835  */
3836 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t *cj, int ncj,
3837                          nbnxn_list_work_t *work)
3838 {
3839     int jnew, j;
3840
3841     if (ncj > work->cj_nalloc)
3842     {
3843         work->cj_nalloc = over_alloc_large(ncj);
3844         srenew(work->cj, work->cj_nalloc);
3845     }
3846
3847     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
3848     jnew = 0;
3849     for (j = 0; j < ncj; j++)
3850     {
3851         if (cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3852         {
3853             work->cj[jnew++] = cj[j];
3854         }
3855     }
3856     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
3857     if (!((jnew == 0) ||
3858           (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)))
3859     {
3860         for (j = 0; j < ncj; j++)
3861         {
3862             if (cj[j].excl == NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3863             {
3864                 work->cj[jnew++] = cj[j];
3865             }
3866         }
3867         for (j = 0; j < ncj; j++)
3868         {
3869             cj[j] = work->cj[j];
3870         }
3871     }
3872 }
3873
3874 /* Close this simple list i entry */
3875 static void close_ci_entry_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3876 {
3877     int jlen;
3878
3879     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3880      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3881      */
3882     jlen = nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end - nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start;
3883     if (jlen > 0)
3884     {
3885         sort_cj_excl(nbl->cj+nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start, jlen, nbl->work);
3886
3887         /* The counts below are used for non-bonded pair/flop counts
3888          * and should therefore match the available kernel setups.
3889          */
3890         if (!(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
3891         {
3892             nbl->work->ncj_noq += jlen;
3893         }
3894         else if ((nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0)) ||
3895                  !(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_LJ(0)))
3896         {
3897             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
3898         }
3899
3900         nbl->nci++;
3901     }
3902 }
3903
3904 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
3905  * Splitting ensures we have enough lists to fully utilize the whole GPU.
3906  * With progBal we generate progressively smaller lists, which improves
3907  * load balancing. As we only know the current count on our own thread,
3908  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
3909  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
3910  * both on nthread and our own thread index.
3911  */
3912 static void split_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3913                             int nsp_max_av, gmx_bool progBal, int nc_bal,
3914                             int thread, int nthread)
3915 {
3916     int nsci_est;
3917     int nsp_max;
3918     int cj4_start, cj4_end, j4len, cj4;
3919     int sci;
3920     int nsp, nsp_sci, nsp_cj4, nsp_cj4_e, nsp_cj4_p;
3921     int p;
3922
3923     if (progBal)
3924     {
3925         /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
3926          * over all threads using the target number of ci's.
3927          */
3928         nsci_est = nc_bal*thread/nthread + nbl->nsci;
3929
3930         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
3931          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
3932          */
3933         nsp_max = max(1,
3934                       nsp_max_av*nc_bal*3/(2*(nsci_est - 1 + nc_bal)));
3935     }
3936     else
3937     {
3938         nsp_max = nsp_max_av;
3939     }
3940
3941     cj4_start = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_start;
3942     cj4_end   = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_end;
3943     j4len     = cj4_end - cj4_start;
3944
3945     if (j4len > 1 && j4len*GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE > nsp_max)
3946     {
3947         /* Remove the last ci entry and process the cj4's again */
3948         nbl->nsci -= 1;
3949
3950         sci        = nbl->nsci;
3951         nsp        = 0;
3952         nsp_sci    = 0;
3953         nsp_cj4_e  = 0;
3954         nsp_cj4    = 0;
3955         for (cj4 = cj4_start; cj4 < cj4_end; cj4++)
3956         {
3957             nsp_cj4_p = nsp_cj4;
3958             /* Count the number of cluster pairs in this cj4 group */
3959             nsp_cj4   = 0;
3960             for (p = 0; p < GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; p++)
3961             {
3962                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
3963             }
3964
3965             if (nsp_cj4 > 0 && nsp + nsp_cj4 > nsp_max)
3966             {
3967                 /* Split the list at cj4 */
3968                 nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4;
3969                 /* Create a new sci entry */
3970                 sci++;
3971                 nbl->nsci++;
3972                 if (nbl->nsci+1 > nbl->sci_nalloc)
3973                 {
3974                     nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3975                 }
3976                 nbl->sci[sci].sci           = nbl->sci[nbl->nsci-1].sci;
3977                 nbl->sci[sci].shift         = nbl->sci[nbl->nsci-1].shift;
3978                 nbl->sci[sci].cj4_ind_start = cj4;
3979                 nsp_sci                     = nsp;
3980                 nsp_cj4_e                   = nsp_cj4_p;
3981                 nsp                         = 0;
3982             }
3983             nsp += nsp_cj4;
3984         }
3985
3986         /* Put the remaining cj4's in the last sci entry */
3987         nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4_end;
3988
3989         /* Possibly balance out the last two sci's
3990          * by moving the last cj4 of the second last sci.
3991          */
3992         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
3993         {
3994             nbl->sci[sci-1].cj4_ind_end--;
3995             nbl->sci[sci].cj4_ind_start--;
3996         }
3997
3998         nbl->nsci++;
3999     }
4000 }
4001
4002 /* Clost this super/sub list i entry */
4003 static void close_ci_entry_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
4004                                     int nsp_max_av,
4005                                     gmx_bool progBal, int nc_bal,
4006                                     int thread, int nthread)
4007 {
4008     int j4len, tlen;
4009     int nb, b;
4010
4011     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
4012      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
4013      */
4014     j4len = nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end - nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start;
4015     if (j4len > 0)
4016     {
4017         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
4018          * so round the count up before closing.
4019          */
4020         nbl->ncj4         = ((nbl->work->cj_ind + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
4021         nbl->work->cj_ind = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
4022
4023         nbl->nsci++;
4024
4025         if (nsp_max_av > 0)
4026         {
4027             /* Measure the size of the new entry and potentially split it */
4028             split_sci_entry(nbl, nsp_max_av, progBal, nc_bal, thread, nthread);
4029         }
4030     }
4031 }
4032
4033 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the list */
4034 static void sync_work(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4035 {
4036     if (!nbl->bSimple)
4037     {
4038         nbl->work->cj_ind   = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
4039         nbl->work->cj4_init = nbl->ncj4;
4040     }
4041 }
4042
4043 /* Clears an nbnxn_pairlist_t data structure */
4044 static void clear_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4045 {
4046     nbl->nci           = 0;
4047     nbl->nsci          = 0;
4048     nbl->ncj           = 0;
4049     nbl->ncj4          = 0;
4050     nbl->nci_tot       = 0;
4051     nbl->nexcl         = 1;
4052
4053     nbl->work->ncj_noq = 0;
4054     nbl->work->ncj_hlj = 0;
4055 }
4056
4057 /* Clears a group scheme pair list */
4058 static void clear_pairlist_fep(t_nblist *nl)
4059 {
4060     nl->nri = 0;
4061     nl->nrj = 0;
4062     if (nl->jindex == NULL)
4063     {
4064         snew(nl->jindex, 1);
4065     }
4066     nl->jindex[0] = 0;
4067 }
4068
4069 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
4070 static gmx_inline void set_icell_bb_simple(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
4071                                            real shx, real shy, real shz,
4072                                            nbnxn_bb_t *bb_ci)
4073 {
4074     bb_ci->lower[BB_X] = bb[ci].lower[BB_X] + shx;
4075     bb_ci->lower[BB_Y] = bb[ci].lower[BB_Y] + shy;
4076     bb_ci->lower[BB_Z] = bb[ci].lower[BB_Z] + shz;
4077     bb_ci->upper[BB_X] = bb[ci].upper[BB_X] + shx;
4078     bb_ci->upper[BB_Y] = bb[ci].upper[BB_Y] + shy;
4079     bb_ci->upper[BB_Z] = bb[ci].upper[BB_Z] + shz;
4080 }
4081
4082 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4083 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
4084 static void set_icell_bbxxxx_supersub(const float *bb, int ci,
4085                                       real shx, real shy, real shz,
4086                                       float *bb_ci)
4087 {
4088     int ia, m, i;
4089
4090     ia = ci*(GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX;
4091     for (m = 0; m < (GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX; m += NNBSBB_XXXX)
4092     {
4093         for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
4094         {
4095             bb_ci[m+0*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+0*STRIDE_PBB+i] + shx;
4096             bb_ci[m+1*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+1*STRIDE_PBB+i] + shy;
4097             bb_ci[m+2*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+2*STRIDE_PBB+i] + shz;
4098             bb_ci[m+3*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+3*STRIDE_PBB+i] + shx;
4099             bb_ci[m+4*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+4*STRIDE_PBB+i] + shy;
4100             bb_ci[m+5*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+5*STRIDE_PBB+i] + shz;
4101         }
4102     }
4103 }
4104 #endif
4105
4106 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
4107 static void set_icell_bb_supersub(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
4108                                   real shx, real shy, real shz,
4109                                   nbnxn_bb_t *bb_ci)
4110 {
4111     int i;
4112
4113     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL; i++)
4114     {
4115         set_icell_bb_simple(bb, ci*GPU_NSUBCELL+i,
4116                             shx, shy, shz,
4117                             &bb_ci[i]);
4118     }
4119 }
4120
4121 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
4122 static void icell_set_x_simple(int ci,
4123                                real shx, real shy, real shz,
4124                                int gmx_unused na_c,
4125                                int stride, const real *x,
4126                                nbnxn_list_work_t *work)
4127 {
4128     int  ia, i;
4129
4130     ia = ci*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
4131
4132     for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; i++)
4133     {
4134         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] = x[(ia+i)*stride+XX] + shx;
4135         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] = x[(ia+i)*stride+YY] + shy;
4136         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] = x[(ia+i)*stride+ZZ] + shz;
4137     }
4138 }
4139
4140 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
4141 static void icell_set_x_supersub(int ci,
4142                                  real shx, real shy, real shz,
4143                                  int na_c,
4144                                  int stride, const real *x,
4145                                  nbnxn_list_work_t *work)
4146 {
4147     int   ia, i;
4148     real *x_ci;
4149
4150     x_ci = work->x_ci;
4151
4152     ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c;
4153     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL*na_c; i++)
4154     {
4155         x_ci[i*DIM + XX] = x[(ia+i)*stride + XX] + shx;
4156         x_ci[i*DIM + YY] = x[(ia+i)*stride + YY] + shy;
4157         x_ci[i*DIM + ZZ] = x[(ia+i)*stride + ZZ] + shz;
4158     }
4159 }
4160
4161 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
4162 /* Copies PBC shifted super-cell packed atom coordinates to working array */
4163 static void icell_set_x_supersub_simd4(int ci,
4164                                        real shx, real shy, real shz,
4165                                        int na_c,
4166                                        int stride, const real *x,
4167                                        nbnxn_list_work_t *work)
4168 {
4169     int   si, io, ia, i, j;
4170     real *x_ci;
4171
4172     x_ci = work->x_ci;
4173
4174     for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
4175     {
4176         for (i = 0; i < na_c; i += STRIDE_PBB)
4177         {
4178             io = si*na_c + i;
4179             ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c + io;
4180             for (j = 0; j < STRIDE_PBB; j++)
4181             {
4182                 x_ci[io*DIM + j + XX*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+XX] + shx;
4183                 x_ci[io*DIM + j + YY*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+YY] + shy;
4184                 x_ci[io*DIM + j + ZZ*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+ZZ] + shz;
4185             }
4186         }
4187     }
4188 }
4189 #endif
4190
4191 static real minimum_subgrid_size_xy(const nbnxn_grid_t *grid)
4192 {
4193     if (grid->bSimple)
4194     {
4195         return min(grid->sx, grid->sy);
4196     }
4197     else
4198     {
4199         return min(grid->sx/GPU_NSUBCELL_X, grid->sy/GPU_NSUBCELL_Y);
4200     }
4201 }
4202
4203 static real effective_buffer_1x1_vs_MxN(const nbnxn_grid_t *gridi,
4204                                         const nbnxn_grid_t *gridj)
4205 {
4206     const real eff_1x1_buffer_fac_overest = 0.1;
4207
4208     /* Determine an atom-pair list cut-off buffer size for atom pairs,
4209      * to be added to rlist (including buffer) used for MxN.
4210      * This is for converting an MxN list to a 1x1 list. This means we can't
4211      * use the normal buffer estimate, as we have an MxN list in which
4212      * some atom pairs beyond rlist are missing. We want to capture
4213      * the beneficial effect of buffering by extra pairs just outside rlist,
4214      * while removing the useless pairs that are further away from rlist.
4215      * (Also the buffer could have been set manually not using the estimate.)
4216      * This buffer size is an overestimate.
4217      * We add 10% of the smallest grid sub-cell dimensions.
4218      * Note that the z-size differs per cell and we don't use this,
4219      * so we overestimate.
4220      * With PME, the 10% value gives a buffer that is somewhat larger
4221      * than the effective buffer with a tolerance of 0.005 kJ/mol/ps.
4222      * Smaller tolerances or using RF lead to a smaller effective buffer,
4223      * so 10% gives a safe overestimate.
4224      */
4225     return eff_1x1_buffer_fac_overest*(minimum_subgrid_size_xy(gridi) +
4226                                        minimum_subgrid_size_xy(gridj));
4227 }
4228
4229 /* Clusters at the cut-off only increase rlist by 60% of their size */
4230 static real nbnxn_rlist_inc_outside_fac = 0.6;
4231
4232 /* Due to the cluster size the effective pair-list is longer than
4233  * that of a simple atom pair-list. This function gives the extra distance.
4234  */
4235 real nbnxn_get_rlist_effective_inc(int cluster_size_j, real atom_density)
4236 {
4237     int  cluster_size_i;
4238     real vol_inc_i, vol_inc_j;
4239
4240     /* We should get this from the setup, but currently it's the same for
4241      * all setups, including GPUs.
4242      */
4243     cluster_size_i = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
4244
4245     vol_inc_i = (cluster_size_i - 1)/atom_density;
4246     vol_inc_j = (cluster_size_j - 1)/atom_density;
4247
4248     return nbnxn_rlist_inc_outside_fac*pow(vol_inc_i + vol_inc_j, 1.0/3.0);
4249 }
4250
4251 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
4252 static real nonlocal_vol2(const gmx_domdec_zones_t *zones, rvec ls, real r)
4253 {
4254     int  z, d;
4255     real cl, ca, za;
4256     real vold_est;
4257     real vol2_est_tot;
4258
4259     vol2_est_tot = 0;
4260
4261     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
4262      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
4263      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
4264      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
4265      * as small parts as possible.
4266      */
4267
4268     for (z = 0; z < zones->n; z++)
4269     {
4270         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
4271         {
4272             cl = 0;
4273             ca = 1;
4274             za = 1;
4275             for (d = 0; d < DIM; d++)
4276             {
4277                 if (zones->shift[z][d] == 0)
4278                 {
4279                     cl += 0.5*ls[d];
4280                     ca *= ls[d];
4281                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
4282                 }
4283             }
4284
4285             /* 4 octants of a sphere */
4286             vold_est  = 0.25*M_PI*r*r*r*r;
4287             /* 4 quarter pie slices on the edges */
4288             vold_est += 4*cl*M_PI/6.0*r*r*r;
4289             /* One rectangular volume on a face */
4290             vold_est += ca*0.5*r*r;
4291
4292             vol2_est_tot += vold_est*za;
4293         }
4294     }
4295
4296     return vol2_est_tot;
4297 }
4298
4299 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
4300 static int get_nsubpair_max(const nbnxn_search_t nbs,
4301                             int                  iloc,
4302                             real                 rlist,
4303                             int                  min_ci_balanced)
4304 {
4305     const nbnxn_grid_t *grid;
4306     rvec                ls;
4307     real                xy_diag2, r_eff_sup, vol_est, nsp_est, nsp_est_nl;
4308     int                 nsubpair_max;
4309
4310     grid = &nbs->grid[0];
4311
4312     ls[XX] = (grid->c1[XX] - grid->c0[XX])/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X);
4313     ls[YY] = (grid->c1[YY] - grid->c0[YY])/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y);
4314     ls[ZZ] = (grid->c1[ZZ] - grid->c0[ZZ])*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z);
4315
4316     /* The average squared length of the diagonal of a sub cell */
4317     xy_diag2 = ls[XX]*ls[XX] + ls[YY]*ls[YY] + ls[ZZ]*ls[ZZ];
4318
4319     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
4320     r_eff_sup = rlist + nbnxn_rlist_inc_outside_fac*sqr((grid->na_c - 1.0)/grid->na_c)*sqrt(xy_diag2/3);
4321
4322     if (!nbs->DomDec || nbs->zones->n == 1)
4323     {
4324         nsp_est_nl = 0;
4325     }
4326     else
4327     {
4328         nsp_est_nl =
4329             sqr(grid->atom_density/grid->na_c)*
4330             nonlocal_vol2(nbs->zones, ls, r_eff_sup);
4331     }
4332
4333     if (LOCAL_I(iloc))
4334     {
4335         /* Sub-cell interacts with itself */
4336         vol_est  = ls[XX]*ls[YY]*ls[ZZ];
4337         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
4338         vol_est += (ls[XX]*ls[YY] + ls[XX]*ls[ZZ] + ls[YY]*ls[ZZ])*r_eff_sup;
4339         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
4340         vol_est += 2*(ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ])*0.25*M_PI*sqr(r_eff_sup);
4341         /* 4 octants of a sphere */
4342         vol_est += 0.5*4.0/3.0*M_PI*pow(r_eff_sup, 3);
4343
4344         nsp_est = grid->nsubc_tot*vol_est*grid->atom_density/grid->na_c;
4345
4346         /* Subtract the non-local pair count */
4347         nsp_est -= nsp_est_nl;
4348
4349         if (debug)
4350         {
4351             fprintf(debug, "nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n",
4352                     nsp_est, nsp_est_nl);
4353         }
4354     }
4355     else
4356     {
4357         nsp_est = nsp_est_nl;
4358     }
4359
4360     if (min_ci_balanced <= 0 || grid->nc >= min_ci_balanced || grid->nc == 0)
4361     {
4362         /* We don't need to worry */
4363         nsubpair_max = -1;
4364     }
4365     else
4366     {
4367         /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows */
4368         nsubpair_max = max(1, (int)(nsp_est/min_ci_balanced+0.5));
4369
4370         /* Since the target value is a maximum (this avoids high outliers,
4371          * which lead to load imbalance), not average, we add half the
4372          * number of pairs in a cj4 block to get the average about right.
4373          */
4374         nsubpair_max += GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE/2;
4375     }
4376
4377     if (debug)
4378     {
4379         fprintf(debug, "nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_max %d\n",
4380                 nsp_est, nsubpair_max);
4381     }
4382
4383     return nsubpair_max;
4384 }
4385
4386 /* Debug list print function */
4387 static void print_nblist_ci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
4388 {
4389     int i, j;
4390
4391     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
4392     {
4393         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n",
4394                 nbl->ci[i].ci, nbl->ci[i].shift,
4395                 nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start);
4396
4397         for (j = nbl->ci[i].cj_ind_start; j < nbl->ci[i].cj_ind_end; j++)
4398         {
4399             fprintf(fp, "  cj %5d  imask %x\n",
4400                     nbl->cj[j].cj,
4401                     nbl->cj[j].excl);
4402         }
4403     }
4404 }
4405
4406 /* Debug list print function */
4407 static void print_nblist_sci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
4408 {
4409     int i, j4, j, ncp, si;
4410
4411     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
4412     {
4413         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n",
4414                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
4415                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start);
4416
4417         ncp = 0;
4418         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
4419         {
4420             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
4421             {
4422                 fprintf(fp, "  sj %5d  imask %x\n",
4423                         nbl->cj4[j4].cj[j],
4424                         nbl->cj4[j4].imei[0].imask);
4425                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
4426                 {
4427                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
4428                     {
4429                         ncp++;
4430                     }
4431                 }
4432             }
4433         }
4434         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d ncp %3d\n",
4435                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
4436                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start,
4437                 ncp);
4438     }
4439 }
4440
4441 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
4442 static void combine_nblists(int nnbl, nbnxn_pairlist_t **nbl,
4443                             nbnxn_pairlist_t *nblc)
4444 {
4445     int nsci, ncj4, nexcl;
4446     int n, i;
4447
4448     if (nblc->bSimple)
4449     {
4450         gmx_incons("combine_nblists does not support simple lists");
4451     }
4452
4453     nsci  = nblc->nsci;
4454     ncj4  = nblc->ncj4;
4455     nexcl = nblc->nexcl;
4456     for (i = 0; i < nnbl; i++)
4457     {
4458         nsci  += nbl[i]->nsci;
4459         ncj4  += nbl[i]->ncj4;
4460         nexcl += nbl[i]->nexcl;
4461     }
4462
4463     if (nsci > nblc->sci_nalloc)
4464     {
4465         nb_realloc_sci(nblc, nsci);
4466     }
4467     if (ncj4 > nblc->cj4_nalloc)
4468     {
4469         nblc->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4);
4470         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->cj4,
4471                            nblc->ncj4*sizeof(*nblc->cj4),
4472                            nblc->cj4_nalloc*sizeof(*nblc->cj4),
4473                            nblc->alloc, nblc->free);
4474     }
4475     if (nexcl > nblc->excl_nalloc)
4476     {
4477         nblc->excl_nalloc = over_alloc_small(nexcl);
4478         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->excl,
4479                            nblc->nexcl*sizeof(*nblc->excl),
4480                            nblc->excl_nalloc*sizeof(*nblc->excl),
4481                            nblc->alloc, nblc->free);
4482     }
4483
4484     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
4485      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
4486      */
4487 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
4488     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4489     {
4490         int                     sci_offset;
4491         int                     cj4_offset;
4492         int                     ci_offset;
4493         int                     excl_offset;
4494         int                     i, j4;
4495         const nbnxn_pairlist_t *nbli;
4496
4497         /* Determine the offset in the combined data for our thread */
4498         sci_offset  = nblc->nsci;
4499         cj4_offset  = nblc->ncj4;
4500         ci_offset   = nblc->nci_tot;
4501         excl_offset = nblc->nexcl;
4502
4503         for (i = 0; i < n; i++)
4504         {
4505             sci_offset  += nbl[i]->nsci;
4506             cj4_offset  += nbl[i]->ncj4;
4507             ci_offset   += nbl[i]->nci_tot;
4508             excl_offset += nbl[i]->nexcl;
4509         }
4510
4511         nbli = nbl[n];
4512
4513         for (i = 0; i < nbli->nsci; i++)
4514         {
4515             nblc->sci[sci_offset+i]                = nbli->sci[i];
4516             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_start += cj4_offset;
4517             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_end   += cj4_offset;
4518         }
4519
4520         for (j4 = 0; j4 < nbli->ncj4; j4++)
4521         {
4522             nblc->cj4[cj4_offset+j4]                   = nbli->cj4[j4];
4523             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
4524             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
4525         }
4526
4527         for (j4 = 0; j4 < nbli->nexcl; j4++)
4528         {
4529             nblc->excl[excl_offset+j4] = nbli->excl[j4];
4530         }
4531     }
4532
4533     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4534     {
4535         nblc->nsci    += nbl[n]->nsci;
4536         nblc->ncj4    += nbl[n]->ncj4;
4537         nblc->nci_tot += nbl[n]->nci_tot;
4538         nblc->nexcl   += nbl[n]->nexcl;
4539     }
4540 }
4541
4542 static void balance_fep_lists(const nbnxn_search_t  nbs,
4543                               nbnxn_pairlist_set_t *nbl_lists)
4544 {
4545     int       nnbl, th;
4546     int       nri_tot, nrj_tot, nrj_target;
4547     int       th_dest;
4548     t_nblist *nbld;
4549
4550     nnbl = nbl_lists->nnbl;
4551
4552     if (nnbl == 1)
4553     {
4554         /* Nothing to balance */
4555         return;
4556     }
4557
4558     /* Count the total i-lists and pairs */
4559     nri_tot = 0;
4560     nrj_tot = 0;
4561     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4562     {
4563         nri_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nri;
4564         nrj_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj;
4565     }
4566
4567     nrj_target = (nrj_tot + nnbl - 1)/nnbl;
4568
4569     assert(gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) == nnbl);
4570
4571 #pragma omp parallel for schedule(static) num_threads(nnbl)
4572     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4573     {
4574         t_nblist *nbl;
4575
4576         nbl = nbs->work[th].nbl_fep;
4577
4578         /* Note that here we allocate for the total size, instead of
4579          * a per-thread esimate (which is hard to obtain).
4580          */
4581         if (nri_tot > nbl->maxnri)
4582         {
4583             nbl->maxnri = over_alloc_large(nri_tot);
4584             reallocate_nblist(nbl);
4585         }
4586         if (nri_tot > nbl->maxnri || nrj_tot > nbl->maxnrj)
4587         {
4588             nbl->maxnrj = over_alloc_small(nrj_tot);
4589             srenew(nbl->jjnr, nbl->maxnrj);
4590             srenew(nbl->excl_fep, nbl->maxnrj);
4591         }
4592
4593         clear_pairlist_fep(nbl);
4594     }
4595
4596     /* Loop over the source lists and assign and copy i-entries */
4597     th_dest = 0;
4598     nbld    = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
4599     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4600     {
4601         t_nblist *nbls;
4602         int       i, j;
4603
4604         nbls = nbl_lists->nbl_fep[th];
4605
4606         for (i = 0; i < nbls->nri; i++)
4607         {
4608             int nrj;
4609
4610             /* The number of pairs in this i-entry */
4611             nrj = nbls->jindex[i+1] - nbls->jindex[i];
4612
4613             /* Decide if list th_dest is too large and we should procede
4614              * to the next destination list.
4615              */
4616             if (th_dest+1 < nnbl && nbld->nrj > 0 &&
4617                 nbld->nrj + nrj - nrj_target > nrj_target - nbld->nrj)
4618             {
4619                 th_dest++;
4620                 nbld = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
4621             }
4622
4623             nbld->iinr[nbld->nri]  = nbls->iinr[i];
4624             nbld->gid[nbld->nri]   = nbls->gid[i];
4625             nbld->shift[nbld->nri] = nbls->shift[i];
4626
4627             for (j = nbls->jindex[i]; j < nbls->jindex[i+1]; j++)
4628             {
4629                 nbld->jjnr[nbld->nrj]     = nbls->jjnr[j];
4630                 nbld->excl_fep[nbld->nrj] = nbls->excl_fep[j];
4631                 nbld->nrj++;
4632             }
4633             nbld->nri++;
4634             nbld->jindex[nbld->nri] = nbld->nrj;
4635         }
4636     }
4637
4638     /* Swap the list pointers */
4639     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4640     {
4641         t_nblist *nbl_tmp;
4642
4643         nbl_tmp                = nbl_lists->nbl_fep[th];
4644         nbl_lists->nbl_fep[th] = nbs->work[th].nbl_fep;
4645         nbs->work[th].nbl_fep  = nbl_tmp;
4646
4647         if (debug)
4648         {
4649             fprintf(debug, "nbl_fep[%d] nri %4d nrj %4d\n",
4650                     th,
4651                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nri,
4652                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj);
4653         }
4654     }
4655 }
4656
4657 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
4658 static gmx_bool next_ci(const nbnxn_grid_t *grid,
4659                         int conv,
4660                         int nth, int ci_block,
4661                         int *ci_x, int *ci_y,
4662                         int *ci_b, int *ci)
4663 {
4664     (*ci_b)++;
4665     (*ci)++;
4666
4667     if (*ci_b == ci_block)
4668     {
4669         /* Jump to the next block assigned to this task */
4670         *ci   += (nth - 1)*ci_block;
4671         *ci_b  = 0;
4672     }
4673
4674     if (*ci >= grid->nc*conv)
4675     {
4676         return FALSE;
4677     }
4678
4679     while (*ci >= grid->cxy_ind[*ci_x*grid->ncy + *ci_y + 1]*conv)
4680     {
4681         *ci_y += 1;
4682         if (*ci_y == grid->ncy)
4683         {
4684             *ci_x += 1;
4685             *ci_y  = 0;
4686         }
4687     }
4688
4689     return TRUE;
4690 }
4691
4692 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
4693  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
4694  */
4695 static float boundingbox_only_distance2(const nbnxn_grid_t *gridi,
4696                                         const nbnxn_grid_t *gridj,
4697                                         real                rlist,
4698                                         gmx_bool            simple)
4699 {
4700     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
4701      * than this distance, do not check the distance between
4702      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
4703      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
4704      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
4705      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
4706      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
4707      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
4708      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
4709      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
4710      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
4711      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
4712      */
4713     real bbx, bby;
4714     real rbb2;
4715
4716     bbx = 0.5*(gridi->sx + gridj->sx);
4717     bby = 0.5*(gridi->sy + gridj->sy);
4718     if (!simple)
4719     {
4720         bbx /= GPU_NSUBCELL_X;
4721         bby /= GPU_NSUBCELL_Y;
4722     }
4723
4724     rbb2 = sqr(max(0, rlist - 0.5*sqrt(bbx*bbx + bby*bby)));
4725
4726 #ifndef GMX_DOUBLE
4727     return rbb2;
4728 #else
4729     return (float)((1+GMX_FLOAT_EPS)*rbb2);
4730 #endif
4731 }
4732
4733 static int get_ci_block_size(const nbnxn_grid_t *gridi,
4734                              gmx_bool bDomDec, int nth)
4735 {
4736     const int ci_block_enum      = 5;
4737     const int ci_block_denom     = 11;
4738     const int ci_block_min_atoms = 16;
4739     int       ci_block;
4740
4741     /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
4742      * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
4743      * a multiple of the number of threads, which would lead to some
4744      * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
4745      * which in turns will lead to load imbalance between threads.
4746      * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
4747      * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
4748      * of the grid parts of the different thread along all three grid
4749      * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
4750      * the blocks will not become too small.
4751      */
4752     ci_block = (gridi->nc*ci_block_enum)/(ci_block_denom*gridi->ncx*nth);
4753
4754     /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
4755     if (ci_block*gridi->na_sc < ci_block_min_atoms)
4756     {
4757         ci_block = (ci_block_min_atoms + gridi->na_sc - 1)/gridi->na_sc;
4758     }
4759
4760     /* Without domain decomposition
4761      * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
4762      */
4763     if (!bDomDec || ci_block*3*nth > gridi->nc)
4764     {
4765         ci_block = (gridi->nc + nth - 1)/nth;
4766     }
4767
4768     return ci_block;
4769 }
4770
4771 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
4772 static void nbnxn_make_pairlist_part(const nbnxn_search_t nbs,
4773                                      const nbnxn_grid_t *gridi,
4774                                      const nbnxn_grid_t *gridj,
4775                                      nbnxn_search_work_t *work,
4776                                      const nbnxn_atomdata_t *nbat,
4777                                      const t_blocka *excl,
4778                                      real rlist,
4779                                      int nb_kernel_type,
4780                                      int ci_block,
4781                                      gmx_bool bFBufferFlag,
4782                                      int nsubpair_max,
4783                                      gmx_bool progBal,
4784                                      int min_ci_balanced,
4785                                      int th, int nth,
4786                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
4787                                      t_nblist *nbl_fep)
4788 {
4789     int               na_cj_2log;
4790     matrix            box;
4791     real              rl2, rl_fep2 = 0;
4792     float             rbb2;
4793     int               d;
4794     int               ci_b, ci, ci_x, ci_y, ci_xy, cj;
4795     ivec              shp;
4796     int               tx, ty, tz;
4797     int               shift;
4798     gmx_bool          bMakeList;
4799     real              shx, shy, shz;
4800     int               conv_i, cell0_i;
4801     const nbnxn_bb_t *bb_i = NULL;
4802 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4803     const float      *pbb_i = NULL;
4804 #endif
4805     const float      *bbcz_i, *bbcz_j;
4806     const int        *flags_i;
4807     real              bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1;
4808     real              bz1_frac;
4809     real              d2cx, d2z, d2z_cx, d2z_cy, d2zx, d2zxy, d2xy;
4810     int               cxf, cxl, cyf, cyf_x, cyl;
4811     int               cx, cy;
4812     int               c0, c1, cs, cf, cl;
4813     int               ndistc;
4814     int               ncpcheck;
4815     int               gridi_flag_shift = 0, gridj_flag_shift = 0;
4816     unsigned int     *gridj_flag       = NULL;
4817     int               ncj_old_i, ncj_old_j;
4818
4819     nbs_cycle_start(&work->cc[enbsCCsearch]);
4820
4821     if (gridj->bSimple != nbl->bSimple)
4822     {
4823         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
4824     }
4825
4826     sync_work(nbl);
4827     nbl->na_sc = gridj->na_sc;
4828     nbl->na_ci = gridj->na_c;
4829     nbl->na_cj = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
4830     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
4831
4832     nbl->rlist  = rlist;
4833
4834     if (bFBufferFlag)
4835     {
4836         /* Determine conversion of clusters to flag blocks */
4837         gridi_flag_shift = 0;
4838         while ((nbl->na_ci<<gridi_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4839         {
4840             gridi_flag_shift++;
4841         }
4842         gridj_flag_shift = 0;
4843         while ((nbl->na_cj<<gridj_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4844         {
4845             gridj_flag_shift++;
4846         }
4847
4848         gridj_flag = work->buffer_flags.flag;
4849     }
4850
4851     copy_mat(nbs->box, box);
4852
4853     rl2 = nbl->rlist*nbl->rlist;
4854
4855     if (nbs->bFEP && !nbl->bSimple)
4856     {
4857         /* Determine an atom-pair list cut-off distance for FEP atom pairs.
4858          * We should not simply use rlist, since then we would not have
4859          * the small, effective buffering of the NxN lists.
4860          * The buffer is on overestimate, but the resulting cost for pairs
4861          * beyond rlist is neglible compared to the FEP pairs within rlist.
4862          */
4863         rl_fep2 = nbl->rlist + effective_buffer_1x1_vs_MxN(gridi, gridj);
4864
4865         if (debug)
4866         {
4867             fprintf(debug, "nbl_fep atom-pair rlist %f\n", rl_fep2);
4868         }
4869         rl_fep2 = rl_fep2*rl_fep2;
4870     }
4871
4872     rbb2 = boundingbox_only_distance2(gridi, gridj, nbl->rlist, nbl->bSimple);
4873
4874     if (debug)
4875     {
4876         fprintf(debug, "nbl bounding box only distance %f\n", sqrt(rbb2));
4877     }
4878
4879     /* Set the shift range */
4880     for (d = 0; d < DIM; d++)
4881     {
4882         /* Check if we need periodicity shifts.
4883          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
4884          */
4885         if (d >= ePBC2npbcdim(nbs->ePBC) || nbs->dd_dim[d])
4886         {
4887             shp[d] = 0;
4888         }
4889         else
4890         {
4891             if (d == XX &&
4892                 box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < sqrt(rl2))
4893             {
4894                 shp[d] = 2;
4895             }
4896             else
4897             {
4898                 shp[d] = 1;
4899             }
4900         }
4901     }
4902
4903     if (nbl->bSimple && !gridi->bSimple)
4904     {
4905         conv_i  = gridi->na_sc/gridj->na_sc;
4906         bb_i    = gridi->bb_simple;
4907         bbcz_i  = gridi->bbcz_simple;
4908         flags_i = gridi->flags_simple;
4909     }
4910     else
4911     {
4912         conv_i  = 1;
4913 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4914         if (gridi->bSimple)
4915         {
4916             bb_i  = gridi->bb;
4917         }
4918         else
4919         {
4920             pbb_i = gridi->pbb;
4921         }
4922 #else
4923         /* We use the normal bounding box format for both grid types */
4924         bb_i  = gridi->bb;
4925 #endif
4926         bbcz_i  = gridi->bbcz;
4927         flags_i = gridi->flags;
4928     }
4929     cell0_i = gridi->cell0*conv_i;
4930
4931     bbcz_j = gridj->bbcz;
4932
4933     if (conv_i != 1)
4934     {
4935         /* Blocks of the conversion factor - 1 give a large repeat count
4936          * combined with a small block size. This should result in good
4937          * load balancing for both small and large domains.
4938          */
4939         ci_block = conv_i - 1;
4940     }
4941     if (debug)
4942     {
4943         fprintf(debug, "nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n",
4944                 gridi->nc, gridi->nc/(double)(gridi->ncx*gridi->ncy), ci_block);
4945     }
4946
4947     ndistc   = 0;
4948     ncpcheck = 0;
4949
4950     /* Initially ci_b and ci to 1 before where we want them to start,
4951      * as they will both be incremented in next_ci.
4952      */
4953     ci_b = -1;
4954     ci   = th*ci_block - 1;
4955     ci_x = 0;
4956     ci_y = 0;
4957     while (next_ci(gridi, conv_i, nth, ci_block, &ci_x, &ci_y, &ci_b, &ci))
4958     {
4959         if (nbl->bSimple && flags_i[ci] == 0)
4960         {
4961             continue;
4962         }
4963
4964         ncj_old_i = nbl->ncj;
4965
4966         d2cx = 0;
4967         if (gridj != gridi && shp[XX] == 0)
4968         {
4969             if (nbl->bSimple)
4970             {
4971                 bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X];
4972             }
4973             else
4974             {
4975                 bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx;
4976             }
4977             if (bx1 < gridj->c0[XX])
4978             {
4979                 d2cx = sqr(gridj->c0[XX] - bx1);
4980
4981                 if (d2cx >= rl2)
4982                 {
4983                     continue;
4984                 }
4985             }
4986         }
4987
4988         ci_xy = ci_x*gridi->ncy + ci_y;
4989
4990         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
4991         for (tz = -shp[ZZ]; tz <= shp[ZZ]; tz++)
4992         {
4993             shz = tz*box[ZZ][ZZ];
4994
4995             bz0 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D  ] + shz;
4996             bz1 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D+1] + shz;
4997
4998             if (tz == 0)
4999             {
5000                 d2z = 0;
5001             }
5002             else if (tz < 0)
5003             {
5004                 d2z = sqr(bz1);
5005             }
5006             else
5007             {
5008                 d2z = sqr(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
5009             }
5010
5011             d2z_cx = d2z + d2cx;
5012
5013             if (d2z_cx >= rl2)
5014             {
5015                 continue;
5016             }
5017
5018             bz1_frac =
5019                 bz1/((real)(gridi->cxy_ind[ci_xy+1] - gridi->cxy_ind[ci_xy]));
5020             if (bz1_frac < 0)
5021             {
5022                 bz1_frac = 0;
5023             }
5024             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
5025
5026             for (ty = -shp[YY]; ty <= shp[YY]; ty++)
5027             {
5028                 shy = ty*box[YY][YY] + tz*box[ZZ][YY];
5029
5030                 if (nbl->bSimple)
5031                 {
5032                     by0 = bb_i[ci].lower[BB_Y] + shy;
5033                     by1 = bb_i[ci].upper[BB_Y] + shy;
5034                 }
5035                 else
5036                 {
5037                     by0 = gridi->c0[YY] + (ci_y  )*gridi->sy + shy;
5038                     by1 = gridi->c0[YY] + (ci_y+1)*gridi->sy + shy;
5039                 }
5040
5041                 get_cell_range(by0, by1,
5042                                gridj->ncy, gridj->c0[YY], gridj->sy, gridj->inv_sy,
5043                                d2z_cx, rl2,
5044                                &cyf, &cyl);
5045
5046                 if (cyf > cyl)
5047                 {
5048                     continue;
5049                 }
5050
5051                 d2z_cy = d2z;
5052                 if (by1 < gridj->c0[YY])
5053                 {
5054                     d2z_cy += sqr(gridj->c0[YY] - by1);
5055                 }
5056                 else if (by0 > gridj->c1[YY])
5057                 {
5058                     d2z_cy += sqr(by0 - gridj->c1[YY]);
5059                 }
5060
5061                 for (tx = -shp[XX]; tx <= shp[XX]; tx++)
5062                 {
5063                     shift = XYZ2IS(tx, ty, tz);
5064
5065 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5066                     if (gridi == gridj && shift > CENTRAL)
5067                     {
5068                         continue;
5069                     }
5070 #endif
5071
5072                     shx = tx*box[XX][XX] + ty*box[YY][XX] + tz*box[ZZ][XX];
5073
5074                     if (nbl->bSimple)
5075                     {
5076                         bx0 = bb_i[ci].lower[BB_X] + shx;
5077                         bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X] + shx;
5078                     }
5079                     else
5080                     {
5081                         bx0 = gridi->c0[XX] + (ci_x  )*gridi->sx + shx;
5082                         bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx + shx;
5083                     }
5084
5085                     get_cell_range(bx0, bx1,
5086                                    gridj->ncx, gridj->c0[XX], gridj->sx, gridj->inv_sx,
5087                                    d2z_cy, rl2,
5088                                    &cxf, &cxl);
5089
5090                     if (cxf > cxl)
5091                     {
5092                         continue;
5093                     }
5094
5095                     if (nbl->bSimple)
5096                     {
5097                         new_ci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci]);
5098                     }
5099                     else
5100                     {
5101                         new_sci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift);
5102                     }
5103
5104 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5105                     if (cxf < ci_x)
5106 #else
5107                     if (shift == CENTRAL && gridi == gridj &&
5108                         cxf < ci_x)
5109 #endif
5110                     {
5111                         /* Leave the pairs with i > j.
5112                          * x is the major index, so skip half of it.
5113                          */
5114                         cxf = ci_x;
5115                     }
5116
5117                     if (nbl->bSimple)
5118                     {
5119                         set_icell_bb_simple(bb_i, ci, shx, shy, shz,
5120                                             nbl->work->bb_ci);
5121                     }
5122                     else
5123                     {
5124 #ifdef NBNXN_BBXXXX
5125                         set_icell_bbxxxx_supersub(pbb_i, ci, shx, shy, shz,
5126                                                   nbl->work->pbb_ci);
5127 #else
5128                         set_icell_bb_supersub(bb_i, ci, shx, shy, shz,
5129                                               nbl->work->bb_ci);
5130 #endif
5131                     }
5132
5133                     nbs->icell_set_x(cell0_i+ci, shx, shy, shz,
5134                                      gridi->na_c, nbat->xstride, nbat->x,
5135                                      nbl->work);
5136
5137                     for (cx = cxf; cx <= cxl; cx++)
5138                     {
5139                         d2zx = d2z;
5140                         if (gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx > bx1)
5141                         {
5142                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx - bx1);
5143                         }
5144                         else if (gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx < bx0)
5145                         {
5146                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx - bx0);
5147                         }
5148
5149 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5150                         if (gridi == gridj &&
5151                             cx == 0 && cyf < ci_y)
5152 #else
5153                         if (gridi == gridj &&
5154                             cx == 0 && shift == CENTRAL && cyf < ci_y)
5155 #endif
5156                         {
5157                             /* Leave the pairs with i > j.
5158                              * Skip half of y when i and j have the same x.
5159                              */
5160                             cyf_x = ci_y;
5161                         }
5162                         else
5163                         {
5164                             cyf_x = cyf;
5165                         }
5166
5167                         for (cy = cyf_x; cy <= cyl; cy++)
5168                         {
5169                             c0 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy];
5170                             c1 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy+1];
5171 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5172                             if (gridi == gridj &&
5173                                 shift == CENTRAL && c0 < ci)
5174                             {
5175                                 c0 = ci;
5176                             }
5177 #endif
5178
5179                             d2zxy = d2zx;
5180                             if (gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy > by1)
5181                             {
5182                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy - by1);
5183                             }
5184                             else if (gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy < by0)
5185                             {
5186                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy - by0);
5187                             }
5188                             if (c1 > c0 && d2zxy < rl2)
5189                             {
5190                                 cs = c0 + (int)(bz1_frac*(c1 - c0));
5191                                 if (cs >= c1)
5192                                 {
5193                                     cs = c1 - 1;
5194                                 }
5195
5196                                 d2xy = d2zxy - d2z;
5197
5198                                 /* Find the lowest cell that can possibly
5199                                  * be within range.
5200                                  */
5201                                 cf = cs;
5202                                 while (cf > c0 &&
5203                                        (bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] >= bz0 ||
5204                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] - bz0) < rl2))
5205                                 {
5206                                     cf--;
5207                                 }
5208
5209                                 /* Find the highest cell that can possibly
5210                                  * be within range.
5211                                  */
5212                                 cl = cs;
5213                                 while (cl < c1-1 &&
5214                                        (bbcz_j[cl*NNBSBB_D] <= bz1 ||
5215                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cl*NNBSBB_D] - bz1) < rl2))
5216                                 {
5217                                     cl++;
5218                                 }
5219
5220 #ifdef NBNXN_REFCODE
5221                                 {
5222                                     /* Simple reference code, for debugging,
5223                                      * overrides the more complex code above.
5224                                      */
5225                                     int k;
5226                                     cf = c1;
5227                                     cl = -1;
5228                                     for (k = c0; k < c1; k++)
5229                                     {
5230                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
5231                                             k < cf)
5232                                         {
5233                                             cf = k;
5234                                         }
5235                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
5236                                             k > cl)
5237                                         {
5238                                             cl = k;
5239                                         }
5240                                     }
5241                                 }
5242 #endif
5243
5244                                 if (gridi == gridj)
5245                                 {
5246                                     /* We want each atom/cell pair only once,
5247                                      * only use cj >= ci.
5248                                      */
5249 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5250                                     cf = max(cf, ci);
5251 #else
5252                                     if (shift == CENTRAL)
5253                                     {
5254                                         cf = max(cf, ci);
5255                                     }
5256 #endif
5257                                 }
5258
5259                                 if (cf <= cl)
5260                                 {
5261                                     /* For f buffer flags with simple lists */
5262                                     ncj_old_j = nbl->ncj;
5263
5264                                     switch (nb_kernel_type)
5265                                     {
5266                                         case nbnxnk4x4_PlainC:
5267                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, cl-cf+1);
5268
5269                                             make_cluster_list_simple(gridj,
5270                                                                      nbl, ci, cf, cl,
5271                                                                      (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5272                                                                      nbat->x,
5273                                                                      rl2, rbb2,
5274                                                                      &ndistc);
5275                                             break;
5276 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
5277                                         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
5278                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
5279                                             make_cluster_list_simd_4xn(gridj,
5280                                                                        nbl, ci, cf, cl,
5281                                                                        (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5282                                                                        nbat->x,
5283                                                                        rl2, rbb2,
5284                                                                        &ndistc);
5285                                             break;
5286 #endif
5287 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
5288                                         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
5289                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
5290                                             make_cluster_list_simd_2xnn(gridj,
5291                                                                         nbl, ci, cf, cl,
5292                                                                         (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5293                                                                         nbat->x,
5294                                                                         rl2, rbb2,
5295                                                                         &ndistc);
5296                                             break;
5297 #endif
5298                                         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
5299                                         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
5300                                             check_subcell_list_space_supersub(nbl, cl-cf+1);
5301                                             for (cj = cf; cj <= cl; cj++)
5302                                             {
5303                                                 make_cluster_list_supersub(gridi, gridj,
5304                                                                            nbl, ci, cj,
5305                                                                            (gridi == gridj && shift == CENTRAL && ci == cj),
5306                                                                            nbat->xstride, nbat->x,
5307                                                                            rl2, rbb2,
5308                                                                            &ndistc);
5309                                             }
5310                                             break;
5311                                     }
5312                                     ncpcheck += cl - cf + 1;
5313
5314                                     if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_j)
5315                                     {
5316                                         int cbf, cbl, cb;
5317
5318                                         cbf = nbl->cj[ncj_old_j].cj >> gridj_flag_shift;
5319                                         cbl = nbl->cj[nbl->ncj-1].cj >> gridj_flag_shift;
5320                                         for (cb = cbf; cb <= cbl; cb++)
5321                                         {
5322                                             gridj_flag[cb] = 1U<<th;
5323                                         }
5324                                     }
5325                                 }
5326                             }
5327                         }
5328                     }
5329
5330                     /* Set the exclusions for this ci list */
5331                     if (nbl->bSimple)
5332                     {
5333                         set_ci_top_excls(nbs,
5334                                          nbl,
5335                                          shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5336                                          gridj->na_c_2log,
5337                                          na_cj_2log,
5338                                          &(nbl->ci[nbl->nci]),
5339                                          excl);
5340
5341                         if (nbs->bFEP)
5342                         {
5343                             make_fep_list(nbs, nbat, nbl,
5344                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5345                                           &(nbl->ci[nbl->nci]),
5346                                           gridi, gridj, nbl_fep);
5347                         }
5348                     }
5349                     else
5350                     {
5351                         set_sci_top_excls(nbs,
5352                                           nbl,
5353                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5354                                           gridj->na_c_2log,
5355                                           &(nbl->sci[nbl->nsci]),
5356                                           excl);
5357
5358                         if (nbs->bFEP)
5359                         {
5360                             make_fep_list_supersub(nbs, nbat, nbl,
5361                                                    shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5362                                                    &(nbl->sci[nbl->nsci]),
5363                                                    shx, shy, shz,
5364                                                    rl_fep2,
5365                                                    gridi, gridj, nbl_fep);
5366                         }
5367                     }
5368
5369                     /* Close this ci list */
5370                     if (nbl->bSimple)
5371                     {
5372                         close_ci_entry_simple(nbl);
5373                     }
5374                     else
5375                     {
5376                         close_ci_entry_supersub(nbl,
5377                                                 nsubpair_max,
5378                                                 progBal, min_ci_balanced,
5379                                                 th, nth);
5380                     }
5381                 }
5382             }
5383         }
5384
5385         if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_i)
5386         {
5387             work->buffer_flags.flag[(gridi->cell0+ci)>>gridi_flag_shift] = 1U<<th;
5388         }
5389     }
5390
5391     work->ndistc = ndistc;
5392
5393     nbs_cycle_stop(&work->cc[enbsCCsearch]);
5394
5395     if (debug)
5396     {
5397         fprintf(debug, "number of distance checks %d\n", ndistc);
5398         fprintf(debug, "ncpcheck %s %d\n", gridi == gridj ? "local" : "non-local",
5399                 ncpcheck);
5400
5401         if (nbl->bSimple)
5402         {
5403             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl, nbs, rlist);
5404         }
5405         else
5406         {
5407             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl, nbs, rlist);
5408         }
5409
5410         if (nbs->bFEP)
5411         {
5412             fprintf(debug, "nbl FEP list pairs: %d\n", nbl_fep->nrj);
5413         }
5414     }
5415 }
5416
5417 static void reduce_buffer_flags(const nbnxn_search_t        nbs,
5418                                 int                         nsrc,
5419                                 const nbnxn_buffer_flags_t *dest)
5420 {
5421     int                 s, b;
5422     const unsigned int *flag;
5423
5424     for (s = 0; s < nsrc; s++)
5425     {
5426         flag = nbs->work[s].buffer_flags.flag;
5427
5428         for (b = 0; b < dest->nflag; b++)
5429         {
5430             dest->flag[b] |= flag[b];
5431         }
5432     }
5433 }
5434
5435 static void print_reduction_cost(const nbnxn_buffer_flags_t *flags, int nout)
5436 {
5437     int nelem, nkeep, ncopy, nred, b, c, out;
5438
5439     nelem = 0;
5440     nkeep = 0;
5441     ncopy = 0;
5442     nred  = 0;
5443     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
5444     {
5445         if (flags->flag[b] == 1)
5446         {
5447             /* Only flag 0 is set, no copy of reduction required */
5448             nelem++;
5449             nkeep++;
5450         }
5451         else if (flags->flag[b] > 0)
5452         {
5453             c = 0;
5454             for (out = 0; out < nout; out++)
5455             {
5456                 if (flags->flag[b] & (1U<<out))
5457                 {
5458                     c++;
5459                 }
5460             }
5461             nelem += c;
5462             if (c == 1)
5463             {
5464                 ncopy++;
5465             }
5466             else
5467             {
5468                 nred += c;
5469             }
5470         }
5471     }
5472
5473     fprintf(debug, "nbnxn reduction: #flag %d #list %d elem %4.2f, keep %4.2f copy %4.2f red %4.2f\n",
5474             flags->nflag, nout,
5475             nelem/(double)(flags->nflag),
5476             nkeep/(double)(flags->nflag),
5477             ncopy/(double)(flags->nflag),
5478             nred/(double)(flags->nflag));
5479 }
5480
5481 /* Perform a count (linear) sort to sort the smaller lists to the end.
5482  * This avoids load imbalance on the GPU, as large lists will be
5483  * scheduled and executed first and the smaller lists later.
5484  * Load balancing between multi-processors only happens at the end
5485  * and there smaller lists lead to more effective load balancing.
5486  * The sorting is done on the cj4 count, not on the actual pair counts.
5487  * Not only does this make the sort faster, but it also results in
5488  * better load balancing than using a list sorted on exact load.
5489  * This function swaps the pointer in the pair list to avoid a copy operation.
5490  */
5491 static void sort_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl)
5492 {
5493     nbnxn_list_work_t *work;
5494     int                m, i, s, s0, s1;
5495     nbnxn_sci_t       *sci_sort;
5496
5497     if (nbl->ncj4 <= nbl->nsci)
5498     {
5499         /* nsci = 0 or all sci have size 1, sorting won't change the order */
5500         return;
5501     }
5502
5503     work = nbl->work;
5504
5505     /* We will distinguish differences up to double the average */
5506     m = (2*nbl->ncj4)/nbl->nsci;
5507
5508     if (m + 1 > work->sort_nalloc)
5509     {
5510         work->sort_nalloc = over_alloc_large(m + 1);
5511         srenew(work->sort, work->sort_nalloc);
5512     }
5513
5514     if (work->sci_sort_nalloc != nbl->sci_nalloc)
5515     {
5516         work->sci_sort_nalloc = nbl->sci_nalloc;
5517         nbnxn_realloc_void((void **)&work->sci_sort,
5518                            0,
5519                            work->sci_sort_nalloc*sizeof(*work->sci_sort),
5520                            nbl->alloc, nbl->free);
5521     }
5522
5523     /* Count the entries of each size */
5524     for (i = 0; i <= m; i++)
5525     {
5526         work->sort[i] = 0;
5527     }
5528     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
5529     {
5530         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
5531         work->sort[i]++;
5532     }
5533     /* Calculate the offset for each count */
5534     s0            = work->sort[m];
5535     work->sort[m] = 0;
5536     for (i = m - 1; i >= 0; i--)
5537     {
5538         s1            = work->sort[i];
5539         work->sort[i] = work->sort[i + 1] + s0;
5540         s0            = s1;
5541     }
5542
5543     /* Sort entries directly into place */
5544     sci_sort = work->sci_sort;
5545     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
5546     {
5547         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
5548         sci_sort[work->sort[i]++] = nbl->sci[s];
5549     }
5550
5551     /* Swap the sci pointers so we use the new, sorted list */
5552     work->sci_sort = nbl->sci;
5553     nbl->sci       = sci_sort;
5554 }
5555
5556 /* Make a local or non-local pair-list, depending on iloc */
5557 void nbnxn_make_pairlist(const nbnxn_search_t  nbs,
5558                          nbnxn_atomdata_t     *nbat,
5559                          const t_blocka       *excl,
5560                          real                  rlist,
5561                          int                   min_ci_balanced,
5562                          nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
5563                          int                   iloc,
5564                          int                   nb_kernel_type,
5565                          t_nrnb               *nrnb)
5566 {
5567     nbnxn_grid_t      *gridi, *gridj;
5568     gmx_bool           bGPUCPU;
5569     int                nzi, zi, zj0, zj1, zj;
5570     int                nsubpair_max;
5571     int                th;
5572     int                nnbl;
5573     nbnxn_pairlist_t **nbl;
5574     int                ci_block;
5575     gmx_bool           CombineNBLists;
5576     gmx_bool           progBal;
5577     int                np_tot, np_noq, np_hlj, nap;
5578
5579     /* Check if we are running hybrid GPU + CPU nbnxn mode */
5580     bGPUCPU = (!nbs->grid[0].bSimple && nbl_list->bSimple);
5581
5582     nnbl            = nbl_list->nnbl;
5583     nbl             = nbl_list->nbl;
5584     CombineNBLists  = nbl_list->bCombined;
5585
5586     if (debug)
5587     {
5588         fprintf(debug, "ns making %d nblists\n", nnbl);
5589     }
5590
5591     nbat->bUseBufferFlags = (nbat->nout > 1);
5592     /* We should re-init the flags before making the first list */
5593     if (nbat->bUseBufferFlags && (LOCAL_I(iloc) || bGPUCPU))
5594     {
5595         init_buffer_flags(&nbat->buffer_flags, nbat->natoms);
5596     }
5597
5598     if (nbl_list->bSimple)
5599     {
5600         switch (nb_kernel_type)
5601         {
5602 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
5603             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
5604                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_4xn;
5605                 break;
5606 #endif
5607 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
5608             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
5609                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_2xnn;
5610                 break;
5611 #endif
5612             default:
5613                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
5614                 break;
5615         }
5616     }
5617     else
5618     {
5619 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
5620         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub_simd4;
5621 #else
5622         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub;
5623 #endif
5624     }
5625
5626     if (LOCAL_I(iloc))
5627     {
5628         /* Only zone (grid) 0 vs 0 */
5629         nzi = 1;
5630         zj0 = 0;
5631         zj1 = 1;
5632     }
5633     else
5634     {
5635         nzi = nbs->zones->nizone;
5636     }
5637
5638     if (!nbl_list->bSimple && min_ci_balanced > 0)
5639     {
5640         nsubpair_max = get_nsubpair_max(nbs, iloc, rlist, min_ci_balanced);
5641     }
5642     else
5643     {
5644         nsubpair_max = 0;
5645     }
5646
5647     /* Clear all pair-lists */
5648     for (th = 0; th < nnbl; th++)
5649     {
5650         clear_pairlist(nbl[th]);
5651
5652         if (nbs->bFEP)
5653         {
5654             clear_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[th]);
5655         }
5656     }
5657
5658     for (zi = 0; zi < nzi; zi++)
5659     {
5660         gridi = &nbs->grid[zi];
5661
5662         if (NONLOCAL_I(iloc))
5663         {
5664             zj0 = nbs->zones->izone[zi].j0;
5665             zj1 = nbs->zones->izone[zi].j1;
5666             if (zi == 0)
5667             {
5668                 zj0++;
5669             }
5670         }
5671         for (zj = zj0; zj < zj1; zj++)
5672         {
5673             gridj = &nbs->grid[zj];
5674
5675             if (debug)
5676             {
5677                 fprintf(debug, "ns search grid %d vs %d\n", zi, zj);
5678             }
5679
5680             nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5681
5682             if (nbl[0]->bSimple && !gridi->bSimple)
5683             {
5684                 /* Hybrid list, determine blocking later */
5685                 ci_block = 0;
5686             }
5687             else
5688             {
5689                 ci_block = get_ci_block_size(gridi, nbs->DomDec, nnbl);
5690             }
5691
5692             /* With GPU: generate progressively smaller lists for
5693              * load balancing for local only or non-local with 2 zones.
5694              */
5695             progBal = (LOCAL_I(iloc) || nbs->zones->n <= 2);
5696
5697 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5698             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5699             {
5700                 /* Re-init the thread-local work flag data before making
5701                  * the first list (not an elegant conditional).
5702                  */
5703                 if (nbat->bUseBufferFlags && ((zi == 0 && zj == 0) ||
5704                                               (bGPUCPU && zi == 0 && zj == 1)))
5705                 {
5706                     init_buffer_flags(&nbs->work[th].buffer_flags, nbat->natoms);
5707                 }
5708
5709                 if (CombineNBLists && th > 0)
5710                 {
5711                     clear_pairlist(nbl[th]);
5712                 }
5713
5714                 /* Divide the i super cell equally over the nblists */
5715                 nbnxn_make_pairlist_part(nbs, gridi, gridj,
5716                                          &nbs->work[th], nbat, excl,
5717                                          rlist,
5718                                          nb_kernel_type,
5719                                          ci_block,
5720                                          nbat->bUseBufferFlags,
5721                                          nsubpair_max,
5722                                          progBal, min_ci_balanced,
5723                                          th, nnbl,
5724                                          nbl[th],
5725                                          nbl_list->nbl_fep[th]);
5726             }
5727             nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5728
5729             np_tot = 0;
5730             np_noq = 0;
5731             np_hlj = 0;
5732             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5733             {
5734                 inc_nrnb(nrnb, eNR_NBNXN_DIST2, nbs->work[th].ndistc);
5735
5736                 if (nbl_list->bSimple)
5737                 {
5738                     np_tot += nbl[th]->ncj;
5739                     np_noq += nbl[th]->work->ncj_noq;
5740                     np_hlj += nbl[th]->work->ncj_hlj;
5741                 }
5742                 else
5743                 {
5744                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
5745                     np_tot += nbl[th]->nci_tot;
5746                 }
5747             }
5748             nap                   = nbl[0]->na_ci*nbl[0]->na_cj;
5749             nbl_list->natpair_ljq = (np_tot - np_noq)*nap - np_hlj*nap/2;
5750             nbl_list->natpair_lj  = np_noq*nap;
5751             nbl_list->natpair_q   = np_hlj*nap/2;
5752
5753             if (CombineNBLists && nnbl > 1)
5754             {
5755                 nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5756
5757                 combine_nblists(nnbl-1, nbl+1, nbl[0]);
5758
5759                 nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5760             }
5761         }
5762     }
5763
5764     if (!nbl_list->bSimple)
5765     {
5766         /* Sort the entries on size, large ones first */
5767         if (CombineNBLists || nnbl == 1)
5768         {
5769             sort_sci(nbl[0]);
5770         }
5771         else
5772         {
5773 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5774             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5775             {
5776                 sort_sci(nbl[th]);
5777             }
5778         }
5779     }
5780
5781     if (nbat->bUseBufferFlags)
5782     {
5783         reduce_buffer_flags(nbs, nnbl, &nbat->buffer_flags);
5784     }
5785
5786     if (nbs->bFEP)
5787     {
5788         /* Balance the free-energy lists over all the threads */
5789         balance_fep_lists(nbs, nbl_list);
5790     }
5791
5792     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
5793     if (LOCAL_I(iloc))
5794     {
5795         nbs->search_count++;
5796     }
5797     if (nbs->print_cycles &&
5798         (!nbs->DomDec || (nbs->DomDec && !LOCAL_I(iloc))) &&
5799         nbs->search_count % 100 == 0)
5800     {
5801         nbs_cycle_print(stderr, nbs);
5802     }
5803
5804     if (debug && (CombineNBLists && nnbl > 1))
5805     {
5806         if (nbl[0]->bSimple)
5807         {
5808             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5809         }
5810         else
5811         {
5812             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5813         }
5814     }
5815
5816     if (debug)
5817     {
5818         if (gmx_debug_at)
5819         {
5820             if (nbl[0]->bSimple)
5821             {
5822                 print_nblist_ci_cj(debug, nbl[0]);
5823             }
5824             else
5825             {
5826                 print_nblist_sci_cj(debug, nbl[0]);
5827             }
5828         }
5829
5830         if (nbat->bUseBufferFlags)
5831         {
5832             print_reduction_cost(&nbat->buffer_flags, nnbl);
5833         }
5834     }
5835 }