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 #include "config.h"
  37
  38 #include <math.h>
  39 #include <string.h>
  40 #include <assert.h>
  41
  42 #include "types/commrec.h"
  43 #include "macros.h"
  44 #include "gromacs/math/utilities.h"
  45 #include "gromacs/math/vec.h"
  46 #include "nbnxn_consts.h"
  47 /* nbnxn_internal.h included gromacs/simd/macros.h */
  48 #include "nbnxn_internal.h"
  49 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
  50 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
  51 #endif
  52 #include "nbnxn_atomdata.h"
  53 #include "nbnxn_search.h"
  54 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  55 #include "nrnb.h"
  56 #include "ns.h"
  57
  58 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  59 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  60 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  61
  62 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
  63 /* Always use 4-wide SIMD for bounding box calculations */
  64
  65 #    ifndef GMX_DOUBLE
  66 /* Single precision BBs + coordinates, we can also load coordinates with SIMD */
  67 #        define NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
  68 #    endif
  69
  70 #    if defined NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB && (GPU_NSUBCELL == 4 || GPU_NSUBCELL == 8)
  71 /* Store bounding boxes with x, y and z coordinates in packs of 4 */
  72 #        define NBNXN_PBB_SIMD4
  73 #    endif
  74
  75 /* The packed bounding box coordinate stride is always set to 4.
  76  * With AVX we could use 8, but that turns out not to be faster.
  77  */
  78 #    define STRIDE_PBB        4
  79 #    define STRIDE_PBB_2LOG   2
  80
  81 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
  82
  83 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
  84
  85 /* The functions below are macros as they are performance sensitive */
  86
  87 /* 4x4 list, pack=4: no complex conversion required */
  88 /* i-cluster to j-cluster conversion */
  89 #define CI_TO_CJ_J4(ci)   (ci)
  90 /* cluster index to coordinate array index conversion */
  91 #define X_IND_CI_J4(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
  92 #define X_IND_CJ_J4(cj)  ((cj)*STRIDE_P4)
  93
  94 /* 4x2 list, pack=4: j-cluster size is half the packing width */
  95 /* i-cluster to j-cluster conversion */
  96 #define CI_TO_CJ_J2(ci)  ((ci)<<1)
  97 /* cluster index to coordinate array index conversion */
  98 #define X_IND_CI_J2(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
  99 #define X_IND_CJ_J2(cj)  (((cj)>>1)*STRIDE_P4 + ((cj) & 1)*(PACK_X4>>1))
 100
 101 /* 4x8 list, pack=8: i-cluster size is half the packing width */
 102 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 103 #define CI_TO_CJ_J8(ci)  ((ci)>>1)
 104 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 105 #define X_IND_CI_J8(ci)  (((ci)>>1)*STRIDE_P8 + ((ci) & 1)*(PACK_X8>>1))
 106 #define X_IND_CJ_J8(cj)  ((cj)*STRIDE_P8)
 107
 108 /* The j-cluster size is matched to the SIMD width */
 109 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
 110 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J2(ci)
 111 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J2(ci)
 112 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J2(cj)
 113 #else
 114 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 4
 115 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J4(ci)
 116 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J4(ci)
 117 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J4(cj)
 118 #else
 119 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 8
 120 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J8(ci)
 121 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J8(ci)
 122 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J8(cj)
 123 /* Half SIMD with j-cluster size */
 124 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J4(ci)
 125 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J4(ci)
 126 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J4(cj)
 127 #else
 128 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 16
 129 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J8(ci)
 130 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J8(ci)
 131 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J8(cj)
 132 #else
 133 #error "unsupported GMX_SIMD_REAL_WIDTH"
 134 #endif
 135 #endif
 136 #endif
 137 #endif
 138
 139 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
 140
 141
 142 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 143 /* Store bounding boxes corners as quadruplets: xxxxyyyyzzzz */
 144 #define NBNXN_BBXXXX
 145 /* Size of bounding box corners quadruplet */
 146 #define NNBSBB_XXXX      (NNBSBB_D*DIM*STRIDE_PBB)
 147 #endif
 148
 149 /* We shift the i-particles backward for PBC.
 150  * This leads to more conditionals than shifting forward.
 151  * We do this to get more balanced pair lists.
 152  */
 153 #define NBNXN_SHIFT_BACKWARD
 154
 155
 156 /* This define is a lazy way to avoid interdependence of the grid
 157  * and searching data structures.
 158  */
 159 #define NBNXN_NA_SC_MAX (GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE)
 160
 161
 162 static void nbs_cycle_clear(nbnxn_cycle_t *cc)
 163 {
 164     int i;
 165
 166     for (i = 0; i < enbsCCnr; i++)
 167     {
 168         cc[i].count = 0;
 169         cc[i].c     = 0;
 170     }
 171 }
 172
 173 static double Mcyc_av(const nbnxn_cycle_t *cc)
 174 {
 175     return (double)cc->c*1e-6/cc->count;
 176 }
 177
 178 static void nbs_cycle_print(FILE *fp, const nbnxn_search_t nbs)
 179 {
 180     int n;
 181     int t;
 182
 183     fprintf(fp, "\n");
 184     fprintf(fp, "ns %4d grid %4.1f search %4.1f red.f %5.3f",
 185             nbs->cc[enbsCCgrid].count,
 186             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCgrid]),
 187             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCsearch]),
 188             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCreducef]));
 189
 190     if (nbs->nthread_max > 1)
 191     {
 192         if (nbs->cc[enbsCCcombine].count > 0)
 193         {
 194             fprintf(fp, " comb %5.2f",
 195                     Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCcombine]));
 196         }
 197         fprintf(fp, " s. th");
 198         for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 199         {
 200             fprintf(fp, " %4.1f",
 201                     Mcyc_av(&nbs->work[t].cc[enbsCCsearch]));
 202         }
 203     }
 204     fprintf(fp, "\n");
 205 }
 206
 207 static void nbnxn_grid_init(nbnxn_grid_t * grid)
 208 {
 209     grid->cxy_na      = NULL;
 210     grid->cxy_ind     = NULL;
 211     grid->cxy_nalloc  = 0;
 212     grid->bb          = NULL;
 213     grid->bbj         = NULL;
 214     grid->nc_nalloc   = 0;
 215 }
 216
 217 static int get_2log(int n)
 218 {
 219     int log2;
 220
 221     log2 = 0;
 222     while ((1<<log2) < n)
 223     {
 224         log2++;
 225     }
 226     if ((1<<log2) != n)
 227     {
 228         gmx_fatal(FARGS, "nbnxn na_c (%d) is not a power of 2", n);
 229     }
 230
 231     return log2;
 232 }
 233
 234 static int nbnxn_kernel_to_ci_size(int nb_kernel_type)
 235 {
 236     switch (nb_kernel_type)
 237     {
 238         case nbnxnk4x4_PlainC:
 239         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 240         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 241             return NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 242         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 243         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 244             /* The cluster size for super/sub lists is only set here.
 245              * Any value should work for the pair-search and atomdata code.
 246              * The kernels, of course, might require a particular value.
 247              */
 248             return NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE;
 249         default:
 250             gmx_incons("unknown kernel type");
 251     }
 252
 253     return 0;
 254 }
 255
 256 int nbnxn_kernel_to_cj_size(int nb_kernel_type)
 257 {
 258     int nbnxn_simd_width = 0;
 259     int cj_size          = 0;
 260
 261 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 262     nbnxn_simd_width = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
 263 #endif
 264
 265     switch (nb_kernel_type)
 266     {
 267         case nbnxnk4x4_PlainC:
 268             cj_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 269             break;
 270         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 271             cj_size = nbnxn_simd_width;
 272             break;
 273         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 274             cj_size = nbnxn_simd_width/2;
 275             break;
 276         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 277         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 278             cj_size = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
 279             break;
 280         default:
 281             gmx_incons("unknown kernel type");
 282     }
 283
 284     return cj_size;
 285 }
 286
 287 static int ci_to_cj(int na_cj_2log, int ci)
 288 {
 289     switch (na_cj_2log)
 290     {
 291         case 2: return ci;     break;
 292         case 1: return (ci<<1); break;
 293         case 3: return (ci>>1); break;
 294     }
 295
 296     return 0;
 297 }
 298
 299 gmx_bool nbnxn_kernel_pairlist_simple(int nb_kernel_type)
 300 {
 301     if (nb_kernel_type == nbnxnkNotSet)
 302     {
 303         gmx_fatal(FARGS, "Non-bonded kernel type not set for Verlet-style pair-list.");
 304     }
 305
 306     switch (nb_kernel_type)
 307     {
 308         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 309         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 310             return FALSE;
 311
 312         case nbnxnk4x4_PlainC:
 313         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 314         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 315             return TRUE;
 316
 317         default:
 318             gmx_incons("Invalid nonbonded kernel type passed!");
 319             return FALSE;
 320     }
 321 }
 322
 323 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
 324 static void nbnxn_init_pairlist_fep(t_nblist *nl)
 325 {
 326     nl->type        = GMX_NBLIST_INTERACTION_FREE_ENERGY;
 327     nl->igeometry   = GMX_NBLIST_GEOMETRY_PARTICLE_PARTICLE;
 328     /* The interaction functions are set in the free energy kernel fuction */
 329     nl->ivdw        = -1;
 330     nl->ivdwmod     = -1;
 331     nl->ielec       = -1;
 332     nl->ielecmod    = -1;
 333
 334     nl->maxnri      = 0;
 335     nl->maxnrj      = 0;
 336     nl->nri         = 0;
 337     nl->nrj         = 0;
 338     nl->iinr        = NULL;
 339     nl->gid         = NULL;
 340     nl->shift       = NULL;
 341     nl->jindex      = NULL;
 342     nl->jjnr        = NULL;
 343     nl->excl_fep    = NULL;
 344
 345 }
 346
 347 void nbnxn_init_search(nbnxn_search_t    * nbs_ptr,
 348                        ivec               *n_dd_cells,
 349                        gmx_domdec_zones_t *zones,
 350                        gmx_bool            bFEP,
 351                        int                 nthread_max)
 352 {
 353     nbnxn_search_t nbs;
 354     int            d, g, t;
 355
 356     snew(nbs, 1);
 357     *nbs_ptr = nbs;
 358
 359     nbs->bFEP   = bFEP;
 360
 361     nbs->DomDec = (n_dd_cells != NULL);
 362
 363     clear_ivec(nbs->dd_dim);
 364     nbs->ngrid = 1;
 365     if (nbs->DomDec)
 366     {
 367         nbs->zones = zones;
 368
 369         for (d = 0; d < DIM; d++)
 370         {
 371             if ((*n_dd_cells)[d] > 1)
 372             {
 373                 nbs->dd_dim[d] = 1;
 374                 /* Each grid matches a DD zone */
 375                 nbs->ngrid *= 2;
 376             }
 377         }
 378     }
 379
 380     snew(nbs->grid, nbs->ngrid);
 381     for (g = 0; g < nbs->ngrid; g++)
 382     {
 383         nbnxn_grid_init(&nbs->grid[g]);
 384     }
 385     nbs->cell        = NULL;
 386     nbs->cell_nalloc = 0;
 387     nbs->a           = NULL;
 388     nbs->a_nalloc    = 0;
 389
 390     nbs->nthread_max = nthread_max;
 391
 392     /* Initialize the work data structures for each thread */
 393     snew(nbs->work, nbs->nthread_max);
 394     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 395     {
 396         nbs->work[t].cxy_na           = NULL;
 397         nbs->work[t].cxy_na_nalloc    = 0;
 398         nbs->work[t].sort_work        = NULL;
 399         nbs->work[t].sort_work_nalloc = 0;
 400
 401         snew(nbs->work[t].nbl_fep, 1);
 402         nbnxn_init_pairlist_fep(nbs->work[t].nbl_fep);
 403     }
 404
 405     /* Initialize detailed nbsearch cycle counting */
 406     nbs->print_cycles = (getenv("GMX_NBNXN_CYCLE") != 0);
 407     nbs->search_count = 0;
 408     nbs_cycle_clear(nbs->cc);
 409     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 410     {
 411         nbs_cycle_clear(nbs->work[t].cc);
 412     }
 413 }
 414
 415 static real grid_atom_density(int n, rvec corner0, rvec corner1)
 416 {
 417     rvec size;
 418
 419     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 420
 421     return n/(size[XX]*size[YY]*size[ZZ]);
 422 }
 423
 424 static int set_grid_size_xy(const nbnxn_search_t nbs,
 425                             nbnxn_grid_t *grid,
 426                             int dd_zone,
 427                             int n, rvec corner0, rvec corner1,
 428                             real atom_density)
 429 {
 430     rvec size;
 431     int  na_c;
 432     real adens, tlen, tlen_x, tlen_y, nc_max;
 433     int  t;
 434
 435     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 436
 437     if (n > grid->na_sc)
 438     {
 439         /* target cell length */
 440         if (grid->bSimple)
 441         {
 442             /* To minimize the zero interactions, we should make
 443              * the largest of the i/j cell cubic.
 444              */
 445             na_c = max(grid->na_c, grid->na_cj);
 446
 447             /* Approximately cubic cells */
 448             tlen   = pow(na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 449             tlen_x = tlen;
 450             tlen_y = tlen;
 451         }
 452         else
 453         {
 454             /* Approximately cubic sub cells */
 455             tlen   = pow(grid->na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 456             tlen_x = tlen*GPU_NSUBCELL_X;
 457             tlen_y = tlen*GPU_NSUBCELL_Y;
 458         }
 459         /* We round ncx and ncy down, because we get less cell pairs
 460          * in the nbsist when the fixed cell dimensions (x,y) are
 461          * larger than the variable one (z) than the other way around.
 462          */
 463         grid->ncx = max(1, (int)(size[XX]/tlen_x));
 464         grid->ncy = max(1, (int)(size[YY]/tlen_y));
 465     }
 466     else
 467     {
 468         grid->ncx = 1;
 469         grid->ncy = 1;
 470     }
 471
 472     grid->sx     = size[XX]/grid->ncx;
 473     grid->sy     = size[YY]/grid->ncy;
 474     grid->inv_sx = 1/grid->sx;
 475     grid->inv_sy = 1/grid->sy;
 476
 477     if (dd_zone > 0)
 478     {
 479         /* This is a non-home zone, add an extra row of cells
 480          * for particles communicated for bonded interactions.
 481          * These can be beyond the cut-off. It doesn't matter where
 482          * they end up on the grid, but for performance it's better
 483          * if they don't end up in cells that can be within cut-off range.
 484          */
 485         grid->ncx++;
 486         grid->ncy++;
 487     }
 488
 489     /* We need one additional cell entry for particles moved by DD */
 490     if (grid->ncx*grid->ncy+1 > grid->cxy_nalloc)
 491     {
 492         grid->cxy_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 493         srenew(grid->cxy_na, grid->cxy_nalloc);
 494         srenew(grid->cxy_ind, grid->cxy_nalloc+1);
 495     }
 496     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 497     {
 498         if (grid->ncx*grid->ncy+1 > nbs->work[t].cxy_na_nalloc)
 499         {
 500             nbs->work[t].cxy_na_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 501             srenew(nbs->work[t].cxy_na, nbs->work[t].cxy_na_nalloc);
 502         }
 503     }
 504
 505     /* Worst case scenario of 1 atom in each last cell */
 506     if (grid->na_cj <= grid->na_c)
 507     {
 508         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy;
 509     }
 510     else
 511     {
 512         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy*grid->na_cj/grid->na_c;
 513     }
 514
 515     if (nc_max > grid->nc_nalloc)
 516     {
 517         grid->nc_nalloc = over_alloc_large(nc_max);
 518         srenew(grid->nsubc, grid->nc_nalloc);
 519         srenew(grid->bbcz, grid->nc_nalloc*NNBSBB_D);
 520
 521         sfree_aligned(grid->bb);
 522         /* This snew also zeros the contents, this avoid possible
 523          * floating exceptions in SIMD with the unused bb elements.
 524          */
 525         if (grid->bSimple)
 526         {
 527             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc, 16);
 528         }
 529         else
 530         {
 531 #ifdef NBNXN_BBXXXX
 532             int pbb_nalloc;
 533
 534             pbb_nalloc = grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX;
 535             snew_aligned(grid->pbb, pbb_nalloc, 16);
 536 #else
 537             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL, 16);
 538 #endif
 539         }
 540
 541         if (grid->bSimple)
 542         {
 543             if (grid->na_cj == grid->na_c)
 544             {
 545                 grid->bbj = grid->bb;
 546             }
 547             else
 548             {
 549                 sfree_aligned(grid->bbj);
 550                 snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc*grid->na_c/grid->na_cj, 16);
 551             }
 552         }
 553
 554         srenew(grid->flags, grid->nc_nalloc);
 555         if (nbs->bFEP)
 556         {
 557             srenew(grid->fep, grid->nc_nalloc*grid->na_sc/grid->na_c);
 558         }
 559     }
 560
 561     copy_rvec(corner0, grid->c0);
 562     copy_rvec(corner1, grid->c1);
 563
 564     return nc_max;
 565 }
 566
 567 /* We need to sort paricles in grid columns on z-coordinate.
 568  * As particle are very often distributed homogeneously, we a sorting
 569  * algorithm similar to pigeonhole sort. We multiply the z-coordinate
 570  * by a factor, cast to an int and try to store in that hole. If the hole
 571  * is full, we move this or another particle. A second pass is needed to make
 572  * contiguous elements. SORT_GRID_OVERSIZE is the ratio of holes to particles.
 573  * 4 is the optimal value for homogeneous particle distribution and allows
 574  * for an O(#particles) sort up till distributions were all particles are
 575  * concentrated in 1/4 of the space. No NlogN fallback is implemented,
 576  * as it can be expensive to detect imhomogeneous particle distributions.
 577  * SGSF is the maximum ratio of holes used, in the worst case all particles
 578  * end up in the last hole and we need #particles extra holes at the end.
 579  */
 580 #define SORT_GRID_OVERSIZE 4
 581 #define SGSF (SORT_GRID_OVERSIZE + 1)
 582
 583 /* Sort particle index a on coordinates x along dim.
 584  * Backwards tells if we want decreasing iso increasing coordinates.
 585  * h0 is the minimum of the coordinate range.
 586  * invh is the 1/length of the sorting range.
 587  * n_per_h (>=n) is the expected average number of particles per 1/invh
 588  * sort is the sorting work array.
 589  * sort should have a size of at least n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n,
 590  * or easier, allocate at least n*SGSF elements.
 591  */
 592 static void sort_atoms(int dim, gmx_bool Backwards,
 593                        int gmx_unused dd_zone,
 594                        int *a, int n, rvec *x,
 595                        real h0, real invh, int n_per_h,
 596                        int *sort)
 597 {
 598     int nsort, i, c;
 599     int zi, zim, zi_min, zi_max;
 600     int cp, tmp;
 601
 602     if (n <= 1)
 603     {
 604         /* Nothing to do */
 605         return;
 606     }
 607
 608 #ifndef NDEBUG
 609     if (n > n_per_h)
 610     {
 611         gmx_incons("n > n_per_h");
 612     }
 613 #endif
 614
 615     /* Transform the inverse range height into the inverse hole height */
 616     invh *= n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE;
 617
 618     /* Set nsort to the maximum possible number of holes used.
 619      * In worst case all n elements end up in the last bin.
 620      */
 621     nsort = n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n;
 622
 623     /* Determine the index range used, so we can limit it for the second pass */
 624     zi_min = INT_MAX;
 625     zi_max = -1;
 626
 627     /* Sort the particles using a simple index sort */
 628     for (i = 0; i < n; i++)
 629     {
 630         /* The cast takes care of float-point rounding effects below zero.
 631          * This code assumes particles are less than 1/SORT_GRID_OVERSIZE
 632          * times the box height out of the box.
 633          */
 634         zi = (int)((x[a[i]][dim] - h0)*invh);
 635
 636 #ifndef NDEBUG
 637         /* As we can have rounding effect, we use > iso >= here */
 638         if (zi < 0 || (dd_zone == 0 && zi > n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE))
 639         {
 640             gmx_fatal(FARGS, "(int)((x[%d][%c]=%f - %f)*%f) = %d, not in 0 - %d*%d\n",
 641                       a[i], 'x'+dim, x[a[i]][dim], h0, invh, zi,
 642                       n_per_h, SORT_GRID_OVERSIZE);
 643         }
 644 #endif
 645
 646         /* In a non-local domain, particles communcated for bonded interactions
 647          * can be far beyond the grid size, which is set by the non-bonded
 648          * cut-off distance. We sort such particles into the last cell.
 649          */
 650         if (zi > n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE)
 651         {
 652             zi = n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE;
 653         }
 654
 655         /* Ideally this particle should go in sort cell zi,
 656          * but that might already be in use,
 657          * in that case find the first empty cell higher up
 658          */
 659         if (sort[zi] < 0)
 660         {
 661             sort[zi] = a[i];
 662             zi_min   = min(zi_min, zi);
 663             zi_max   = max(zi_max, zi);
 664         }
 665         else
 666         {
 667             /* We have multiple atoms in the same sorting slot.
 668              * Sort on real z for minimal bounding box size.
 669              * There is an extra check for identical z to ensure
 670              * well-defined output order, independent of input order
 671              * to ensure binary reproducibility after restarts.
 672              */
 673             while (sort[zi] >= 0 && ( x[a[i]][dim] >  x[sort[zi]][dim] ||
 674                                       (x[a[i]][dim] == x[sort[zi]][dim] &&
 675                                        a[i] > sort[zi])))
 676             {
 677                 zi++;
 678             }
 679
 680             if (sort[zi] >= 0)
 681             {
 682                 /* Shift all elements by one slot until we find an empty slot */
 683                 cp  = sort[zi];
 684                 zim = zi + 1;
 685                 while (sort[zim] >= 0)
 686                 {
 687                     tmp       = sort[zim];
 688                     sort[zim] = cp;
 689                     cp        = tmp;
 690                     zim++;
 691                 }
 692                 sort[zim] = cp;
 693                 zi_max    = max(zi_max, zim);
 694             }
 695             sort[zi] = a[i];
 696             zi_max   = max(zi_max, zi);
 697         }
 698     }
 699
 700     c = 0;
 701     if (!Backwards)
 702     {
 703         for (zi = 0; zi < nsort; zi++)
 704         {
 705             if (sort[zi] >= 0)
 706             {
 707                 a[c++]   = sort[zi];
 708                 sort[zi] = -1;
 709             }
 710         }
 711     }
 712     else
 713     {
 714         for (zi = zi_max; zi >= zi_min; zi--)
 715         {
 716             if (sort[zi] >= 0)
 717             {
 718                 a[c++]   = sort[zi];
 719                 sort[zi] = -1;
 720             }
 721         }
 722     }
 723     if (c < n)
 724     {
 725         gmx_incons("Lost particles while sorting");
 726     }
 727 }
 728
 729 #ifdef GMX_DOUBLE
 730 #define R2F_D(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 731 #define R2F_U(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 732 #else
 733 #define R2F_D(x) (x)
 734 #define R2F_U(x) (x)
 735 #endif
 736
 737 /* Coordinate order x,y,z, bb order xyz0 */
 738 static void calc_bounding_box(int na, int stride, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 739 {
 740     int  i, j;
 741     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 742
 743     i  = 0;
 744     xl = x[i+XX];
 745     xh = x[i+XX];
 746     yl = x[i+YY];
 747     yh = x[i+YY];
 748     zl = x[i+ZZ];
 749     zh = x[i+ZZ];
 750     i += stride;
 751     for (j = 1; j < na; j++)
 752     {
 753         xl = min(xl, x[i+XX]);
 754         xh = max(xh, x[i+XX]);
 755         yl = min(yl, x[i+YY]);
 756         yh = max(yh, x[i+YY]);
 757         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 758         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 759         i += stride;
 760     }
 761     /* Note: possible double to float conversion here */
 762     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 763     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 764     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 765     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 766     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 767     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 768 }
 769
 770 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 771 static void calc_bounding_box_x_x4(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 772 {
 773     int  j;
 774     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 775
 776     xl = x[XX*PACK_X4];
 777     xh = x[XX*PACK_X4];
 778     yl = x[YY*PACK_X4];
 779     yh = x[YY*PACK_X4];
 780     zl = x[ZZ*PACK_X4];
 781     zh = x[ZZ*PACK_X4];
 782     for (j = 1; j < na; j++)
 783     {
 784         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X4]);
 785         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X4]);
 786         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X4]);
 787         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X4]);
 788         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 789         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 790     }
 791     /* Note: possible double to float conversion here */
 792     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 793     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 794     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 795     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 796     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 797     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 798 }
 799
 800 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 801 static void calc_bounding_box_x_x8(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 802 {
 803     int  j;
 804     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 805
 806     xl = x[XX*PACK_X8];
 807     xh = x[XX*PACK_X8];
 808     yl = x[YY*PACK_X8];
 809     yh = x[YY*PACK_X8];
 810     zl = x[ZZ*PACK_X8];
 811     zh = x[ZZ*PACK_X8];
 812     for (j = 1; j < na; j++)
 813     {
 814         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X8]);
 815         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X8]);
 816         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X8]);
 817         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X8]);
 818         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 819         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 820     }
 821     /* Note: possible double to float conversion here */
 822     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 823     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 824     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 825     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 826     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 827     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 828 }
 829
 830 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 831 static void calc_bounding_box_x_x4_halves(int na, const real *x,
 832                                           nbnxn_bb_t *bb, nbnxn_bb_t *bbj)
 833 {
 834     calc_bounding_box_x_x4(min(na, 2), x, bbj);
 835
 836     if (na > 2)
 837     {
 838         calc_bounding_box_x_x4(min(na-2, 2), x+(PACK_X4>>1), bbj+1);
 839     }
 840     else
 841     {
 842         /* Set the "empty" bounding box to the same as the first one,
 843          * so we don't need to treat special cases in the rest of the code.
 844          */
 845 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 846         gmx_simd4_store_f(&bbj[1].lower[0], gmx_simd4_load_f(&bbj[0].lower[0]));
 847         gmx_simd4_store_f(&bbj[1].upper[0], gmx_simd4_load_f(&bbj[0].upper[0]));
 848 #else
 849         bbj[1] = bbj[0];
 850 #endif
 851     }
 852
 853 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 854     gmx_simd4_store_f(&bb->lower[0],
 855                       gmx_simd4_min_f(gmx_simd4_load_f(&bbj[0].lower[0]),
 856                                       gmx_simd4_load_f(&bbj[1].lower[0])));
 857     gmx_simd4_store_f(&bb->upper[0],
 858                       gmx_simd4_max_f(gmx_simd4_load_f(&bbj[0].upper[0]),
 859                                       gmx_simd4_load_f(&bbj[1].upper[0])));
 860 #else
 861     {
 862         int i;
 863
 864         for (i = 0; i < NNBSBB_C; i++)
 865         {
 866             bb->lower[i] = min(bbj[0].lower[i], bbj[1].lower[i]);
 867             bb->upper[i] = max(bbj[0].upper[i], bbj[1].upper[i]);
 868         }
 869     }
 870 #endif
 871 }
 872
 873 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 874
 875 /* Coordinate order xyz, bb order xxxxyyyyzzzz */
 876 static void calc_bounding_box_xxxx(int na, int stride, const real *x, float *bb)
 877 {
 878     int  i, j;
 879     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 880
 881     i  = 0;
 882     xl = x[i+XX];
 883     xh = x[i+XX];
 884     yl = x[i+YY];
 885     yh = x[i+YY];
 886     zl = x[i+ZZ];
 887     zh = x[i+ZZ];
 888     i += stride;
 889     for (j = 1; j < na; j++)
 890     {
 891         xl = min(xl, x[i+XX]);
 892         xh = max(xh, x[i+XX]);
 893         yl = min(yl, x[i+YY]);
 894         yh = max(yh, x[i+YY]);
 895         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 896         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 897         i += stride;
 898     }
 899     /* Note: possible double to float conversion here */
 900     bb[0*STRIDE_PBB] = R2F_D(xl);
 901     bb[1*STRIDE_PBB] = R2F_D(yl);
 902     bb[2*STRIDE_PBB] = R2F_D(zl);
 903     bb[3*STRIDE_PBB] = R2F_U(xh);
 904     bb[4*STRIDE_PBB] = R2F_U(yh);
 905     bb[5*STRIDE_PBB] = R2F_U(zh);
 906 }
 907
 908 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
 909
 910 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
 911
 912 /* Coordinate order xyz?, bb order xyz0 */
 913 static void calc_bounding_box_simd4(int na, const float *x, nbnxn_bb_t *bb)
 914 {
 915     gmx_simd4_float_t bb_0_S, bb_1_S;
 916     gmx_simd4_float_t x_S;
 917
 918     int               i;
 919
 920     bb_0_S = gmx_simd4_load_f(x);
 921     bb_1_S = bb_0_S;
 922
 923     for (i = 1; i < na; i++)
 924     {
 925         x_S    = gmx_simd4_load_f(x+i*NNBSBB_C);
 926         bb_0_S = gmx_simd4_min_f(bb_0_S, x_S);
 927         bb_1_S = gmx_simd4_max_f(bb_1_S, x_S);
 928     }
 929
 930     gmx_simd4_store_f(&bb->lower[0], bb_0_S);
 931     gmx_simd4_store_f(&bb->upper[0], bb_1_S);
 932 }
 933
 934 /* Coordinate order xyz?, bb order xxxxyyyyzzzz */
 935 static void calc_bounding_box_xxxx_simd4(int na, const float *x,
 936                                          nbnxn_bb_t *bb_work_aligned,
 937                                          real *bb)
 938 {
 939     calc_bounding_box_simd4(na, x, bb_work_aligned);
 940
 941     bb[0*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_X];
 942     bb[1*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Y];
 943     bb[2*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Z];
 944     bb[3*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_X];
 945     bb[4*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Y];
 946     bb[5*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Z];
 947 }
 948
 949 #endif /* NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB */
 950
 951
 952 /* Combines pairs of consecutive bounding boxes */
 953 static void combine_bounding_box_pairs(nbnxn_grid_t *grid, const nbnxn_bb_t *bb)
 954 {
 955     int    i, j, sc2, nc2, c2;
 956
 957     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
 958     {
 959         /* Starting bb in a column is expected to be 2-aligned */
 960         sc2 = grid->cxy_ind[i]>>1;
 961         /* For odd numbers skip the last bb here */
 962         nc2 = (grid->cxy_na[i]+3)>>(2+1);
 963         for (c2 = sc2; c2 < sc2+nc2; c2++)
 964         {
 965 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 966             gmx_simd4_float_t min_S, max_S;
 967
 968             min_S = gmx_simd4_min_f(gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+0].lower[0]),
 969                                     gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+1].lower[0]));
 970             max_S = gmx_simd4_max_f(gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+0].upper[0]),
 971                                     gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+1].upper[0]));
 972             gmx_simd4_store_f(&grid->bbj[c2].lower[0], min_S);
 973             gmx_simd4_store_f(&grid->bbj[c2].upper[0], max_S);
 974 #else
 975             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 976             {
 977                 grid->bbj[c2].lower[j] = min(bb[c2*2+0].lower[j],
 978                                              bb[c2*2+1].lower[j]);
 979                 grid->bbj[c2].upper[j] = max(bb[c2*2+0].upper[j],
 980                                              bb[c2*2+1].upper[j]);
 981             }
 982 #endif
 983         }
 984         if (((grid->cxy_na[i]+3)>>2) & 1)
 985         {
 986             /* The bb count in this column is odd: duplicate the last bb */
 987             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 988             {
 989                 grid->bbj[c2].lower[j] = bb[c2*2].lower[j];
 990                 grid->bbj[c2].upper[j] = bb[c2*2].upper[j];
 991             }
 992         }
 993     }
 994 }
 995
 996
 997 /* Prints the average bb size, used for debug output */
 998 static void print_bbsizes_simple(FILE                *fp,
 999                                  const nbnxn_search_t nbs,
1000                                  const nbnxn_grid_t  *grid)
1001 {
1002     int  c, d;
1003     dvec ba;
1004
1005     clear_dvec(ba);
1006     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
1007     {
1008         for (d = 0; d < DIM; d++)
1009         {
1010             ba[d] += grid->bb[c].upper[d] - grid->bb[c].lower[d];
1011         }
1012     }
1013     dsvmul(1.0/grid->nc, ba, ba);
1014
1015     fprintf(fp, "ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1016             nbs->box[XX][XX]/grid->ncx,
1017             nbs->box[YY][YY]/grid->ncy,
1018             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/grid->nc,
1019             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1020             ba[XX]*grid->ncx/nbs->box[XX][XX],
1021             ba[YY]*grid->ncy/nbs->box[YY][YY],
1022             ba[ZZ]*grid->nc/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
1023 }
1024
1025 /* Prints the average bb size, used for debug output */
1026 static void print_bbsizes_supersub(FILE                *fp,
1027                                    const nbnxn_search_t nbs,
1028                                    const nbnxn_grid_t  *grid)
1029 {
1030     int  ns, c, s;
1031     dvec ba;
1032
1033     clear_dvec(ba);
1034     ns = 0;
1035     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
1036     {
1037 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1038         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s += STRIDE_PBB)
1039         {
1040             int cs_w, i, d;
1041
1042             cs_w = (c*GPU_NSUBCELL + s)/STRIDE_PBB;
1043             for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
1044             {
1045                 for (d = 0; d < DIM; d++)
1046                 {
1047                     ba[d] +=
1048                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+(DIM+d)*STRIDE_PBB+i] -
1049                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+     d *STRIDE_PBB+i];
1050                 }
1051             }
1052         }
1053 #else
1054         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s++)
1055         {
1056             int cs, d;
1057
1058             cs = c*GPU_NSUBCELL + s;
1059             for (d = 0; d < DIM; d++)
1060             {
1061                 ba[d] += grid->bb[cs].upper[d] - grid->bb[cs].lower[d];
1062             }
1063         }
1064 #endif
1065         ns += grid->nsubc[c];
1066     }
1067     dsvmul(1.0/ns, ba, ba);
1068
1069     fprintf(fp, "ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1070             nbs->box[XX][XX]/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X),
1071             nbs->box[YY][YY]/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y),
1072             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z),
1073             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1074             ba[XX]*grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X/nbs->box[XX][XX],
1075             ba[YY]*grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y/nbs->box[YY][YY],
1076             ba[ZZ]*grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
1077 }
1078
1079 /* Potentially sorts atoms on LJ coefficients !=0 and ==0.
1080  * Also sets interaction flags.
1081  */
1082 void sort_on_lj(int na_c,
1083                 int a0, int a1, const int *atinfo,
1084                 int *order,
1085                 int *flags)
1086 {
1087     int      subc, s, a, n1, n2, a_lj_max, i, j;
1088     int      sort1[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1089     int      sort2[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1090     gmx_bool haveQ, bFEP;
1091
1092     *flags = 0;
1093
1094     subc = 0;
1095     for (s = a0; s < a1; s += na_c)
1096     {
1097         /* Make lists for this (sub-)cell on atoms with and without LJ */
1098         n1       = 0;
1099         n2       = 0;
1100         haveQ    = FALSE;
1101         a_lj_max = -1;
1102         for (a = s; a < min(s+na_c, a1); a++)
1103         {
1104             haveQ = haveQ || GET_CGINFO_HAS_Q(atinfo[order[a]]);
1105
1106             if (GET_CGINFO_HAS_VDW(atinfo[order[a]]))
1107             {
1108                 sort1[n1++] = order[a];
1109                 a_lj_max    = a;
1110             }
1111             else
1112             {
1113                 sort2[n2++] = order[a];
1114             }
1115         }
1116
1117         /* If we don't have atoms with LJ, there's nothing to sort */
1118         if (n1 > 0)
1119         {
1120             *flags |= NBNXN_CI_DO_LJ(subc);
1121
1122             if (2*n1 <= na_c)
1123             {
1124                 /* Only sort when strictly necessary. Ordering particles
1125                  * Ordering particles can lead to less accurate summation
1126                  * due to rounding, both for LJ and Coulomb interactions.
1127                  */
1128                 if (2*(a_lj_max - s) >= na_c)
1129                 {
1130                     for (i = 0; i < n1; i++)
1131                     {
1132                         order[a0+i] = sort1[i];
1133                     }
1134                     for (j = 0; j < n2; j++)
1135                     {
1136                         order[a0+n1+j] = sort2[j];
1137                     }
1138                 }
1139
1140                 *flags |= NBNXN_CI_HALF_LJ(subc);
1141             }
1142         }
1143         if (haveQ)
1144         {
1145             *flags |= NBNXN_CI_DO_COUL(subc);
1146         }
1147         subc++;
1148     }
1149 }
1150
1151 /* Fill a pair search cell with atoms.
1152  * Potentially sorts atoms and sets the interaction flags.
1153  */
1154 void fill_cell(const nbnxn_search_t nbs,
1155                nbnxn_grid_t *grid,
1156                nbnxn_atomdata_t *nbat,
1157                int a0, int a1,
1158                const int *atinfo,
1159                rvec *x,
1160                int sx, int sy, int sz,
1161                nbnxn_bb_t gmx_unused *bb_work_aligned)
1162 {
1163     int         na, a;
1164     size_t      offset;
1165     nbnxn_bb_t *bb_ptr;
1166 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1167     float      *pbb_ptr;
1168 #endif
1169
1170     na = a1 - a0;
1171
1172     if (grid->bSimple)
1173     {
1174         sort_on_lj(grid->na_c, a0, a1, atinfo, nbs->a,
1175                    grid->flags+(a0>>grid->na_c_2log)-grid->cell0);
1176     }
1177
1178     if (nbs->bFEP)
1179     {
1180         /* Set the fep flag for perturbed atoms in this (sub-)cell */
1181         int c, at;
1182
1183         /* The grid-local cluster/(sub-)cell index */
1184         c            = (a0 >> grid->na_c_2log) - grid->cell0*(grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL);
1185         grid->fep[c] = 0;
1186         for (at = a0; at < a1; at++)
1187         {
1188             if (nbs->a[at] >= 0 && GET_CGINFO_FEP(atinfo[nbs->a[at]]))
1189             {
1190                 grid->fep[c] |= (1 << (at - a0));
1191             }
1192         }
1193     }
1194
1195     /* Now we have sorted the atoms, set the cell indices */
1196     for (a = a0; a < a1; a++)
1197     {
1198         nbs->cell[nbs->a[a]] = a;
1199     }
1200
1201     copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+a0, a1-a0, grid->na_c, x,
1202                            nbat->XFormat, nbat->x, a0,
1203                            sx, sy, sz);
1204
1205     if (nbat->XFormat == nbatX4)
1206     {
1207         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1208         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1209         bb_ptr = grid->bb + offset;
1210
1211 #if defined GMX_NBNXN_SIMD && GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
1212         if (2*grid->na_cj == grid->na_c)
1213         {
1214             calc_bounding_box_x_x4_halves(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr,
1215                                           grid->bbj+offset*2);
1216         }
1217         else
1218 #endif
1219         {
1220             calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr);
1221         }
1222     }
1223     else if (nbat->XFormat == nbatX8)
1224     {
1225         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1226         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1227         bb_ptr = grid->bb + offset;
1228
1229         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(a0), bb_ptr);
1230     }
1231 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1232     else if (!grid->bSimple)
1233     {
1234         /* Store the bounding boxes in a format convenient
1235          * for SIMD4 calculations: xxxxyyyyzzzz...
1236          */
1237         pbb_ptr =
1238             grid->pbb +
1239             ((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>(grid->na_c_2log+STRIDE_PBB_2LOG))*NNBSBB_XXXX +
1240             (((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log) & (STRIDE_PBB-1));
1241
1242 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
1243         if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
1244         {
1245             calc_bounding_box_xxxx_simd4(na, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1246                                          bb_work_aligned, pbb_ptr);
1247         }
1248         else
1249 #endif
1250         {
1251             calc_bounding_box_xxxx(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1252                                    pbb_ptr);
1253         }
1254         if (gmx_debug_at)
1255         {
1256             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1257                     sx, sy, sz,
1258                     pbb_ptr[0*STRIDE_PBB], pbb_ptr[3*STRIDE_PBB],
1259                     pbb_ptr[1*STRIDE_PBB], pbb_ptr[4*STRIDE_PBB],
1260                     pbb_ptr[2*STRIDE_PBB], pbb_ptr[5*STRIDE_PBB]);
1261         }
1262     }
1263 #endif
1264     else
1265     {
1266         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1267         bb_ptr = grid->bb+((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log);
1268
1269         calc_bounding_box(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1270                           bb_ptr);
1271
1272         if (gmx_debug_at)
1273         {
1274             int bbo;
1275             bbo = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc)/grid->na_c;
1276             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1277                     sx, sy, sz,
1278                     grid->bb[bbo].lower[BB_X],
1279                     grid->bb[bbo].lower[BB_Y],
1280                     grid->bb[bbo].lower[BB_Z],
1281                     grid->bb[bbo].upper[BB_X],
1282                     grid->bb[bbo].upper[BB_Y],
1283                     grid->bb[bbo].upper[BB_Z]);
1284         }
1285     }
1286 }
1287
1288 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1289 static void sort_columns_simple(const nbnxn_search_t nbs,
1290                                 int dd_zone,
1291                                 nbnxn_grid_t *grid,
1292                                 int a0, int a1,
1293                                 const int *atinfo,
1294                                 rvec *x,
1295                                 nbnxn_atomdata_t *nbat,
1296                                 int cxy_start, int cxy_end,
1297                                 int *sort_work)
1298 {
1299     int  cxy;
1300     int  cx, cy, cz, ncz, cfilled, c;
1301     int  na, ash, ind, a;
1302     int  na_c, ash_c;
1303
1304     if (debug)
1305     {
1306         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1307                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1308     }
1309
1310     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1311     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1312     {
1313         cx = cxy/grid->ncy;
1314         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1315
1316         na  = grid->cxy_na[cxy];
1317         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1318         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1319
1320         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1321         sort_atoms(ZZ, FALSE, dd_zone,
1322                    nbs->a+ash, na, x,
1323                    grid->c0[ZZ],
1324                    1.0/nbs->box[ZZ][ZZ], ncz*grid->na_sc,
1325                    sort_work);
1326
1327         /* Fill the ncz cells in this column */
1328         cfilled = grid->cxy_ind[cxy];
1329         for (cz = 0; cz < ncz; cz++)
1330         {
1331             c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1332
1333             ash_c = ash + cz*grid->na_sc;
1334             na_c  = min(grid->na_sc, na-(ash_c-ash));
1335
1336             fill_cell(nbs, grid, nbat,
1337                       ash_c, ash_c+na_c, atinfo, x,
1338                       grid->na_sc*cx + (dd_zone >> 2),
1339                       grid->na_sc*cy + (dd_zone & 3),
1340                       grid->na_sc*cz,
1341                       NULL);
1342
1343             /* This copy to bbcz is not really necessary.
1344              * But it allows to use the same grid search code
1345              * for the simple and supersub cell setups.
1346              */
1347             if (na_c > 0)
1348             {
1349                 cfilled = c;
1350             }
1351             grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = grid->bb[cfilled].lower[BB_Z];
1352             grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = grid->bb[cfilled].upper[BB_Z];
1353         }
1354
1355         /* Set the unused atom indices to -1 */
1356         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1357         {
1358             nbs->a[ash+ind] = -1;
1359         }
1360     }
1361 }
1362
1363 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1364 static void sort_columns_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
1365                                   int dd_zone,
1366                                   nbnxn_grid_t *grid,
1367                                   int a0, int a1,
1368                                   const int *atinfo,
1369                                   rvec *x,
1370                                   nbnxn_atomdata_t *nbat,
1371                                   int cxy_start, int cxy_end,
1372                                   int *sort_work)
1373 {
1374     int        cxy;
1375     int        cx, cy, cz = -1, c = -1, ncz;
1376     int        na, ash, na_c, ind, a;
1377     int        subdiv_z, sub_z, na_z, ash_z;
1378     int        subdiv_y, sub_y, na_y, ash_y;
1379     int        subdiv_x, sub_x, na_x, ash_x;
1380
1381     nbnxn_bb_t bb_work_array[2], *bb_work_aligned;
1382
1383     bb_work_aligned = (nbnxn_bb_t *)(((size_t)(bb_work_array+1)) & (~((size_t)15)));
1384
1385     if (debug)
1386     {
1387         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1388                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1389     }
1390
1391     subdiv_x = grid->na_c;
1392     subdiv_y = GPU_NSUBCELL_X*subdiv_x;
1393     subdiv_z = GPU_NSUBCELL_Y*subdiv_y;
1394
1395     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1396     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1397     {
1398         cx = cxy/grid->ncy;
1399         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1400
1401         na  = grid->cxy_na[cxy];
1402         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1403         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1404
1405         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1406         sort_atoms(ZZ, FALSE, dd_zone,
1407                    nbs->a+ash, na, x,
1408                    grid->c0[ZZ],
1409                    1.0/nbs->box[ZZ][ZZ], ncz*grid->na_sc,
1410                    sort_work);
1411
1412         /* This loop goes over the supercells and subcells along z at once */
1413         for (sub_z = 0; sub_z < ncz*GPU_NSUBCELL_Z; sub_z++)
1414         {
1415             ash_z = ash + sub_z*subdiv_z;
1416             na_z  = min(subdiv_z, na-(ash_z-ash));
1417
1418             /* We have already sorted on z */
1419
1420             if (sub_z % GPU_NSUBCELL_Z == 0)
1421             {
1422                 cz = sub_z/GPU_NSUBCELL_Z;
1423                 c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1424
1425                 /* The number of atoms in this supercell */
1426                 na_c = min(grid->na_sc, na-(ash_z-ash));
1427
1428                 grid->nsubc[c] = min(GPU_NSUBCELL, (na_c+grid->na_c-1)/grid->na_c);
1429
1430                 /* Store the z-boundaries of the super cell */
1431                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = x[nbs->a[ash_z]][ZZ];
1432                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = x[nbs->a[ash_z+na_c-1]][ZZ];
1433             }
1434
1435 #if GPU_NSUBCELL_Y > 1
1436             /* Sort the atoms along y */
1437             sort_atoms(YY, (sub_z & 1), dd_zone,
1438                        nbs->a+ash_z, na_z, x,
1439                        grid->c0[YY]+cy*grid->sy,
1440                        grid->inv_sy, subdiv_z,
1441                        sort_work);
1442 #endif
1443
1444             for (sub_y = 0; sub_y < GPU_NSUBCELL_Y; sub_y++)
1445             {
1446                 ash_y = ash_z + sub_y*subdiv_y;
1447                 na_y  = min(subdiv_y, na-(ash_y-ash));
1448
1449 #if GPU_NSUBCELL_X > 1
1450                 /* Sort the atoms along x */
1451                 sort_atoms(XX, ((cz*GPU_NSUBCELL_Y + sub_y) & 1), dd_zone,
1452                            nbs->a+ash_y, na_y, x,
1453                            grid->c0[XX]+cx*grid->sx,
1454                            grid->inv_sx, subdiv_y,
1455                            sort_work);
1456 #endif
1457
1458                 for (sub_x = 0; sub_x < GPU_NSUBCELL_X; sub_x++)
1459                 {
1460                     ash_x = ash_y + sub_x*subdiv_x;
1461                     na_x  = min(subdiv_x, na-(ash_x-ash));
1462
1463                     fill_cell(nbs, grid, nbat,
1464                               ash_x, ash_x+na_x, atinfo, x,
1465                               grid->na_c*(cx*GPU_NSUBCELL_X+sub_x) + (dd_zone >> 2),
1466                               grid->na_c*(cy*GPU_NSUBCELL_Y+sub_y) + (dd_zone & 3),
1467                               grid->na_c*sub_z,
1468                               bb_work_aligned);
1469                 }
1470             }
1471         }
1472
1473         /* Set the unused atom indices to -1 */
1474         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1475         {
1476             nbs->a[ash+ind] = -1;
1477         }
1478     }
1479 }
1480
1481 /* Determine in which grid column atoms should go */
1482 static void calc_column_indices(nbnxn_grid_t *grid,
1483                                 int a0, int a1,
1484                                 rvec *x,
1485                                 int dd_zone, const int *move,
1486                                 int thread, int nthread,
1487                                 int *cell,
1488                                 int *cxy_na)
1489 {
1490     int  n0, n1, i;
1491     int  cx, cy;
1492
1493     /* We add one extra cell for particles which moved during DD */
1494     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1495     {
1496         cxy_na[i] = 0;
1497     }
1498
1499     n0 = a0 + (int)((thread+0)*(a1 - a0))/nthread;
1500     n1 = a0 + (int)((thread+1)*(a1 - a0))/nthread;
1501     if (dd_zone == 0)
1502     {
1503         /* Home zone */
1504         for (i = n0; i < n1; i++)
1505         {
1506             if (move == NULL || move[i] >= 0)
1507             {
1508                 /* We need to be careful with rounding,
1509                  * particles might be a few bits outside the local zone.
1510                  * The int cast takes care of the lower bound,
1511                  * we will explicitly take care of the upper bound.
1512                  */
1513                 cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1514                 cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1515
1516 #ifndef NDEBUG
1517                 if (cx < 0 || cx > grid->ncx ||
1518                     cy < 0 || cy > grid->ncy)
1519                 {
1520                     gmx_fatal(FARGS,
1521                               "grid cell cx %d cy %d out of range (max %d %d)\n"
1522                               "atom %f %f %f, grid->c0 %f %f",
1523                               cx, cy, grid->ncx, grid->ncy,
1524                               x[i][XX], x[i][YY], x[i][ZZ], grid->c0[XX], grid->c0[YY]);
1525                 }
1526 #endif
1527                 /* Take care of potential rouding issues */
1528                 cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1529                 cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1530
1531                 /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1532                  * x and y indices, not z.
1533                  */
1534                 cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1535             }
1536             else
1537             {
1538                 /* Put this moved particle after the end of the grid,
1539                  * so we can process it later without using conditionals.
1540                  */
1541                 cell[i] = grid->ncx*grid->ncy;
1542             }
1543
1544             cxy_na[cell[i]]++;
1545         }
1546     }
1547     else
1548     {
1549         /* Non-home zone */
1550         for (i = n0; i < n1; i++)
1551         {
1552             cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1553             cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1554
1555             /* For non-home zones there could be particles outside
1556              * the non-bonded cut-off range, which have been communicated
1557              * for bonded interactions only. For the result it doesn't
1558              * matter where these end up on the grid. For performance
1559              * we put them in an extra row at the border.
1560              */
1561             cx = max(cx, 0);
1562             cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1563             cy = max(cy, 0);
1564             cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1565
1566             /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1567              * x and y indices, not z.
1568              */
1569             cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1570
1571             cxy_na[cell[i]]++;
1572         }
1573     }
1574 }
1575
1576 /* Determine in which grid cells the atoms should go */
1577 static void calc_cell_indices(const nbnxn_search_t nbs,
1578                               int dd_zone,
1579                               nbnxn_grid_t *grid,
1580                               int a0, int a1,
1581                               const int *atinfo,
1582                               rvec *x,
1583                               const int *move,
1584                               nbnxn_atomdata_t *nbat)
1585 {
1586     int   n0, n1, i;
1587     int   cx, cy, cxy, ncz_max, ncz;
1588     int   nthread, thread;
1589     int  *cxy_na, cxy_na_i;
1590
1591     nthread = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1592
1593 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1594     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1595     {
1596         calc_column_indices(grid, a0, a1, x, dd_zone, move, thread, nthread,
1597                             nbs->cell, nbs->work[thread].cxy_na);
1598     }
1599
1600     /* Make the cell index as a function of x and y */
1601     ncz_max          = 0;
1602     ncz              = 0;
1603     grid->cxy_ind[0] = 0;
1604     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1605     {
1606         /* We set ncz_max at the beginning of the loop iso at the end
1607          * to skip i=grid->ncx*grid->ncy which are moved particles
1608          * that do not need to be ordered on the grid.
1609          */
1610         if (ncz > ncz_max)
1611         {
1612             ncz_max = ncz;
1613         }
1614         cxy_na_i = nbs->work[0].cxy_na[i];
1615         for (thread = 1; thread < nthread; thread++)
1616         {
1617             cxy_na_i += nbs->work[thread].cxy_na[i];
1618         }
1619         ncz = (cxy_na_i + grid->na_sc - 1)/grid->na_sc;
1620         if (nbat->XFormat == nbatX8)
1621         {
1622             /* Make the number of cell a multiple of 2 */
1623             ncz = (ncz + 1) & ~1;
1624         }
1625         grid->cxy_ind[i+1] = grid->cxy_ind[i] + ncz;
1626         /* Clear cxy_na, so we can reuse the array below */
1627         grid->cxy_na[i] = 0;
1628     }
1629     grid->nc = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy] - grid->cxy_ind[0];
1630
1631     nbat->natoms = (grid->cell0 + grid->nc)*grid->na_sc;
1632
1633     if (debug)
1634     {
1635         fprintf(debug, "ns na_sc %d na_c %d super-cells: %d x %d y %d z %.1f maxz %d\n",
1636                 grid->na_sc, grid->na_c, grid->nc,
1637                 grid->ncx, grid->ncy, grid->nc/((double)(grid->ncx*grid->ncy)),
1638                 ncz_max);
1639         if (gmx_debug_at)
1640         {
1641             i = 0;
1642             for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
1643             {
1644                 for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
1645                 {
1646                     fprintf(debug, " %2d", grid->cxy_ind[i+1]-grid->cxy_ind[i]);
1647                     i++;
1648                 }
1649                 fprintf(debug, "\n");
1650             }
1651         }
1652     }
1653
1654     /* Make sure the work array for sorting is large enough */
1655     if (ncz_max*grid->na_sc*SGSF > nbs->work[0].sort_work_nalloc)
1656     {
1657         for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1658         {
1659             nbs->work[thread].sort_work_nalloc =
1660                 over_alloc_large(ncz_max*grid->na_sc*SGSF);
1661             srenew(nbs->work[thread].sort_work,
1662                    nbs->work[thread].sort_work_nalloc);
1663             /* When not in use, all elements should be -1 */
1664             for (i = 0; i < nbs->work[thread].sort_work_nalloc; i++)
1665             {
1666                 nbs->work[thread].sort_work[i] = -1;
1667             }
1668         }
1669     }
1670
1671     /* Now we know the dimensions we can fill the grid.
1672      * This is the first, unsorted fill. We sort the columns after this.
1673      */
1674     for (i = a0; i < a1; i++)
1675     {
1676         /* At this point nbs->cell contains the local grid x,y indices */
1677         cxy = nbs->cell[i];
1678         nbs->a[(grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc + grid->cxy_na[cxy]++] = i;
1679     }
1680
1681     if (dd_zone == 0)
1682     {
1683         /* Set the cell indices for the moved particles */
1684         n0 = grid->nc*grid->na_sc;
1685         n1 = grid->nc*grid->na_sc+grid->cxy_na[grid->ncx*grid->ncy];
1686         if (dd_zone == 0)
1687         {
1688             for (i = n0; i < n1; i++)
1689             {
1690                 nbs->cell[nbs->a[i]] = i;
1691             }
1692         }
1693     }
1694
1695     /* Sort the super-cell columns along z into the sub-cells. */
1696 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1697     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1698     {
1699         if (grid->bSimple)
1700         {
1701             sort_columns_simple(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1702                                 ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1703                                 ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1704                                 nbs->work[thread].sort_work);
1705         }
1706         else
1707         {
1708             sort_columns_supersub(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1709                                   ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1710                                   ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1711                                   nbs->work[thread].sort_work);
1712         }
1713     }
1714
1715     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1716     {
1717         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb);
1718     }
1719
1720     if (!grid->bSimple)
1721     {
1722         grid->nsubc_tot = 0;
1723         for (i = 0; i < grid->nc; i++)
1724         {
1725             grid->nsubc_tot += grid->nsubc[i];
1726         }
1727     }
1728
1729     if (debug)
1730     {
1731         if (grid->bSimple)
1732         {
1733             print_bbsizes_simple(debug, nbs, grid);
1734         }
1735         else
1736         {
1737             fprintf(debug, "ns non-zero sub-cells: %d average atoms %.2f\n",
1738                     grid->nsubc_tot, (a1-a0)/(double)grid->nsubc_tot);
1739
1740             print_bbsizes_supersub(debug, nbs, grid);
1741         }
1742     }
1743 }
1744
1745 static void init_buffer_flags(nbnxn_buffer_flags_t *flags,
1746                               int                   natoms)
1747 {
1748     int b;
1749
1750     flags->nflag = (natoms + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE - 1)/NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE;
1751     if (flags->nflag > flags->flag_nalloc)
1752     {
1753         flags->flag_nalloc = over_alloc_large(flags->nflag);
1754         srenew(flags->flag, flags->flag_nalloc);
1755     }
1756     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
1757     {
1758         flags->flag[b] = 0;
1759     }
1760 }
1761
1762 /* Sets up a grid and puts the atoms on the grid.
1763  * This function only operates on one domain of the domain decompostion.
1764  * Note that without domain decomposition there is only one domain.
1765  */
1766 void nbnxn_put_on_grid(nbnxn_search_t nbs,
1767                        int ePBC, matrix box,
1768                        int dd_zone,
1769                        rvec corner0, rvec corner1,
1770                        int a0, int a1,
1771                        real atom_density,
1772                        const int *atinfo,
1773                        rvec *x,
1774                        int nmoved, int *move,
1775                        int nb_kernel_type,
1776                        nbnxn_atomdata_t *nbat)
1777 {
1778     nbnxn_grid_t *grid;
1779     int           n;
1780     int           nc_max_grid, nc_max;
1781
1782     grid = &nbs->grid[dd_zone];
1783
1784     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1785
1786     grid->bSimple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
1787
1788     grid->na_c      = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
1789     grid->na_cj     = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
1790     grid->na_sc     = (grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL)*grid->na_c;
1791     grid->na_c_2log = get_2log(grid->na_c);
1792
1793     nbat->na_c = grid->na_c;
1794
1795     if (dd_zone == 0)
1796     {
1797         grid->cell0 = 0;
1798     }
1799     else
1800     {
1801         grid->cell0 =
1802             (nbs->grid[dd_zone-1].cell0 + nbs->grid[dd_zone-1].nc)*
1803             nbs->grid[dd_zone-1].na_sc/grid->na_sc;
1804     }
1805
1806     n = a1 - a0;
1807
1808     if (dd_zone == 0)
1809     {
1810         nbs->ePBC = ePBC;
1811         copy_mat(box, nbs->box);
1812
1813         if (atom_density >= 0)
1814         {
1815             grid->atom_density = atom_density;
1816         }
1817         else
1818         {
1819             grid->atom_density = grid_atom_density(n-nmoved, corner0, corner1);
1820         }
1821
1822         grid->cell0 = 0;
1823
1824         nbs->natoms_local    = a1 - nmoved;
1825         /* We assume that nbnxn_put_on_grid is called first
1826          * for the local atoms (dd_zone=0).
1827          */
1828         nbs->natoms_nonlocal = a1 - nmoved;
1829     }
1830     else
1831     {
1832         nbs->natoms_nonlocal = max(nbs->natoms_nonlocal, a1);
1833     }
1834
1835     nc_max_grid = set_grid_size_xy(nbs, grid,
1836                                    dd_zone, n-nmoved, corner0, corner1,
1837                                    nbs->grid[0].atom_density);
1838
1839     nc_max = grid->cell0 + nc_max_grid;
1840
1841     if (a1 > nbs->cell_nalloc)
1842     {
1843         nbs->cell_nalloc = over_alloc_large(a1);
1844         srenew(nbs->cell, nbs->cell_nalloc);
1845     }
1846
1847     /* To avoid conditionals we store the moved particles at the end of a,
1848      * make sure we have enough space.
1849      */
1850     if (nc_max*grid->na_sc + nmoved > nbs->a_nalloc)
1851     {
1852         nbs->a_nalloc = over_alloc_large(nc_max*grid->na_sc + nmoved);
1853         srenew(nbs->a, nbs->a_nalloc);
1854     }
1855
1856     /* We need padding up to a multiple of the buffer flag size: simply add */
1857     if (nc_max*grid->na_sc + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE > nbat->nalloc)
1858     {
1859         nbnxn_atomdata_realloc(nbat, nc_max*grid->na_sc+NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE);
1860     }
1861
1862     calc_cell_indices(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, move, nbat);
1863
1864     if (dd_zone == 0)
1865     {
1866         nbat->natoms_local = nbat->natoms;
1867     }
1868
1869     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1870 }
1871
1872 /* Calls nbnxn_put_on_grid for all non-local domains */
1873 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nbnxn_search_t            nbs,
1874                                 const gmx_domdec_zones_t *zones,
1875                                 const int                *atinfo,
1876                                 rvec                     *x,
1877                                 int                       nb_kernel_type,
1878                                 nbnxn_atomdata_t         *nbat)
1879 {
1880     int  zone, d;
1881     rvec c0, c1;
1882
1883     for (zone = 1; zone < zones->n; zone++)
1884     {
1885         for (d = 0; d < DIM; d++)
1886         {
1887             c0[d] = zones->size[zone].bb_x0[d];
1888             c1[d] = zones->size[zone].bb_x1[d];
1889         }
1890
1891         nbnxn_put_on_grid(nbs, nbs->ePBC, NULL,
1892                           zone, c0, c1,
1893                           zones->cg_range[zone],
1894                           zones->cg_range[zone+1],
1895                           -1,
1896                           atinfo,
1897                           x,
1898                           0, NULL,
1899                           nb_kernel_type,
1900                           nbat);
1901     }
1902 }
1903
1904 /* Add simple grid type information to the local super/sub grid */
1905 void nbnxn_grid_add_simple(nbnxn_search_t    nbs,
1906                            nbnxn_atomdata_t *nbat)
1907 {
1908     nbnxn_grid_t *grid;
1909     float        *bbcz;
1910     nbnxn_bb_t   *bb;
1911     int           ncd, sc;
1912
1913     grid = &nbs->grid[0];
1914
1915     if (grid->bSimple)
1916     {
1917         gmx_incons("nbnxn_grid_simple called with a simple grid");
1918     }
1919
1920     ncd = grid->na_sc/NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1921
1922     if (grid->nc*ncd > grid->nc_nalloc_simple)
1923     {
1924         grid->nc_nalloc_simple = over_alloc_large(grid->nc*ncd);
1925         srenew(grid->bbcz_simple, grid->nc_nalloc_simple*NNBSBB_D);
1926         srenew(grid->bb_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1927         srenew(grid->flags_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1928         if (nbat->XFormat)
1929         {
1930             sfree_aligned(grid->bbj);
1931             snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc_simple/2, 16);
1932         }
1933     }
1934
1935     bbcz = grid->bbcz_simple;
1936     bb   = grid->bb_simple;
1937
1938 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
1939     for (sc = 0; sc < grid->nc; sc++)
1940     {
1941         int c, tx, na;
1942
1943         for (c = 0; c < ncd; c++)
1944         {
1945             tx = sc*ncd + c;
1946
1947             na = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1948             while (na > 0 &&
1949                    nbat->type[tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+na-1] == nbat->ntype-1)
1950             {
1951                 na--;
1952             }
1953
1954             if (na > 0)
1955             {
1956                 switch (nbat->XFormat)
1957                 {
1958                     case nbatX4:
1959                         /* PACK_X4==NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, so this is simple */
1960                         calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+tx*STRIDE_P4,
1961                                                bb+tx);
1962                         break;
1963                     case nbatX8:
1964                         /* PACK_X8>NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, more complicated */
1965                         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE),
1966                                                bb+tx);
1967                         break;
1968                     default:
1969                         calc_bounding_box(na, nbat->xstride,
1970                                           nbat->x+tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*nbat->xstride,
1971                                           bb+tx);
1972                         break;
1973                 }
1974                 bbcz[tx*NNBSBB_D+0] = bb[tx].lower[BB_Z];
1975                 bbcz[tx*NNBSBB_D+1] = bb[tx].upper[BB_Z];
1976
1977                 /* No interaction optimization yet here */
1978                 grid->flags_simple[tx] = NBNXN_CI_DO_LJ(0) | NBNXN_CI_DO_COUL(0);
1979             }
1980             else
1981             {
1982                 grid->flags_simple[tx] = 0;
1983             }
1984         }
1985     }
1986
1987     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1988     {
1989         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb_simple);
1990     }
1991 }
1992
1993 void nbnxn_get_ncells(nbnxn_search_t nbs, int *ncx, int *ncy)
1994 {
1995     *ncx = nbs->grid[0].ncx;
1996     *ncy = nbs->grid[0].ncy;
1997 }
1998
1999 void nbnxn_get_atomorder(nbnxn_search_t nbs, int **a, int *n)
2000 {
2001     const nbnxn_grid_t *grid;
2002
2003     grid = &nbs->grid[0];
2004
2005     /* Return the atom order for the home cell (index 0) */
2006     *a  = nbs->a;
2007
2008     *n = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy]*grid->na_sc;
2009 }
2010
2011 void nbnxn_set_atomorder(nbnxn_search_t nbs)
2012 {
2013     nbnxn_grid_t *grid;
2014     int           ao, cx, cy, cxy, cz, j;
2015
2016     /* Set the atom order for the home cell (index 0) */
2017     grid = &nbs->grid[0];
2018
2019     ao = 0;
2020     for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
2021     {
2022         for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
2023         {
2024             cxy = cx*grid->ncy + cy;
2025             j   = grid->cxy_ind[cxy]*grid->na_sc;
2026             for (cz = 0; cz < grid->cxy_na[cxy]; cz++)
2027             {
2028                 nbs->a[j]     = ao;
2029                 nbs->cell[ao] = j;
2030                 ao++;
2031                 j++;
2032             }
2033         }
2034     }
2035 }
2036
2037 /* Determines the cell range along one dimension that
2038  * the bounding box b0 - b1 sees.
2039  */
2040 static void get_cell_range(real b0, real b1,
2041                            int nc, real c0, real s, real invs,
2042                            real d2, real r2, int *cf, int *cl)
2043 {
2044     *cf = max((int)((b0 - c0)*invs), 0);
2045
2046     while (*cf > 0 && d2 + sqr((b0 - c0) - (*cf-1+1)*s) < r2)
2047     {
2048         (*cf)--;
2049     }
2050
2051     *cl = min((int)((b1 - c0)*invs), nc-1);
2052     while (*cl < nc-1 && d2 + sqr((*cl+1)*s - (b1 - c0)) < r2)
2053     {
2054         (*cl)++;
2055     }
2056 }
2057
2058 /* Reference code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2059 static float box_dist2(float bx0, float bx1, float by0,
2060                        float by1, float bz0, float bz1,
2061                        const nbnxn_bb_t *bb)
2062 {
2063     float d2;
2064     float dl, dh, dm, dm0;
2065
2066     d2 = 0;
2067
2068     dl  = bx0 - bb->upper[BB_X];
2069     dh  = bb->lower[BB_X] - bx1;
2070     dm  = max(dl, dh);
2071     dm0 = max(dm, 0);
2072     d2 += dm0*dm0;
2073
2074     dl  = by0 - bb->upper[BB_Y];
2075     dh  = bb->lower[BB_Y] - by1;
2076     dm  = max(dl, dh);
2077     dm0 = max(dm, 0);
2078     d2 += dm0*dm0;
2079
2080     dl  = bz0 - bb->upper[BB_Z];
2081     dh  = bb->lower[BB_Z] - bz1;
2082     dm  = max(dl, dh);
2083     dm0 = max(dm, 0);
2084     d2 += dm0*dm0;
2085
2086     return d2;
2087 }
2088
2089 /* Plain C code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2090 static float subc_bb_dist2(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2091                            int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2092 {
2093     const nbnxn_bb_t *bb_i, *bb_j;
2094     float             d2;
2095     float             dl, dh, dm, dm0;
2096
2097     bb_i = bb_i_ci  +  si;
2098     bb_j = bb_j_all + csj;
2099
2100     d2 = 0;
2101
2102     dl  = bb_i->lower[BB_X] - bb_j->upper[BB_X];
2103     dh  = bb_j->lower[BB_X] - bb_i->upper[BB_X];
2104     dm  = max(dl, dh);
2105     dm0 = max(dm, 0);
2106     d2 += dm0*dm0;
2107
2108     dl  = bb_i->lower[BB_Y] - bb_j->upper[BB_Y];
2109     dh  = bb_j->lower[BB_Y] - bb_i->upper[BB_Y];
2110     dm  = max(dl, dh);
2111     dm0 = max(dm, 0);
2112     d2 += dm0*dm0;
2113
2114     dl  = bb_i->lower[BB_Z] - bb_j->upper[BB_Z];
2115     dh  = bb_j->lower[BB_Z] - bb_i->upper[BB_Z];
2116     dm  = max(dl, dh);
2117     dm0 = max(dm, 0);
2118     d2 += dm0*dm0;
2119
2120     return d2;
2121 }
2122
2123 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
2124
2125 /* 4-wide SIMD code for bb distance for bb format xyz0 */
2126 static float subc_bb_dist2_simd4(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2127                                  int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2128 {
2129     gmx_simd4_float_t bb_i_S0, bb_i_S1;
2130     gmx_simd4_float_t bb_j_S0, bb_j_S1;
2131     gmx_simd4_float_t dl_S;
2132     gmx_simd4_float_t dh_S;
2133     gmx_simd4_float_t dm_S;
2134     gmx_simd4_float_t dm0_S;
2135
2136     bb_i_S0 = gmx_simd4_load_f(&bb_i_ci[si].lower[0]);
2137     bb_i_S1 = gmx_simd4_load_f(&bb_i_ci[si].upper[0]);
2138     bb_j_S0 = gmx_simd4_load_f(&bb_j_all[csj].lower[0]);
2139     bb_j_S1 = gmx_simd4_load_f(&bb_j_all[csj].upper[0]);
2140
2141     dl_S    = gmx_simd4_sub_f(bb_i_S0, bb_j_S1);
2142     dh_S    = gmx_simd4_sub_f(bb_j_S0, bb_i_S1);
2143
2144     dm_S    = gmx_simd4_max_f(dl_S, dh_S);
2145     dm0_S   = gmx_simd4_max_f(dm_S, gmx_simd4_setzero_f());
2146
2147     return gmx_simd4_dotproduct3_f(dm0_S, dm0_S);
2148 }
2149
2150 /* Calculate bb bounding distances of bb_i[si,...,si+3] and store them in d2 */
2151 #define SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(si, bb_i, d2) \
2152     {                                                \
2153         int               shi;                                  \
2154                                                  \
2155         gmx_simd4_float_t dx_0, dy_0, dz_0;                    \
2156         gmx_simd4_float_t dx_1, dy_1, dz_1;                    \
2157                                                  \
2158         gmx_simd4_float_t mx, my, mz;                          \
2159         gmx_simd4_float_t m0x, m0y, m0z;                       \
2160                                                  \
2161         gmx_simd4_float_t d2x, d2y, d2z;                       \
2162         gmx_simd4_float_t d2s, d2t;                            \
2163                                                  \
2164         shi = si*NNBSBB_D*DIM;                       \
2165                                                  \
2166         xi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+0*STRIDE_PBB);   \
2167         yi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+1*STRIDE_PBB);   \
2168         zi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+2*STRIDE_PBB);   \
2169         xi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+3*STRIDE_PBB);   \
2170         yi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+4*STRIDE_PBB);   \
2171         zi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+5*STRIDE_PBB);   \
2172                                                  \
2173         dx_0 = gmx_simd4_sub_f(xi_l, xj_h);                 \
2174         dy_0 = gmx_simd4_sub_f(yi_l, yj_h);                 \
2175         dz_0 = gmx_simd4_sub_f(zi_l, zj_h);                 \
2176                                                  \
2177         dx_1 = gmx_simd4_sub_f(xj_l, xi_h);                 \
2178         dy_1 = gmx_simd4_sub_f(yj_l, yi_h);                 \
2179         dz_1 = gmx_simd4_sub_f(zj_l, zi_h);                 \
2180                                                  \
2181         mx   = gmx_simd4_max_f(dx_0, dx_1);                 \
2182         my   = gmx_simd4_max_f(dy_0, dy_1);                 \
2183         mz   = gmx_simd4_max_f(dz_0, dz_1);                 \
2184                                                  \
2185         m0x  = gmx_simd4_max_f(mx, zero);                   \
2186         m0y  = gmx_simd4_max_f(my, zero);                   \
2187         m0z  = gmx_simd4_max_f(mz, zero);                   \
2188                                                  \
2189         d2x  = gmx_simd4_mul_f(m0x, m0x);                   \
2190         d2y  = gmx_simd4_mul_f(m0y, m0y);                   \
2191         d2z  = gmx_simd4_mul_f(m0z, m0z);                   \
2192                                                  \
2193         d2s  = gmx_simd4_add_f(d2x, d2y);                   \
2194         d2t  = gmx_simd4_add_f(d2s, d2z);                   \
2195                                                  \
2196         gmx_simd4_store_f(d2+si, d2t);                      \
2197     }
2198
2199 /* 4-wide SIMD code for nsi bb distances for bb format xxxxyyyyzzzz */
2200 static void subc_bb_dist2_simd4_xxxx(const float *bb_j,
2201                                      int nsi, const float *bb_i,
2202                                      float *d2)
2203 {
2204     gmx_simd4_float_t xj_l, yj_l, zj_l;
2205     gmx_simd4_float_t xj_h, yj_h, zj_h;
2206     gmx_simd4_float_t xi_l, yi_l, zi_l;
2207     gmx_simd4_float_t xi_h, yi_h, zi_h;
2208
2209     gmx_simd4_float_t zero;
2210
2211     zero = gmx_simd4_setzero_f();
2212
2213     xj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[0*STRIDE_PBB]);
2214     yj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[1*STRIDE_PBB]);
2215     zj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[2*STRIDE_PBB]);
2216     xj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[3*STRIDE_PBB]);
2217     yj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[4*STRIDE_PBB]);
2218     zj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[5*STRIDE_PBB]);
2219
2220     /* Here we "loop" over si (0,STRIDE_PBB) from 0 to nsi with step STRIDE_PBB.
2221      * But as we know the number of iterations is 1 or 2, we unroll manually.
2222      */
2223     SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(0, bb_i, d2);
2224     if (STRIDE_PBB < nsi)
2225     {
2226         SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(STRIDE_PBB, bb_i, d2);
2227     }
2228 }
2229
2230 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
2231
2232 /* Plain C function which determines if any atom pair between two cells
2233  * is within distance sqrt(rl2).
2234  */
2235 static gmx_bool subc_in_range_x(int na_c,
2236                                 int si, const real *x_i,
2237                                 int csj, int stride, const real *x_j,
2238                                 real rl2)
2239 {
2240     int  i, j, i0, j0;
2241     real d2;
2242
2243     for (i = 0; i < na_c; i++)
2244     {
2245         i0 = (si*na_c + i)*DIM;
2246         for (j = 0; j < na_c; j++)
2247         {
2248             j0 = (csj*na_c + j)*stride;
2249
2250             d2 = sqr(x_i[i0  ] - x_j[j0  ]) +
2251                 sqr(x_i[i0+1] - x_j[j0+1]) +
2252                 sqr(x_i[i0+2] - x_j[j0+2]);
2253
2254             if (d2 < rl2)
2255             {
2256                 return TRUE;
2257             }
2258         }
2259     }
2260
2261     return FALSE;
2262 }
2263
2264 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
2265
2266 /* 4-wide SIMD function which determines if any atom pair between two cells,
2267  * both with 8 atoms, is within distance sqrt(rl2).
2268  * Using 8-wide AVX is not faster on Intel Sandy Bridge.
2269  */
2270 static gmx_bool subc_in_range_simd4(int na_c,
2271                                     int si, const real *x_i,
2272                                     int csj, int stride, const real *x_j,
2273                                     real rl2)
2274 {
2275     gmx_simd4_real_t ix_S0, iy_S0, iz_S0;
2276     gmx_simd4_real_t ix_S1, iy_S1, iz_S1;
2277
2278     gmx_simd4_real_t rc2_S;
2279
2280     int              dim_stride;
2281     int              j0, j1;
2282
2283     rc2_S   = gmx_simd4_set1_r(rl2);
2284
2285     dim_stride = NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/STRIDE_PBB*DIM;
2286     ix_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+0)*STRIDE_PBB);
2287     iy_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+1)*STRIDE_PBB);
2288     iz_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+2)*STRIDE_PBB);
2289     ix_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+3)*STRIDE_PBB);
2290     iy_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+4)*STRIDE_PBB);
2291     iz_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+5)*STRIDE_PBB);
2292
2293     /* We loop from the outer to the inner particles to maximize
2294      * the chance that we find a pair in range quickly and return.
2295      */
2296     j0 = csj*na_c;
2297     j1 = j0 + na_c - 1;
2298     while (j0 < j1)
2299     {
2300         gmx_simd4_real_t jx0_S, jy0_S, jz0_S;
2301         gmx_simd4_real_t jx1_S, jy1_S, jz1_S;
2302
2303         gmx_simd4_real_t dx_S0, dy_S0, dz_S0;
2304         gmx_simd4_real_t dx_S1, dy_S1, dz_S1;
2305         gmx_simd4_real_t dx_S2, dy_S2, dz_S2;
2306         gmx_simd4_real_t dx_S3, dy_S3, dz_S3;
2307
2308         gmx_simd4_real_t rsq_S0;
2309         gmx_simd4_real_t rsq_S1;
2310         gmx_simd4_real_t rsq_S2;
2311         gmx_simd4_real_t rsq_S3;
2312
2313         gmx_simd4_bool_t wco_S0;
2314         gmx_simd4_bool_t wco_S1;
2315         gmx_simd4_bool_t wco_S2;
2316         gmx_simd4_bool_t wco_S3;
2317         gmx_simd4_bool_t wco_any_S01, wco_any_S23, wco_any_S;
2318
2319         jx0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+0]);
2320         jy0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+1]);
2321         jz0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+2]);
2322
2323         jx1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+0]);
2324         jy1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+1]);
2325         jz1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+2]);
2326
2327         /* Calculate distance */
2328         dx_S0            = gmx_simd4_sub_r(ix_S0, jx0_S);
2329         dy_S0            = gmx_simd4_sub_r(iy_S0, jy0_S);
2330         dz_S0            = gmx_simd4_sub_r(iz_S0, jz0_S);
2331         dx_S1            = gmx_simd4_sub_r(ix_S1, jx0_S);
2332         dy_S1            = gmx_simd4_sub_r(iy_S1, jy0_S);
2333         dz_S1            = gmx_simd4_sub_r(iz_S1, jz0_S);
2334         dx_S2            = gmx_simd4_sub_r(ix_S0, jx1_S);
2335         dy_S2            = gmx_simd4_sub_r(iy_S0, jy1_S);
2336         dz_S2            = gmx_simd4_sub_r(iz_S0, jz1_S);
2337         dx_S3            = gmx_simd4_sub_r(ix_S1, jx1_S);
2338         dy_S3            = gmx_simd4_sub_r(iy_S1, jy1_S);
2339         dz_S3            = gmx_simd4_sub_r(iz_S1, jz1_S);
2340
2341         /* rsq = dx*dx+dy*dy+dz*dz */
2342         rsq_S0           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S0, dy_S0, dz_S0);
2343         rsq_S1           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S1, dy_S1, dz_S1);
2344         rsq_S2           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S2, dy_S2, dz_S2);
2345         rsq_S3           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S3, dy_S3, dz_S3);
2346
2347         wco_S0           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S0, rc2_S);
2348         wco_S1           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S1, rc2_S);
2349         wco_S2           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S2, rc2_S);
2350         wco_S3           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S3, rc2_S);
2351
2352         wco_any_S01      = gmx_simd4_or_b(wco_S0, wco_S1);
2353         wco_any_S23      = gmx_simd4_or_b(wco_S2, wco_S3);
2354         wco_any_S        = gmx_simd4_or_b(wco_any_S01, wco_any_S23);
2355
2356         if (gmx_simd4_anytrue_b(wco_any_S))
2357         {
2358             return TRUE;
2359         }
2360
2361         j0++;
2362         j1--;
2363     }
2364     return FALSE;
2365
2366 }
2367 #endif
2368
2369
2370 /* Returns the j sub-cell for index cj_ind */
2371 static int nbl_cj(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2372 {
2373     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].cj[cj_ind & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1)];
2374 }
2375
2376 /* Returns the i-interaction mask of the j sub-cell for index cj_ind */
2377 static unsigned int nbl_imask0(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2378 {
2379     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].imei[0].imask;
2380 }
2381
2382 /* Ensures there is enough space for extra extra exclusion masks */
2383 static void check_excl_space(nbnxn_pairlist_t *nbl, int extra)
2384 {
2385     if (nbl->nexcl+extra > nbl->excl_nalloc)
2386     {
2387         nbl->excl_nalloc = over_alloc_small(nbl->nexcl+extra);
2388         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->excl,
2389                            nbl->nexcl*sizeof(*nbl->excl),
2390                            nbl->excl_nalloc*sizeof(*nbl->excl),
2391                            nbl->alloc, nbl->free);
2392     }
2393 }
2394
2395 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-cells in the list */
2396 static void check_subcell_list_space_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2397                                             int               ncell)
2398 {
2399     int cj_max;
2400
2401     cj_max = nbl->ncj + ncell;
2402
2403     if (cj_max > nbl->cj_nalloc)
2404     {
2405         nbl->cj_nalloc = over_alloc_small(cj_max);
2406         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj,
2407                            nbl->ncj*sizeof(*nbl->cj),
2408                            nbl->cj_nalloc*sizeof(*nbl->cj),
2409                            nbl->alloc, nbl->free);
2410     }
2411 }
2412
2413 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-subcells in the list */
2414 static void check_subcell_list_space_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2415                                               int               nsupercell)
2416 {
2417     int ncj4_max, j4, j, w, t;
2418
2419 #define NWARP       2
2420 #define WARP_SIZE  32
2421
2422     /* We can have maximally nsupercell*GPU_NSUBCELL sj lists */
2423     /* We can store 4 j-subcell - i-supercell pairs in one struct.
2424      * since we round down, we need one extra entry.
2425      */
2426     ncj4_max = ((nbl->work->cj_ind + nsupercell*GPU_NSUBCELL + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2427
2428     if (ncj4_max > nbl->cj4_nalloc)
2429     {
2430         nbl->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4_max);
2431         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj4,
2432                            nbl->work->cj4_init*sizeof(*nbl->cj4),
2433                            nbl->cj4_nalloc*sizeof(*nbl->cj4),
2434                            nbl->alloc, nbl->free);
2435     }
2436
2437     if (ncj4_max > nbl->work->cj4_init)
2438     {
2439         for (j4 = nbl->work->cj4_init; j4 < ncj4_max; j4++)
2440         {
2441             /* No i-subcells and no excl's in the list initially */
2442             for (w = 0; w < NWARP; w++)
2443             {
2444                 nbl->cj4[j4].imei[w].imask    = 0U;
2445                 nbl->cj4[j4].imei[w].excl_ind = 0;
2446
2447             }
2448         }
2449         nbl->work->cj4_init = ncj4_max;
2450     }
2451 }
2452
2453 /* Set all excl masks for one GPU warp no exclusions */
2454 static void set_no_excls(nbnxn_excl_t *excl)
2455 {
2456     int t;
2457
2458     for (t = 0; t < WARP_SIZE; t++)
2459     {
2460         /* Turn all interaction bits on */
2461         excl->pair[t] = NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL;
2462     }
2463 }
2464
2465 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
2466 static void nbnxn_init_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2467                                 gmx_bool          bSimple,
2468                                 nbnxn_alloc_t    *alloc,
2469                                 nbnxn_free_t     *free)
2470 {
2471     if (alloc == NULL)
2472     {
2473         nbl->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
2474     }
2475     else
2476     {
2477         nbl->alloc = alloc;
2478     }
2479     if (free == NULL)
2480     {
2481         nbl->free = nbnxn_free_aligned;
2482     }
2483     else
2484     {
2485         nbl->free = free;
2486     }
2487
2488     nbl->bSimple     = bSimple;
2489     nbl->na_sc       = 0;
2490     nbl->na_ci       = 0;
2491     nbl->na_cj       = 0;
2492     nbl->nci         = 0;
2493     nbl->ci          = NULL;
2494     nbl->ci_nalloc   = 0;
2495     nbl->ncj         = 0;
2496     nbl->cj          = NULL;
2497     nbl->cj_nalloc   = 0;
2498     nbl->ncj4        = 0;
2499     /* We need one element extra in sj, so alloc initially with 1 */
2500     nbl->cj4_nalloc  = 0;
2501     nbl->cj4         = NULL;
2502     nbl->nci_tot     = 0;
2503
2504     if (!nbl->bSimple)
2505     {
2506         nbl->excl        = NULL;
2507         nbl->excl_nalloc = 0;
2508         nbl->nexcl       = 0;
2509         check_excl_space(nbl, 1);
2510         nbl->nexcl       = 1;
2511         set_no_excls(&nbl->excl[0]);
2512     }
2513
2514     snew(nbl->work, 1);
2515     if (nbl->bSimple)
2516     {
2517         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, 1, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2518     }
2519     else
2520     {
2521 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2522         snew_aligned(nbl->work->pbb_ci, GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2523 #else
2524         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2525 #endif
2526     }
2527     snew_aligned(nbl->work->x_ci, NBNXN_NA_SC_MAX*DIM, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2528 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2529     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_4xn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2530     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_2xnn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2531 #endif
2532     snew_aligned(nbl->work->d2, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2533
2534     nbl->work->sort            = NULL;
2535     nbl->work->sort_nalloc     = 0;
2536     nbl->work->sci_sort        = NULL;
2537     nbl->work->sci_sort_nalloc = 0;
2538 }
2539
2540 void nbnxn_init_pairlist_set(nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
2541                              gmx_bool bSimple, gmx_bool bCombined,
2542                              nbnxn_alloc_t *alloc,
2543                              nbnxn_free_t  *free)
2544 {
2545     int i;
2546
2547     nbl_list->bSimple   = bSimple;
2548     nbl_list->bCombined = bCombined;
2549
2550     nbl_list->nnbl = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
2551
2552     if (!nbl_list->bCombined &&
2553         nbl_list->nnbl > NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS)
2554     {
2555         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.",
2556                   nbl_list->nnbl, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS);
2557     }
2558
2559     snew(nbl_list->nbl, nbl_list->nnbl);
2560     snew(nbl_list->nbl_fep, nbl_list->nnbl);
2561     /* Execute in order to avoid memory interleaving between threads */
2562 #pragma omp parallel for num_threads(nbl_list->nnbl) schedule(static)
2563     for (i = 0; i < nbl_list->nnbl; i++)
2564     {
2565         /* Allocate the nblist data structure locally on each thread
2566          * to optimize memory access for NUMA architectures.
2567          */
2568         snew(nbl_list->nbl[i], 1);
2569
2570         /* Only list 0 is used on the GPU, use normal allocation for i>0 */
2571         if (i == 0)
2572         {
2573             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, alloc, free);
2574         }
2575         else
2576         {
2577             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, NULL, NULL);
2578         }
2579
2580         snew(nbl_list->nbl_fep[i], 1);
2581         nbnxn_init_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[i]);
2582     }
2583 }
2584
2585 /* Print statistics of a pair list, used for debug output */
2586 static void print_nblist_statistics_simple(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2587                                            const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2588 {
2589     const nbnxn_grid_t *grid;
2590     int                 cs[SHIFTS];
2591     int                 s, i, j;
2592     int                 npexcl;
2593
2594     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2595     grid = &nbs->grid[0];
2596
2597     fprintf(fp, "nbl nci %d ncj %d\n",
2598             nbl->nci, nbl->ncj);
2599     fprintf(fp, "nbl na_sc %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2600             nbl->na_sc, rl, nbl->ncj, nbl->ncj/(double)grid->nc,
2601             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc,
2602             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)));
2603
2604     fprintf(fp, "nbl average j cell list length %.1f\n",
2605             0.25*nbl->ncj/(double)nbl->nci);
2606
2607     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2608     {
2609         cs[s] = 0;
2610     }
2611     npexcl = 0;
2612     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
2613     {
2614         cs[nbl->ci[i].shift & NBNXN_CI_SHIFT] +=
2615             nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start;
2616
2617         j = nbl->ci[i].cj_ind_start;
2618         while (j < nbl->ci[i].cj_ind_end &&
2619                nbl->cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2620         {
2621             npexcl++;
2622             j++;
2623         }
2624     }
2625     fprintf(fp, "nbl cell pairs, total: %d excl: %d %.1f%%\n",
2626             nbl->ncj, npexcl, 100*npexcl/(double)nbl->ncj);
2627     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2628     {
2629         if (cs[s] > 0)
2630         {
2631             fprintf(fp, "nbl shift %2d ncj %3d\n", s, cs[s]);
2632         }
2633     }
2634 }
2635
2636 /* Print statistics of a pair lists, used for debug output */
2637 static void print_nblist_statistics_supersub(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2638                                              const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2639 {
2640     const nbnxn_grid_t *grid;
2641     int                 i, j4, j, si, b;
2642     int                 c[GPU_NSUBCELL+1];
2643
2644     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2645     grid = &nbs->grid[0];
2646
2647     fprintf(fp, "nbl nsci %d ncj4 %d nsi %d excl4 %d\n",
2648             nbl->nsci, nbl->ncj4, nbl->nci_tot, nbl->nexcl);
2649     fprintf(fp, "nbl na_c %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2650             nbl->na_ci, rl, nbl->nci_tot, nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot,
2651             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c,
2652             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)));
2653
2654     fprintf(fp, "nbl average j super cell list length %.1f\n",
2655             0.25*nbl->ncj4/(double)nbl->nsci);
2656     fprintf(fp, "nbl average i sub cell list length %.1f\n",
2657             nbl->nci_tot/((double)nbl->ncj4));
2658
2659     for (si = 0; si <= GPU_NSUBCELL; si++)
2660     {
2661         c[si] = 0;
2662     }
2663     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
2664     {
2665         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
2666         {
2667             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
2668             {
2669                 b = 0;
2670                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
2671                 {
2672                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
2673                     {
2674                         b++;
2675                     }
2676                 }
2677                 c[b]++;
2678             }
2679         }
2680     }
2681     for (b = 0; b <= GPU_NSUBCELL; b++)
2682     {
2683         fprintf(fp, "nbl j-list #i-subcell %d %7d %4.1f\n",
2684                 b, c[b], 100.0*c[b]/(double)(nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE));
2685     }
2686 }
2687
2688 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp */
2689 static void low_get_nbl_exclusions(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2690                                    int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2691 {
2692     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2693     {
2694         /* No exclusions set, make a new list entry */
2695         nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind = nbl->nexcl;
2696         nbl->nexcl++;
2697         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2698         set_no_excls(*excl);
2699     }
2700     else
2701     {
2702         /* We already have some exclusions, new ones can be added to the list */
2703         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2704     }
2705 }
2706
2707 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp,
2708  * generates a new element and allocates extra memory, if necessary.
2709  */
2710 static void get_nbl_exclusions_1(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2711                                  int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2712 {
2713     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2714     {
2715         /* We need to make a new list entry, check if we have space */
2716         check_excl_space(nbl, 1);
2717     }
2718     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, warp, excl);
2719 }
2720
2721 /* Returns pointers to the exclusion mask for cj4-unit cj4 for both warps,
2722  * generates a new element and allocates extra memory, if necessary.
2723  */
2724 static void get_nbl_exclusions_2(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2725                                  nbnxn_excl_t **excl_w0,
2726                                  nbnxn_excl_t **excl_w1)
2727 {
2728     /* Check for space we might need */
2729     check_excl_space(nbl, 2);
2730
2731     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 0, excl_w0);
2732     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 1, excl_w1);
2733 }
2734
2735 /* Sets the self exclusions i=j and pair exclusions i>j */
2736 static void set_self_and_newton_excls_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2737                                                int cj4_ind, int sj_offset,
2738                                                int si)
2739 {
2740     nbnxn_excl_t *excl[2];
2741     int           ei, ej, w;
2742
2743     /* Here we only set the set self and double pair exclusions */
2744
2745     get_nbl_exclusions_2(nbl, cj4_ind, &excl[0], &excl[1]);
2746
2747     /* Only minor < major bits set */
2748     for (ej = 0; ej < nbl->na_ci; ej++)
2749     {
2750         w = (ej>>2);
2751         for (ei = ej; ei < nbl->na_ci; ei++)
2752         {
2753             excl[w]->pair[(ej & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1))*nbl->na_ci + ei] &=
2754                 ~(1U << (sj_offset*GPU_NSUBCELL + si));
2755         }
2756     }
2757 }
2758
2759 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for plain C lists */
2760 static unsigned int get_imask(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2761 {
2762     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2763 }
2764
2765 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=2 */
2766 static unsigned int get_imask_simd_j2(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2767 {
2768     return (rdiag && ci*2 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_0 :
2769             (rdiag && ci*2+1 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_1 :
2770              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2771 }
2772
2773 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=4 */
2774 static unsigned int get_imask_simd_j4(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2775 {
2776     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2777 }
2778
2779 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=8 */
2780 static unsigned int get_imask_simd_j8(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2781 {
2782     return (rdiag && ci == cj*2 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_0 :
2783             (rdiag && ci == cj*2+1 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_1 :
2784              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2785 }
2786
2787 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2788 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
2789 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j2
2790 #endif
2791 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 4
2792 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j4
2793 #endif
2794 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 8
2795 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j8
2796 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j4
2797 #endif
2798 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 16
2799 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j8
2800 #endif
2801 #endif
2802
2803 /* Plain C code for making a pair list of cell ci vs cell cjf-cjl.
2804  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2805  */
2806 static void make_cluster_list_simple(const nbnxn_grid_t *gridj,
2807                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
2808                                      int ci, int cjf, int cjl,
2809                                      gmx_bool remove_sub_diag,
2810                                      const real *x_j,
2811                                      real rl2, float rbb2,
2812                                      int *ndistc)
2813 {
2814     const nbnxn_list_work_t *work;
2815
2816     const nbnxn_bb_t        *bb_ci;
2817     const real              *x_ci;
2818
2819     gmx_bool                 InRange;
2820     real                     d2;
2821     int                      cjf_gl, cjl_gl, cj;
2822
2823     work = nbl->work;
2824
2825     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
2826     x_ci  = nbl->work->x_ci;
2827
2828     InRange = FALSE;
2829     while (!InRange && cjf <= cjl)
2830     {
2831         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjf, gridj->bb);
2832         *ndistc += 2;
2833
2834         /* Check if the distance is within the distance where
2835          * we use only the bounding box distance rbb,
2836          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2837          * within the cut-off.
2838          */
2839         if (d2 < rbb2)
2840         {
2841             InRange = TRUE;
2842         }
2843         else if (d2 < rl2)
2844         {
2845             int i, j;
2846
2847             cjf_gl = gridj->cell0 + cjf;
2848             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2849             {
2850                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2851                 {
2852                     InRange = InRange ||
2853                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2854                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2855                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2856                 }
2857             }
2858             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2859         }
2860         if (!InRange)
2861         {
2862             cjf++;
2863         }
2864     }
2865     if (!InRange)
2866     {
2867         return;
2868     }
2869
2870     InRange = FALSE;
2871     while (!InRange && cjl > cjf)
2872     {
2873         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjl, gridj->bb);
2874         *ndistc += 2;
2875
2876         /* Check if the distance is within the distance where
2877          * we use only the bounding box distance rbb,
2878          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2879          * within the cut-off.
2880          */
2881         if (d2 < rbb2)
2882         {
2883             InRange = TRUE;
2884         }
2885         else if (d2 < rl2)
2886         {
2887             int i, j;
2888
2889             cjl_gl = gridj->cell0 + cjl;
2890             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2891             {
2892                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2893                 {
2894                     InRange = InRange ||
2895                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2896                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2897                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2898                 }
2899             }
2900             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2901         }
2902         if (!InRange)
2903         {
2904             cjl--;
2905         }
2906     }
2907
2908     if (cjf <= cjl)
2909     {
2910         for (cj = cjf; cj <= cjl; cj++)
2911         {
2912             /* Store cj and the interaction mask */
2913             nbl->cj[nbl->ncj].cj   = gridj->cell0 + cj;
2914             nbl->cj[nbl->ncj].excl = get_imask(remove_sub_diag, ci, cj);
2915             nbl->ncj++;
2916         }
2917         /* Increase the closing index in i super-cell list */
2918         nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end = nbl->ncj;
2919     }
2920 }
2921
2922 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
2923 #include "nbnxn_search_simd_4xn.h"
2924 #endif
2925 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
2926 #include "nbnxn_search_simd_2xnn.h"
2927 #endif
2928
2929 /* Plain C or SIMD4 code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
2930  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2931  */
2932 static void make_cluster_list_supersub(const nbnxn_grid_t *gridi,
2933                                        const nbnxn_grid_t *gridj,
2934                                        nbnxn_pairlist_t *nbl,
2935                                        int sci, int scj,
2936                                        gmx_bool sci_equals_scj,
2937                                        int stride, const real *x,
2938                                        real rl2, float rbb2,
2939                                        int *ndistc)
2940 {
2941     int               na_c;
2942     int               npair;
2943     int               cjo, ci1, ci, cj, cj_gl;
2944     int               cj4_ind, cj_offset;
2945     unsigned int      imask;
2946     nbnxn_cj4_t      *cj4;
2947 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2948     const float      *pbb_ci;
2949 #else
2950     const nbnxn_bb_t *bb_ci;
2951 #endif
2952     const real       *x_ci;
2953     float            *d2l, d2;
2954     int               w;
2955 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE
2956 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2957     int  ci_last = -1;
2958 #endif
2959
2960     d2l = nbl->work->d2;
2961
2962 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2963     pbb_ci = nbl->work->pbb_ci;
2964 #else
2965     bb_ci  = nbl->work->bb_ci;
2966 #endif
2967     x_ci   = nbl->work->x_ci;
2968
2969     na_c = gridj->na_c;
2970
2971     for (cjo = 0; cjo < gridj->nsubc[scj]; cjo++)
2972     {
2973         cj4_ind   = (nbl->work->cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2974         cj_offset = nbl->work->cj_ind - cj4_ind*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
2975         cj4       = &nbl->cj4[cj4_ind];
2976
2977         cj = scj*GPU_NSUBCELL + cjo;
2978
2979         cj_gl = gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cj;
2980
2981         /* Initialize this j-subcell i-subcell list */
2982         cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
2983         imask              = 0;
2984
2985         if (sci_equals_scj)
2986         {
2987             ci1 = cjo + 1;
2988         }
2989         else
2990         {
2991             ci1 = gridi->nsubc[sci];
2992         }
2993
2994 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2995         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SIMD4 */
2996         subc_bb_dist2_simd4_xxxx(gridj->pbb+(cj>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX+(cj & (STRIDE_PBB-1)),
2997                                  ci1, pbb_ci, d2l);
2998         *ndistc += na_c*2;
2999 #endif
3000
3001         npair = 0;
3002         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
3003         for (ci = 0; ci < GPU_NSUBCELL; ci++)
3004         {
3005             if (ci == ci1)
3006             {
3007                 break;
3008             }
3009
3010 #ifndef NBNXN_BBXXXX
3011             /* Determine the bb distance between ci and cj */
3012             d2l[ci]  = subc_bb_dist2(ci, bb_ci, cj, gridj->bb);
3013             *ndistc += 2;
3014 #endif
3015             d2 = d2l[ci];
3016
3017 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ALL
3018             /* Check if the distance is within the distance where
3019              * we use only the bounding box distance rbb,
3020              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
3021              * within the cut-off. This check is very costly.
3022              */
3023             *ndistc += na_c*na_c;
3024             if (d2 < rbb2 ||
3025                 (d2 < rl2 &&
3026 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
3027                  subc_in_range_simd4
3028 #else
3029                  subc_in_range_x
3030 #endif
3031                      (na_c, ci, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2)))
3032 #else
3033             /* Check if the distance between the two bounding boxes
3034              * in within the pair-list cut-off.
3035              */
3036             if (d2 < rl2)
3037 #endif
3038             {
3039                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
3040                 imask |= (1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci));
3041
3042 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3043                 ci_last = ci;
3044 #endif
3045
3046                 npair++;
3047             }
3048         }
3049
3050 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3051         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
3052          * within the cut-off, so we could get rid of it.
3053          */
3054         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2)
3055         {
3056             /* Avoid using function pointers here, as it's slower */
3057             if (
3058 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
3059                 !subc_in_range_simd4
3060 #else
3061                 !subc_in_range_x
3062 #endif
3063                     (na_c, ci_last, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2))
3064             {
3065                 imask &= ~(1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci_last));
3066                 npair--;
3067             }
3068         }
3069 #endif
3070
3071         if (npair > 0)
3072         {
3073             /* We have a useful sj entry, close it now */
3074
3075             /* Set the exclucions for the ci== sj entry.
3076              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
3077              * as it will nearly always be in the list.
3078              */
3079             if (sci_equals_scj)
3080             {
3081                 set_self_and_newton_excls_supersub(nbl, cj4_ind, cj_offset, cjo);
3082             }
3083
3084             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
3085             for (w = 0; w < NWARP; w++)
3086             {
3087                 cj4->imei[w].imask |= imask;
3088             }
3089
3090             nbl->work->cj_ind++;
3091
3092             /* Keep the count */
3093             nbl->nci_tot += npair;
3094
3095             /* Increase the closing index in i super-cell list */
3096             nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end =
3097                 ((nbl->work->cj_ind+NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3098         }
3099     }
3100 }
3101
3102 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3103  * as masks in the pair-list for simple list i-entry nbl_ci
3104  */
3105 static void set_ci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3106                              nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3107                              gmx_bool             diagRemoved,
3108                              int                  na_ci_2log,
3109                              int                  na_cj_2log,
3110                              const nbnxn_ci_t    *nbl_ci,
3111                              const t_blocka      *excl)
3112 {
3113     const int    *cell;
3114     int           ci;
3115     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3116     int           cj_first, cj_last;
3117     int           ndirect;
3118     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3119     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3120     int           cj_m;
3121     gmx_bool      Found_si;
3122     int           si_ind;
3123     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3124     int           inner_i, inner_e;
3125
3126     cell = nbs->cell;
3127
3128     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3129     {
3130         /* Empty list */
3131         return;
3132     }
3133
3134     ci = nbl_ci->ci;
3135
3136     cj_ind_first = nbl_ci->cj_ind_start;
3137     cj_ind_last  = nbl->ncj - 1;
3138
3139     cj_first = nbl->cj[cj_ind_first].cj;
3140     cj_last  = nbl->cj[cj_ind_last].cj;
3141
3142     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
3143      * from the first i-cell. This number can be used to directly
3144      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
3145      */
3146     ndirect = 0;
3147     if (na_ci_2log == na_cj_2log)
3148     {
3149         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3150                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci + ndirect)
3151         {
3152             ndirect++;
3153         }
3154     }
3155 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
3156     else
3157     {
3158         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3159                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci_to_cj(na_cj_2log, ci) + ndirect)
3160         {
3161             ndirect++;
3162         }
3163     }
3164 #endif
3165
3166     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3167     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3168     {
3169         ai = nbs->a[ci*nbl->na_sc+i];
3170         if (ai >= 0)
3171         {
3172             si  = (i>>na_ci_2log);
3173
3174             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3175             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3176             {
3177                 aj = excl->a[eind];
3178
3179                 if (aj == ai)
3180                 {
3181                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3182                     continue;
3183                 }
3184
3185                 ge = cell[aj];
3186
3187                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3188                  * for one-way pair-lists.
3189                  */
3190                 if (diagRemoved && ge <= ci*nbl->na_sc + i)
3191                 {
3192                     continue;
3193                 }
3194
3195                 se = (ge >> na_cj_2log);
3196
3197                 /* Could the cluster se be in our list? */
3198                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3199                 {
3200                     if (se < cj_first + ndirect)
3201                     {
3202                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3203                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3204                     }
3205                     else
3206                     {
3207                         /* Search for se using bisection */
3208                         found    = -1;
3209                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3210                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3211                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3212                         {
3213                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3214
3215                             cj_m = nbl->cj[cj_ind_m].cj;
3216
3217                             if (se == cj_m)
3218                             {
3219                                 found = cj_ind_m;
3220                             }
3221                             else if (se < cj_m)
3222                             {
3223                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3224                             }
3225                             else
3226                             {
3227                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3228                             }
3229                         }
3230                     }
3231
3232                     if (found >= 0)
3233                     {
3234                         inner_i = i  - (si << na_ci_2log);
3235                         inner_e = ge - (se << na_cj_2log);
3236
3237                         nbl->cj[found].excl &= ~(1U<<((inner_i<<na_cj_2log) + inner_e));
3238 /* The next code line is usually not needed. We do not want to version
3239  * away the above line, because there is logic that relies on being
3240  * able to detect easily whether any exclusions exist. */
3241 #if (defined GMX_SIMD_IBM_QPX)
3242                         nbl->cj[found].interaction_mask_indices[inner_i] &= ~(1U << inner_e);
3243 #endif
3244                     }
3245                 }
3246             }
3247         }
3248     }
3249 }
3250
3251 /* Add a new i-entry to the FEP list and copy the i-properties */
3252 static gmx_inline void fep_list_new_nri_copy(t_nblist *nlist)
3253 {
3254     /* Add a new i-entry */
3255     nlist->nri++;
3256
3257     assert(nlist->nri < nlist->maxnri);
3258
3259     /* Duplicate the last i-entry, except for jindex, which continues */
3260     nlist->iinr[nlist->nri]   = nlist->iinr[nlist->nri-1];
3261     nlist->shift[nlist->nri]  = nlist->shift[nlist->nri-1];
3262     nlist->gid[nlist->nri]    = nlist->gid[nlist->nri-1];
3263     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3264 }
3265
3266 /* For load balancing of the free-energy lists over threads, we set
3267  * the maximum nrj size of an i-entry to 40. This leads to good
3268  * load balancing in the worst case scenario of a single perturbed
3269  * particle on 16 threads, while not introducing significant overhead.
3270  * Note that half of the perturbed pairs will anyhow end up in very small lists,
3271  * since non perturbed i-particles will see few perturbed j-particles).
3272  */
3273 const int max_nrj_fep = 40;
3274
3275 /* Exclude the perturbed pairs from the Verlet list. This is only done to avoid
3276  * singularities for overlapping particles (0/0), since the charges and
3277  * LJ parameters have been zeroed in the nbnxn data structure.
3278  * Simultaneously make a group pair list for the perturbed pairs.
3279  */
3280 static void make_fep_list(const nbnxn_search_t    nbs,
3281                           const nbnxn_atomdata_t *nbat,
3282                           nbnxn_pairlist_t       *nbl,
3283                           gmx_bool                bDiagRemoved,
3284                           nbnxn_ci_t             *nbl_ci,
3285                           const nbnxn_grid_t     *gridi,
3286                           const nbnxn_grid_t     *gridj,
3287                           t_nblist               *nlist)
3288 {
3289     int      ci, cj_ind_start, cj_ind_end, cj_ind, cja, cjr;
3290     int      nri_max;
3291     int      ngid, gid_i = 0, gid_j, gid;
3292     int      egp_shift, egp_mask;
3293     int      gid_cj = 0;
3294     int      i, j, ind_i, ind_j, ai, aj;
3295     int      nri;
3296     gmx_bool bFEP_i, bFEP_i_all;
3297
3298     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3299     {
3300         /* Empty list */
3301         return;
3302     }
3303
3304     ci = nbl_ci->ci;
3305
3306     cj_ind_start = nbl_ci->cj_ind_start;
3307     cj_ind_end   = nbl_ci->cj_ind_end;
3308
3309     /* In worst case we have alternating energy groups
3310      * and create #atom-pair lists, which means we need the size
3311      * of a cluster pair (na_ci*na_cj) times the number of cj's.
3312      */
3313     nri_max = nbl->na_ci*nbl->na_cj*(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                              */
3440                             nbl->cj[cj_ind].excl &= ~(1U << (i*nbl->na_cj + j));
3441                         }
3442                     }
3443                 }
3444             }
3445
3446             if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
3447             {
3448                 /* Actually add this new, non-empty, list */
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     /* Here we process one super-cell, max #atoms na_sc, versus a list
3515      * cj4 entries, each with max NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE cj's, each
3516      * of size na_cj atoms.
3517      * On the GPU we don't support energy groups (yet).
3518      * So for each of the na_sc i-atoms, we need max one FEP list
3519      * for each max_nrj_fep j-atoms.
3520      */
3521     nri_max = nbl->na_sc*nbl->na_cj*(1 + ((cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE)/max_nrj_fep);
3522     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
3523     {
3524         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
3525         reallocate_nblist(nlist);
3526     }
3527
3528     /* Loop over the atoms in the i super-cluster */
3529     for (c = 0; c < GPU_NSUBCELL; c++)
3530     {
3531         c_abs = sci*GPU_NSUBCELL + c;
3532
3533         for (i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
3534         {
3535             ind_i = c_abs*nbl->na_ci + i;
3536             ai    = nbs->a[ind_i];
3537             if (ai >= 0)
3538             {
3539                 nri                  = nlist->nri;
3540                 nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
3541                 nlist->iinr[nri]     = ai;
3542                 /* With GPUs, energy groups are not supported */
3543                 nlist->gid[nri]      = 0;
3544                 nlist->shift[nri]    = nbl_sci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
3545
3546                 bFEP_i = (gridi->fep[c_abs - gridi->cell0] & (1 << i));
3547
3548                 xi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+XX] + shx;
3549                 yi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+YY] + shy;
3550                 zi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+ZZ] + shz;
3551
3552                 if ((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
3553                 {
3554                     nlist->maxnrj = over_alloc_small((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE*nbl->na_cj);
3555                     srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
3556                     srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
3557                 }
3558
3559                 for (cj4_ind = cj4_ind_start; cj4_ind < cj4_ind_end; cj4_ind++)
3560                 {
3561                     cj4 = &nbl->cj4[cj4_ind];
3562
3563                     for (gcj = 0; gcj < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; gcj++)
3564                     {
3565                         unsigned int fep_cj;
3566
3567                         if ((cj4->imei[0].imask & (1U << (gcj*GPU_NSUBCELL + c))) == 0)
3568                         {
3569                             /* Skip this ci for this cj */
3570                             continue;
3571                         }
3572
3573                         cjr = cj4->cj[gcj] - gridj->cell0*GPU_NSUBCELL;
3574
3575                         fep_cj = gridj->fep[cjr];
3576
3577                         if (bFEP_i || fep_cj != 0)
3578                         {
3579                             for (j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
3580                             {
3581                                 /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
3582                                 ind_j = (gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cjr)*nbl->na_cj + j;
3583                                 aj    = nbs->a[ind_j];
3584                                 if (aj >= 0 &&
3585                                     (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
3586                                     (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
3587                                 {
3588                                     nbnxn_excl_t *excl;
3589                                     int           excl_pair;
3590                                     unsigned int  excl_bit;
3591                                     real          dx, dy, dz;
3592
3593                                     get_nbl_exclusions_1(nbl, cj4_ind, j>>2, &excl);
3594
3595                                     excl_pair = a_mod_wj(j)*nbl->na_ci + i;
3596                                     excl_bit  = (1U << (gcj*GPU_NSUBCELL + c));
3597
3598                                     dx = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+XX] - xi;
3599                                     dy = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+YY] - yi;
3600                                     dz = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+ZZ] - zi;
3601
3602                                     /* The unpruned GPU list has more than 2/3
3603                                      * of the atom pairs beyond rlist. Using
3604                                      * this list will cause a lot of overhead
3605                                      * in the CPU FEP kernels, especially
3606                                      * relative to the fast GPU kernels.
3607                                      * So we prune the FEP list here.
3608                                      */
3609                                     if (dx*dx + dy*dy + dz*dz < rlist_fep2)
3610                                     {
3611                                         if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
3612                                         {
3613                                             fep_list_new_nri_copy(nlist);
3614                                             nri = nlist->nri;
3615                                         }
3616
3617                                         /* Add it to the FEP list */
3618                                         nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
3619                                         nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (excl->pair[excl_pair] & excl_bit) ? 1 : 0;
3620                                         nlist->nrj++;
3621                                     }
3622
3623                                     /* Exclude it from the normal list.
3624                                      * Note that the charge and LJ parameters have
3625                                      * been set to zero, but we need to avoid 0/0,
3626                                      * as perturbed atoms can be on top of each other.
3627                                      */
3628                                     excl->pair[excl_pair] &= ~excl_bit;
3629                                 }
3630                             }
3631
3632                             /* Note that we could mask out this pair in imask
3633                              * if all i- and/or all j-particles are perturbed.
3634                              * But since the perturbed pairs on the CPU will
3635                              * take an order of magnitude more time, the GPU
3636                              * will finish before the CPU and there is no gain.
3637                              */
3638                         }
3639                     }
3640                 }
3641
3642                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
3643                 {
3644                     /* Actually add this new, non-empty, list */
3645                     nlist->nri++;
3646                     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3647                 }
3648             }
3649         }
3650     }
3651 }
3652
3653 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3654  * as masks in the pair-list for i-super-cell entry nbl_sci
3655  */
3656 static void set_sci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3657                               nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3658                               gmx_bool             diagRemoved,
3659                               int                  na_c_2log,
3660                               const nbnxn_sci_t   *nbl_sci,
3661                               const t_blocka      *excl)
3662 {
3663     const int    *cell;
3664     int           na_c;
3665     int           sci;
3666     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3667     int           cj_first, cj_last;
3668     int           ndirect;
3669     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3670     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3671     int           cj_m;
3672     gmx_bool      Found_si;
3673     int           si_ind;
3674     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3675     int           inner_i, inner_e, w;
3676
3677     cell = nbs->cell;
3678
3679     na_c = nbl->na_ci;
3680
3681     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3682     {
3683         /* Empty list */
3684         return;
3685     }
3686
3687     sci = nbl_sci->sci;
3688
3689     cj_ind_first = nbl_sci->cj4_ind_start*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3690     cj_ind_last  = nbl->work->cj_ind - 1;
3691
3692     cj_first = nbl->cj4[nbl_sci->cj4_ind_start].cj[0];
3693     cj_last  = nbl_cj(nbl, cj_ind_last);
3694
3695     /* Determine how many contiguous j-clusters we have starting
3696      * from the first i-cluster. This number can be used to directly
3697      * calculate j-cluster indices for excluded atoms.
3698      */
3699     ndirect = 0;
3700     while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3701            nbl_cj(nbl, cj_ind_first+ndirect) == sci*GPU_NSUBCELL + ndirect)
3702     {
3703         ndirect++;
3704     }
3705
3706     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3707     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3708     {
3709         ai = nbs->a[sci*nbl->na_sc+i];
3710         if (ai >= 0)
3711         {
3712             si  = (i>>na_c_2log);
3713
3714             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3715             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3716             {
3717                 aj = excl->a[eind];
3718
3719                 if (aj == ai)
3720                 {
3721                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3722                     continue;
3723                 }
3724
3725                 ge = cell[aj];
3726
3727                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3728                  * for one-way pair-lists.
3729                  */
3730                 if (diagRemoved && ge <= sci*nbl->na_sc + i)
3731                 {
3732                     continue;
3733                 }
3734
3735                 se = ge>>na_c_2log;
3736                 /* Could the cluster se be in our list? */
3737                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3738                 {
3739                     if (se < cj_first + ndirect)
3740                     {
3741                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3742                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3743                     }
3744                     else
3745                     {
3746                         /* Search for se using bisection */
3747                         found    = -1;
3748                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3749                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3750                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3751                         {
3752                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3753
3754                             cj_m = nbl_cj(nbl, cj_ind_m);
3755
3756                             if (se == cj_m)
3757                             {
3758                                 found = cj_ind_m;
3759                             }
3760                             else if (se < cj_m)
3761                             {
3762                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3763                             }
3764                             else
3765                             {
3766                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3767                             }
3768                         }
3769                     }
3770
3771                     if (found >= 0)
3772                     {
3773                         inner_i = i  - si*na_c;
3774                         inner_e = ge - se*na_c;
3775
3776                         if (nbl_imask0(nbl, found) & (1U << (cj_mod_cj4(found)*GPU_NSUBCELL + si)))
3777                         {
3778                             w       = (inner_e >> 2);
3779
3780                             get_nbl_exclusions_1(nbl, cj_to_cj4(found), w, &nbl_excl);
3781
3782                             nbl_excl->pair[a_mod_wj(inner_e)*nbl->na_ci+inner_i] &=
3783                                 ~(1U << (cj_mod_cj4(found)*GPU_NSUBCELL + si));
3784                         }
3785                     }
3786                 }
3787             }
3788         }
3789     }
3790 }
3791
3792 /* Reallocate the simple ci list for at least n entries */
3793 static void nb_realloc_ci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3794 {
3795     nbl->ci_nalloc = over_alloc_small(n);
3796     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->ci,
3797                        nbl->nci*sizeof(*nbl->ci),
3798                        nbl->ci_nalloc*sizeof(*nbl->ci),
3799                        nbl->alloc, nbl->free);
3800 }
3801
3802 /* Reallocate the super-cell sci list for at least n entries */
3803 static void nb_realloc_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3804 {
3805     nbl->sci_nalloc = over_alloc_small(n);
3806     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->sci,
3807                        nbl->nsci*sizeof(*nbl->sci),
3808                        nbl->sci_nalloc*sizeof(*nbl->sci),
3809                        nbl->alloc, nbl->free);
3810 }
3811
3812 /* Make a new ci entry at index nbl->nci */
3813 static void new_ci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int ci, int shift, int flags)
3814 {
3815     if (nbl->nci + 1 > nbl->ci_nalloc)
3816     {
3817         nb_realloc_ci(nbl, nbl->nci+1);
3818     }
3819     nbl->ci[nbl->nci].ci            = ci;
3820     nbl->ci[nbl->nci].shift         = shift;
3821     /* Store the interaction flags along with the shift */
3822     nbl->ci[nbl->nci].shift        |= flags;
3823     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start  = nbl->ncj;
3824     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end    = nbl->ncj;
3825 }
3826
3827 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
3828 static void new_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int sci, int shift)
3829 {
3830     if (nbl->nsci + 1 > nbl->sci_nalloc)
3831     {
3832         nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3833     }
3834     nbl->sci[nbl->nsci].sci           = sci;
3835     nbl->sci[nbl->nsci].shift         = shift;
3836     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start = nbl->ncj4;
3837     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end   = nbl->ncj4;
3838 }
3839
3840 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
3841  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
3842  */
3843 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t *cj, int ncj,
3844                          nbnxn_list_work_t *work)
3845 {
3846     int jnew, j;
3847
3848     if (ncj > work->cj_nalloc)
3849     {
3850         work->cj_nalloc = over_alloc_large(ncj);
3851         srenew(work->cj, work->cj_nalloc);
3852     }
3853
3854     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
3855     jnew = 0;
3856     for (j = 0; j < ncj; j++)
3857     {
3858         if (cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3859         {
3860             work->cj[jnew++] = cj[j];
3861         }
3862     }
3863     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
3864     if (!((jnew == 0) ||
3865           (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)))
3866     {
3867         for (j = 0; j < ncj; j++)
3868         {
3869             if (cj[j].excl == NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3870             {
3871                 work->cj[jnew++] = cj[j];
3872             }
3873         }
3874         for (j = 0; j < ncj; j++)
3875         {
3876             cj[j] = work->cj[j];
3877         }
3878     }
3879 }
3880
3881 /* Close this simple list i entry */
3882 static void close_ci_entry_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3883 {
3884     int jlen;
3885
3886     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3887      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3888      */
3889     jlen = nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end - nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start;
3890     if (jlen > 0)
3891     {
3892         sort_cj_excl(nbl->cj+nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start, jlen, nbl->work);
3893
3894         /* The counts below are used for non-bonded pair/flop counts
3895          * and should therefore match the available kernel setups.
3896          */
3897         if (!(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
3898         {
3899             nbl->work->ncj_noq += jlen;
3900         }
3901         else if ((nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0)) ||
3902                  !(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_LJ(0)))
3903         {
3904             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
3905         }
3906
3907         nbl->nci++;
3908     }
3909 }
3910
3911 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
3912  * Splitting ensures we have enough lists to fully utilize the whole GPU.
3913  * With progBal we generate progressively smaller lists, which improves
3914  * load balancing. As we only know the current count on our own thread,
3915  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
3916  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
3917  * both on nthread and our own thread index.
3918  */
3919 static void split_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3920                             int nsp_max_av, gmx_bool progBal, int nc_bal,
3921                             int thread, int nthread)
3922 {
3923     int nsci_est;
3924     int nsp_max;
3925     int cj4_start, cj4_end, j4len, cj4;
3926     int sci;
3927     int nsp, nsp_sci, nsp_cj4, nsp_cj4_e, nsp_cj4_p;
3928     int p;
3929
3930     if (progBal)
3931     {
3932         /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
3933          * over all threads using the target number of ci's.
3934          */
3935         nsci_est = nc_bal*thread/nthread + nbl->nsci;
3936
3937         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
3938          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
3939          */
3940         nsp_max = max(1,
3941                       nsp_max_av*nc_bal*3/(2*(nsci_est - 1 + nc_bal)));
3942     }
3943     else
3944     {
3945         nsp_max = nsp_max_av;
3946     }
3947
3948     cj4_start = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_start;
3949     cj4_end   = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_end;
3950     j4len     = cj4_end - cj4_start;
3951
3952     if (j4len > 1 && j4len*GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE > nsp_max)
3953     {
3954         /* Remove the last ci entry and process the cj4's again */
3955         nbl->nsci -= 1;
3956
3957         sci        = nbl->nsci;
3958         nsp        = 0;
3959         nsp_sci    = 0;
3960         nsp_cj4_e  = 0;
3961         nsp_cj4    = 0;
3962         for (cj4 = cj4_start; cj4 < cj4_end; cj4++)
3963         {
3964             nsp_cj4_p = nsp_cj4;
3965             /* Count the number of cluster pairs in this cj4 group */
3966             nsp_cj4   = 0;
3967             for (p = 0; p < GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; p++)
3968             {
3969                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
3970             }
3971
3972             if (nsp_cj4 > 0 && nsp + nsp_cj4 > nsp_max)
3973             {
3974                 /* Split the list at cj4 */
3975                 nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4;
3976                 /* Create a new sci entry */
3977                 sci++;
3978                 nbl->nsci++;
3979                 if (nbl->nsci+1 > nbl->sci_nalloc)
3980                 {
3981                     nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3982                 }
3983                 nbl->sci[sci].sci           = nbl->sci[nbl->nsci-1].sci;
3984                 nbl->sci[sci].shift         = nbl->sci[nbl->nsci-1].shift;
3985                 nbl->sci[sci].cj4_ind_start = cj4;
3986                 nsp_sci                     = nsp;
3987                 nsp_cj4_e                   = nsp_cj4_p;
3988                 nsp                         = 0;
3989             }
3990             nsp += nsp_cj4;
3991         }
3992
3993         /* Put the remaining cj4's in the last sci entry */
3994         nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4_end;
3995
3996         /* Possibly balance out the last two sci's
3997          * by moving the last cj4 of the second last sci.
3998          */
3999         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
4000         {
4001             nbl->sci[sci-1].cj4_ind_end--;
4002             nbl->sci[sci].cj4_ind_start--;
4003         }
4004
4005         nbl->nsci++;
4006     }
4007 }
4008
4009 /* Clost this super/sub list i entry */
4010 static void close_ci_entry_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
4011                                     int nsp_max_av,
4012                                     gmx_bool progBal, int nc_bal,
4013                                     int thread, int nthread)
4014 {
4015     int j4len, tlen;
4016     int nb, b;
4017
4018     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
4019      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
4020      */
4021     j4len = nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end - nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start;
4022     if (j4len > 0)
4023     {
4024         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
4025          * so round the count up before closing.
4026          */
4027         nbl->ncj4         = ((nbl->work->cj_ind + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
4028         nbl->work->cj_ind = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
4029
4030         nbl->nsci++;
4031
4032         if (nsp_max_av > 0)
4033         {
4034             /* Measure the size of the new entry and potentially split it */
4035             split_sci_entry(nbl, nsp_max_av, progBal, nc_bal, thread, nthread);
4036         }
4037     }
4038 }
4039
4040 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the list */
4041 static void sync_work(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4042 {
4043     if (!nbl->bSimple)
4044     {
4045         nbl->work->cj_ind   = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
4046         nbl->work->cj4_init = nbl->ncj4;
4047     }
4048 }
4049
4050 /* Clears an nbnxn_pairlist_t data structure */
4051 static void clear_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4052 {
4053     nbl->nci           = 0;
4054     nbl->nsci          = 0;
4055     nbl->ncj           = 0;
4056     nbl->ncj4          = 0;
4057     nbl->nci_tot       = 0;
4058     nbl->nexcl         = 1;
4059
4060     nbl->work->ncj_noq = 0;
4061     nbl->work->ncj_hlj = 0;
4062 }
4063
4064 /* Clears a group scheme pair list */
4065 static void clear_pairlist_fep(t_nblist *nl)
4066 {
4067     nl->nri = 0;
4068     nl->nrj = 0;
4069     if (nl->jindex == NULL)
4070     {
4071         snew(nl->jindex, 1);
4072     }
4073     nl->jindex[0] = 0;
4074 }
4075
4076 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
4077 static gmx_inline void set_icell_bb_simple(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
4078                                            real shx, real shy, real shz,
4079                                            nbnxn_bb_t *bb_ci)
4080 {
4081     bb_ci->lower[BB_X] = bb[ci].lower[BB_X] + shx;
4082     bb_ci->lower[BB_Y] = bb[ci].lower[BB_Y] + shy;
4083     bb_ci->lower[BB_Z] = bb[ci].lower[BB_Z] + shz;
4084     bb_ci->upper[BB_X] = bb[ci].upper[BB_X] + shx;
4085     bb_ci->upper[BB_Y] = bb[ci].upper[BB_Y] + shy;
4086     bb_ci->upper[BB_Z] = bb[ci].upper[BB_Z] + shz;
4087 }
4088
4089 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4090 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
4091 static void set_icell_bbxxxx_supersub(const float *bb, int ci,
4092                                       real shx, real shy, real shz,
4093                                       float *bb_ci)
4094 {
4095     int ia, m, i;
4096
4097     ia = ci*(GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX;
4098     for (m = 0; m < (GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX; m += NNBSBB_XXXX)
4099     {
4100         for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
4101         {
4102             bb_ci[m+0*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+0*STRIDE_PBB+i] + shx;
4103             bb_ci[m+1*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+1*STRIDE_PBB+i] + shy;
4104             bb_ci[m+2*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+2*STRIDE_PBB+i] + shz;
4105             bb_ci[m+3*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+3*STRIDE_PBB+i] + shx;
4106             bb_ci[m+4*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+4*STRIDE_PBB+i] + shy;
4107             bb_ci[m+5*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+5*STRIDE_PBB+i] + shz;
4108         }
4109     }
4110 }
4111 #endif
4112
4113 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
4114 static void set_icell_bb_supersub(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
4115                                   real shx, real shy, real shz,
4116                                   nbnxn_bb_t *bb_ci)
4117 {
4118     int i;
4119
4120     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL; i++)
4121     {
4122         set_icell_bb_simple(bb, ci*GPU_NSUBCELL+i,
4123                             shx, shy, shz,
4124                             &bb_ci[i]);
4125     }
4126 }
4127
4128 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
4129 static void icell_set_x_simple(int ci,
4130                                real shx, real shy, real shz,
4131                                int gmx_unused na_c,
4132                                int stride, const real *x,
4133                                nbnxn_list_work_t *work)
4134 {
4135     int  ia, i;
4136
4137     ia = ci*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
4138
4139     for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; i++)
4140     {
4141         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] = x[(ia+i)*stride+XX] + shx;
4142         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] = x[(ia+i)*stride+YY] + shy;
4143         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] = x[(ia+i)*stride+ZZ] + shz;
4144     }
4145 }
4146
4147 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
4148 static void icell_set_x_supersub(int ci,
4149                                  real shx, real shy, real shz,
4150                                  int na_c,
4151                                  int stride, const real *x,
4152                                  nbnxn_list_work_t *work)
4153 {
4154     int   ia, i;
4155     real *x_ci;
4156
4157     x_ci = work->x_ci;
4158
4159     ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c;
4160     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL*na_c; i++)
4161     {
4162         x_ci[i*DIM + XX] = x[(ia+i)*stride + XX] + shx;
4163         x_ci[i*DIM + YY] = x[(ia+i)*stride + YY] + shy;
4164         x_ci[i*DIM + ZZ] = x[(ia+i)*stride + ZZ] + shz;
4165     }
4166 }
4167
4168 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
4169 /* Copies PBC shifted super-cell packed atom coordinates to working array */
4170 static void icell_set_x_supersub_simd4(int ci,
4171                                        real shx, real shy, real shz,
4172                                        int na_c,
4173                                        int stride, const real *x,
4174                                        nbnxn_list_work_t *work)
4175 {
4176     int   si, io, ia, i, j;
4177     real *x_ci;
4178
4179     x_ci = work->x_ci;
4180
4181     for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
4182     {
4183         for (i = 0; i < na_c; i += STRIDE_PBB)
4184         {
4185             io = si*na_c + i;
4186             ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c + io;
4187             for (j = 0; j < STRIDE_PBB; j++)
4188             {
4189                 x_ci[io*DIM + j + XX*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+XX] + shx;
4190                 x_ci[io*DIM + j + YY*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+YY] + shy;
4191                 x_ci[io*DIM + j + ZZ*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+ZZ] + shz;
4192             }
4193         }
4194     }
4195 }
4196 #endif
4197
4198 static real minimum_subgrid_size_xy(const nbnxn_grid_t *grid)
4199 {
4200     if (grid->bSimple)
4201     {
4202         return min(grid->sx, grid->sy);
4203     }
4204     else
4205     {
4206         return min(grid->sx/GPU_NSUBCELL_X, grid->sy/GPU_NSUBCELL_Y);
4207     }
4208 }
4209
4210 static real effective_buffer_1x1_vs_MxN(const nbnxn_grid_t *gridi,
4211                                         const nbnxn_grid_t *gridj)
4212 {
4213     const real eff_1x1_buffer_fac_overest = 0.1;
4214
4215     /* Determine an atom-pair list cut-off buffer size for atom pairs,
4216      * to be added to rlist (including buffer) used for MxN.
4217      * This is for converting an MxN list to a 1x1 list. This means we can't
4218      * use the normal buffer estimate, as we have an MxN list in which
4219      * some atom pairs beyond rlist are missing. We want to capture
4220      * the beneficial effect of buffering by extra pairs just outside rlist,
4221      * while removing the useless pairs that are further away from rlist.
4222      * (Also the buffer could have been set manually not using the estimate.)
4223      * This buffer size is an overestimate.
4224      * We add 10% of the smallest grid sub-cell dimensions.
4225      * Note that the z-size differs per cell and we don't use this,
4226      * so we overestimate.
4227      * With PME, the 10% value gives a buffer that is somewhat larger
4228      * than the effective buffer with a tolerance of 0.005 kJ/mol/ps.
4229      * Smaller tolerances or using RF lead to a smaller effective buffer,
4230      * so 10% gives a safe overestimate.
4231      */
4232     return eff_1x1_buffer_fac_overest*(minimum_subgrid_size_xy(gridi) +
4233                                        minimum_subgrid_size_xy(gridj));
4234 }
4235
4236 /* Clusters at the cut-off only increase rlist by 60% of their size */
4237 static real nbnxn_rlist_inc_outside_fac = 0.6;
4238
4239 /* Due to the cluster size the effective pair-list is longer than
4240  * that of a simple atom pair-list. This function gives the extra distance.
4241  */
4242 real nbnxn_get_rlist_effective_inc(int cluster_size_j, real atom_density)
4243 {
4244     int  cluster_size_i;
4245     real vol_inc_i, vol_inc_j;
4246
4247     /* We should get this from the setup, but currently it's the same for
4248      * all setups, including GPUs.
4249      */
4250     cluster_size_i = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
4251
4252     vol_inc_i = (cluster_size_i - 1)/atom_density;
4253     vol_inc_j = (cluster_size_j - 1)/atom_density;
4254
4255     return nbnxn_rlist_inc_outside_fac*pow(vol_inc_i + vol_inc_j, 1.0/3.0);
4256 }
4257
4258 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
4259 static real nonlocal_vol2(const gmx_domdec_zones_t *zones, rvec ls, real r)
4260 {
4261     int  z, d;
4262     real cl, ca, za;
4263     real vold_est;
4264     real vol2_est_tot;
4265
4266     vol2_est_tot = 0;
4267
4268     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
4269      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
4270      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
4271      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
4272      * as small parts as possible.
4273      */
4274
4275     for (z = 0; z < zones->n; z++)
4276     {
4277         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
4278         {
4279             cl = 0;
4280             ca = 1;
4281             za = 1;
4282             for (d = 0; d < DIM; d++)
4283             {
4284                 if (zones->shift[z][d] == 0)
4285                 {
4286                     cl += 0.5*ls[d];
4287                     ca *= ls[d];
4288                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
4289                 }
4290             }
4291
4292             /* 4 octants of a sphere */
4293             vold_est  = 0.25*M_PI*r*r*r*r;
4294             /* 4 quarter pie slices on the edges */
4295             vold_est += 4*cl*M_PI/6.0*r*r*r;
4296             /* One rectangular volume on a face */
4297             vold_est += ca*0.5*r*r;
4298
4299             vol2_est_tot += vold_est*za;
4300         }
4301     }
4302
4303     return vol2_est_tot;
4304 }
4305
4306 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
4307 static int get_nsubpair_max(const nbnxn_search_t nbs,
4308                             int                  iloc,
4309                             real                 rlist,
4310                             int                  min_ci_balanced)
4311 {
4312     const nbnxn_grid_t *grid;
4313     rvec                ls;
4314     real                xy_diag2, r_eff_sup, vol_est, nsp_est, nsp_est_nl;
4315     int                 nsubpair_max;
4316
4317     grid = &nbs->grid[0];
4318
4319     ls[XX] = (grid->c1[XX] - grid->c0[XX])/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X);
4320     ls[YY] = (grid->c1[YY] - grid->c0[YY])/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y);
4321     ls[ZZ] = (grid->c1[ZZ] - grid->c0[ZZ])*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z);
4322
4323     /* The average squared length of the diagonal of a sub cell */
4324     xy_diag2 = ls[XX]*ls[XX] + ls[YY]*ls[YY] + ls[ZZ]*ls[ZZ];
4325
4326     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
4327     r_eff_sup = rlist + nbnxn_rlist_inc_outside_fac*sqr((grid->na_c - 1.0)/grid->na_c)*sqrt(xy_diag2/3);
4328
4329     if (!nbs->DomDec || nbs->zones->n == 1)
4330     {
4331         nsp_est_nl = 0;
4332     }
4333     else
4334     {
4335         nsp_est_nl =
4336             sqr(grid->atom_density/grid->na_c)*
4337             nonlocal_vol2(nbs->zones, ls, r_eff_sup);
4338     }
4339
4340     if (LOCAL_I(iloc))
4341     {
4342         /* Sub-cell interacts with itself */
4343         vol_est  = ls[XX]*ls[YY]*ls[ZZ];
4344         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
4345         vol_est += (ls[XX]*ls[YY] + ls[XX]*ls[ZZ] + ls[YY]*ls[ZZ])*r_eff_sup;
4346         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
4347         vol_est += 2*(ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ])*0.25*M_PI*sqr(r_eff_sup);
4348         /* 4 octants of a sphere */
4349         vol_est += 0.5*4.0/3.0*M_PI*pow(r_eff_sup, 3);
4350
4351         nsp_est = grid->nsubc_tot*vol_est*grid->atom_density/grid->na_c;
4352
4353         /* Subtract the non-local pair count */
4354         nsp_est -= nsp_est_nl;
4355
4356         if (debug)
4357         {
4358             fprintf(debug, "nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n",
4359                     nsp_est, nsp_est_nl);
4360         }
4361     }
4362     else
4363     {
4364         nsp_est = nsp_est_nl;
4365     }
4366
4367     if (min_ci_balanced <= 0 || grid->nc >= min_ci_balanced || grid->nc == 0)
4368     {
4369         /* We don't need to worry */
4370         nsubpair_max = -1;
4371     }
4372     else
4373     {
4374         /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows */
4375         nsubpair_max = max(1, (int)(nsp_est/min_ci_balanced+0.5));
4376
4377         /* Since the target value is a maximum (this avoids high outliers,
4378          * which lead to load imbalance), not average, we add half the
4379          * number of pairs in a cj4 block to get the average about right.
4380          */
4381         nsubpair_max += GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE/2;
4382     }
4383
4384     if (debug)
4385     {
4386         fprintf(debug, "nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_max %d\n",
4387                 nsp_est, nsubpair_max);
4388     }
4389
4390     return nsubpair_max;
4391 }
4392
4393 /* Debug list print function */
4394 static void print_nblist_ci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
4395 {
4396     int i, j;
4397
4398     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
4399     {
4400         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n",
4401                 nbl->ci[i].ci, nbl->ci[i].shift,
4402                 nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start);
4403
4404         for (j = nbl->ci[i].cj_ind_start; j < nbl->ci[i].cj_ind_end; j++)
4405         {
4406             fprintf(fp, "  cj %5d  imask %x\n",
4407                     nbl->cj[j].cj,
4408                     nbl->cj[j].excl);
4409         }
4410     }
4411 }
4412
4413 /* Debug list print function */
4414 static void print_nblist_sci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
4415 {
4416     int i, j4, j, ncp, si;
4417
4418     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
4419     {
4420         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n",
4421                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
4422                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start);
4423
4424         ncp = 0;
4425         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
4426         {
4427             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
4428             {
4429                 fprintf(fp, "  sj %5d  imask %x\n",
4430                         nbl->cj4[j4].cj[j],
4431                         nbl->cj4[j4].imei[0].imask);
4432                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
4433                 {
4434                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
4435                     {
4436                         ncp++;
4437                     }
4438                 }
4439             }
4440         }
4441         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d ncp %3d\n",
4442                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
4443                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start,
4444                 ncp);
4445     }
4446 }
4447
4448 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
4449 static void combine_nblists(int nnbl, nbnxn_pairlist_t **nbl,
4450                             nbnxn_pairlist_t *nblc)
4451 {
4452     int nsci, ncj4, nexcl;
4453     int n, i;
4454
4455     if (nblc->bSimple)
4456     {
4457         gmx_incons("combine_nblists does not support simple lists");
4458     }
4459
4460     nsci  = nblc->nsci;
4461     ncj4  = nblc->ncj4;
4462     nexcl = nblc->nexcl;
4463     for (i = 0; i < nnbl; i++)
4464     {
4465         nsci  += nbl[i]->nsci;
4466         ncj4  += nbl[i]->ncj4;
4467         nexcl += nbl[i]->nexcl;
4468     }
4469
4470     if (nsci > nblc->sci_nalloc)
4471     {
4472         nb_realloc_sci(nblc, nsci);
4473     }
4474     if (ncj4 > nblc->cj4_nalloc)
4475     {
4476         nblc->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4);
4477         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->cj4,
4478                            nblc->ncj4*sizeof(*nblc->cj4),
4479                            nblc->cj4_nalloc*sizeof(*nblc->cj4),
4480                            nblc->alloc, nblc->free);
4481     }
4482     if (nexcl > nblc->excl_nalloc)
4483     {
4484         nblc->excl_nalloc = over_alloc_small(nexcl);
4485         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->excl,
4486                            nblc->nexcl*sizeof(*nblc->excl),
4487                            nblc->excl_nalloc*sizeof(*nblc->excl),
4488                            nblc->alloc, nblc->free);
4489     }
4490
4491     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
4492      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
4493      */
4494 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
4495     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4496     {
4497         int                     sci_offset;
4498         int                     cj4_offset;
4499         int                     ci_offset;
4500         int                     excl_offset;
4501         int                     i, j4;
4502         const nbnxn_pairlist_t *nbli;
4503
4504         /* Determine the offset in the combined data for our thread */
4505         sci_offset  = nblc->nsci;
4506         cj4_offset  = nblc->ncj4;
4507         ci_offset   = nblc->nci_tot;
4508         excl_offset = nblc->nexcl;
4509
4510         for (i = 0; i < n; i++)
4511         {
4512             sci_offset  += nbl[i]->nsci;
4513             cj4_offset  += nbl[i]->ncj4;
4514             ci_offset   += nbl[i]->nci_tot;
4515             excl_offset += nbl[i]->nexcl;
4516         }
4517
4518         nbli = nbl[n];
4519
4520         for (i = 0; i < nbli->nsci; i++)
4521         {
4522             nblc->sci[sci_offset+i]                = nbli->sci[i];
4523             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_start += cj4_offset;
4524             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_end   += cj4_offset;
4525         }
4526
4527         for (j4 = 0; j4 < nbli->ncj4; j4++)
4528         {
4529             nblc->cj4[cj4_offset+j4]                   = nbli->cj4[j4];
4530             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
4531             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
4532         }
4533
4534         for (j4 = 0; j4 < nbli->nexcl; j4++)
4535         {
4536             nblc->excl[excl_offset+j4] = nbli->excl[j4];
4537         }
4538     }
4539
4540     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4541     {
4542         nblc->nsci    += nbl[n]->nsci;
4543         nblc->ncj4    += nbl[n]->ncj4;
4544         nblc->nci_tot += nbl[n]->nci_tot;
4545         nblc->nexcl   += nbl[n]->nexcl;
4546     }
4547 }
4548
4549 static void balance_fep_lists(const nbnxn_search_t  nbs,
4550                               nbnxn_pairlist_set_t *nbl_lists)
4551 {
4552     int       nnbl, th;
4553     int       nri_tot, nrj_tot, nrj_target;
4554     int       th_dest;
4555     t_nblist *nbld;
4556
4557     nnbl = nbl_lists->nnbl;
4558
4559     if (nnbl == 1)
4560     {
4561         /* Nothing to balance */
4562         return;
4563     }
4564
4565     /* Count the total i-lists and pairs */
4566     nri_tot = 0;
4567     nrj_tot = 0;
4568     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4569     {
4570         nri_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nri;
4571         nrj_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj;
4572     }
4573
4574     nrj_target = (nrj_tot + nnbl - 1)/nnbl;
4575
4576     assert(gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) == nnbl);
4577
4578 #pragma omp parallel for schedule(static) num_threads(nnbl)
4579     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4580     {
4581         t_nblist *nbl;
4582
4583         nbl = nbs->work[th].nbl_fep;
4584
4585         /* Note that here we allocate for the total size, instead of
4586          * a per-thread esimate (which is hard to obtain).
4587          */
4588         if (nri_tot > nbl->maxnri)
4589         {
4590             nbl->maxnri = over_alloc_large(nri_tot);
4591             reallocate_nblist(nbl);
4592         }
4593         if (nri_tot > nbl->maxnri || nrj_tot > nbl->maxnrj)
4594         {
4595             nbl->maxnrj = over_alloc_small(nrj_tot);
4596             srenew(nbl->jjnr, nbl->maxnrj);
4597             srenew(nbl->excl_fep, nbl->maxnrj);
4598         }
4599
4600         clear_pairlist_fep(nbl);
4601     }
4602
4603     /* Loop over the source lists and assign and copy i-entries */
4604     th_dest = 0;
4605     nbld    = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
4606     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4607     {
4608         t_nblist *nbls;
4609         int       i, j;
4610
4611         nbls = nbl_lists->nbl_fep[th];
4612
4613         for (i = 0; i < nbls->nri; i++)
4614         {
4615             int nrj;
4616
4617             /* The number of pairs in this i-entry */
4618             nrj = nbls->jindex[i+1] - nbls->jindex[i];
4619
4620             /* Decide if list th_dest is too large and we should procede
4621              * to the next destination list.
4622              */
4623             if (th_dest+1 < nnbl && nbld->nrj > 0 &&
4624                 nbld->nrj + nrj - nrj_target > nrj_target - nbld->nrj)
4625             {
4626                 th_dest++;
4627                 nbld = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
4628             }
4629
4630             nbld->iinr[nbld->nri]  = nbls->iinr[i];
4631             nbld->gid[nbld->nri]   = nbls->gid[i];
4632             nbld->shift[nbld->nri] = nbls->shift[i];
4633
4634             for (j = nbls->jindex[i]; j < nbls->jindex[i+1]; j++)
4635             {
4636                 nbld->jjnr[nbld->nrj]     = nbls->jjnr[j];
4637                 nbld->excl_fep[nbld->nrj] = nbls->excl_fep[j];
4638                 nbld->nrj++;
4639             }
4640             nbld->nri++;
4641             nbld->jindex[nbld->nri] = nbld->nrj;
4642         }
4643     }
4644
4645     /* Swap the list pointers */
4646     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4647     {
4648         t_nblist *nbl_tmp;
4649
4650         nbl_tmp                = nbl_lists->nbl_fep[th];
4651         nbl_lists->nbl_fep[th] = nbs->work[th].nbl_fep;
4652         nbs->work[th].nbl_fep  = nbl_tmp;
4653
4654         if (debug)
4655         {
4656             fprintf(debug, "nbl_fep[%d] nri %4d nrj %4d\n",
4657                     th,
4658                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nri,
4659                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj);
4660         }
4661     }
4662 }
4663
4664 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
4665 static gmx_bool next_ci(const nbnxn_grid_t *grid,
4666                         int conv,
4667                         int nth, int ci_block,
4668                         int *ci_x, int *ci_y,
4669                         int *ci_b, int *ci)
4670 {
4671     (*ci_b)++;
4672     (*ci)++;
4673
4674     if (*ci_b == ci_block)
4675     {
4676         /* Jump to the next block assigned to this task */
4677         *ci   += (nth - 1)*ci_block;
4678         *ci_b  = 0;
4679     }
4680
4681     if (*ci >= grid->nc*conv)
4682     {
4683         return FALSE;
4684     }
4685
4686     while (*ci >= grid->cxy_ind[*ci_x*grid->ncy + *ci_y + 1]*conv)
4687     {
4688         *ci_y += 1;
4689         if (*ci_y == grid->ncy)
4690         {
4691             *ci_x += 1;
4692             *ci_y  = 0;
4693         }
4694     }
4695
4696     return TRUE;
4697 }
4698
4699 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
4700  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
4701  */
4702 static float boundingbox_only_distance2(const nbnxn_grid_t *gridi,
4703                                         const nbnxn_grid_t *gridj,
4704                                         real                rlist,
4705                                         gmx_bool            simple)
4706 {
4707     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
4708      * than this distance, do not check the distance between
4709      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
4710      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
4711      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
4712      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
4713      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
4714      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
4715      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
4716      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
4717      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
4718      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
4719      */
4720     real bbx, bby;
4721     real rbb2;
4722
4723     bbx = 0.5*(gridi->sx + gridj->sx);
4724     bby = 0.5*(gridi->sy + gridj->sy);
4725     if (!simple)
4726     {
4727         bbx /= GPU_NSUBCELL_X;
4728         bby /= GPU_NSUBCELL_Y;
4729     }
4730
4731     rbb2 = sqr(max(0, rlist - 0.5*sqrt(bbx*bbx + bby*bby)));
4732
4733 #ifndef GMX_DOUBLE
4734     return rbb2;
4735 #else
4736     return (float)((1+GMX_FLOAT_EPS)*rbb2);
4737 #endif
4738 }
4739
4740 static int get_ci_block_size(const nbnxn_grid_t *gridi,
4741                              gmx_bool bDomDec, int nth)
4742 {
4743     const int ci_block_enum      = 5;
4744     const int ci_block_denom     = 11;
4745     const int ci_block_min_atoms = 16;
4746     int       ci_block;
4747
4748     /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
4749      * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
4750      * a multiple of the number of threads, which would lead to some
4751      * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
4752      * which in turns will lead to load imbalance between threads.
4753      * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
4754      * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
4755      * of the grid parts of the different thread along all three grid
4756      * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
4757      * the blocks will not become too small.
4758      */
4759     ci_block = (gridi->nc*ci_block_enum)/(ci_block_denom*gridi->ncx*nth);
4760
4761     /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
4762     if (ci_block*gridi->na_sc < ci_block_min_atoms)
4763     {
4764         ci_block = (ci_block_min_atoms + gridi->na_sc - 1)/gridi->na_sc;
4765     }
4766
4767     /* Without domain decomposition
4768      * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
4769      */
4770     if (!bDomDec || ci_block*3*nth > gridi->nc)
4771     {
4772         ci_block = (gridi->nc + nth - 1)/nth;
4773     }
4774
4775     return ci_block;
4776 }
4777
4778 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
4779 static void nbnxn_make_pairlist_part(const nbnxn_search_t nbs,
4780                                      const nbnxn_grid_t *gridi,
4781                                      const nbnxn_grid_t *gridj,
4782                                      nbnxn_search_work_t *work,
4783                                      const nbnxn_atomdata_t *nbat,
4784                                      const t_blocka *excl,
4785                                      real rlist,
4786                                      int nb_kernel_type,
4787                                      int ci_block,
4788                                      gmx_bool bFBufferFlag,
4789                                      int nsubpair_max,
4790                                      gmx_bool progBal,
4791                                      int min_ci_balanced,
4792                                      int th, int nth,
4793                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
4794                                      t_nblist *nbl_fep)
4795 {
4796     int               na_cj_2log;
4797     matrix            box;
4798     real              rl2, rl_fep2 = 0;
4799     float             rbb2;
4800     int               d;
4801     int               ci_b, ci, ci_x, ci_y, ci_xy, cj;
4802     ivec              shp;
4803     int               tx, ty, tz;
4804     int               shift;
4805     gmx_bool          bMakeList;
4806     real              shx, shy, shz;
4807     int               conv_i, cell0_i;
4808     const nbnxn_bb_t *bb_i = NULL;
4809 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4810     const float      *pbb_i = NULL;
4811 #endif
4812     const float      *bbcz_i, *bbcz_j;
4813     const int        *flags_i;
4814     real              bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1;
4815     real              bz1_frac;
4816     real              d2cx, d2z, d2z_cx, d2z_cy, d2zx, d2zxy, d2xy;
4817     int               cxf, cxl, cyf, cyf_x, cyl;
4818     int               cx, cy;
4819     int               c0, c1, cs, cf, cl;
4820     int               ndistc;
4821     int               ncpcheck;
4822     int               gridi_flag_shift = 0, gridj_flag_shift = 0;
4823     unsigned int     *gridj_flag       = NULL;
4824     int               ncj_old_i, ncj_old_j;
4825
4826     nbs_cycle_start(&work->cc[enbsCCsearch]);
4827
4828     if (gridj->bSimple != nbl->bSimple)
4829     {
4830         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
4831     }
4832
4833     sync_work(nbl);
4834     nbl->na_sc = gridj->na_sc;
4835     nbl->na_ci = gridj->na_c;
4836     nbl->na_cj = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
4837     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
4838
4839     nbl->rlist  = rlist;
4840
4841     if (bFBufferFlag)
4842     {
4843         /* Determine conversion of clusters to flag blocks */
4844         gridi_flag_shift = 0;
4845         while ((nbl->na_ci<<gridi_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4846         {
4847             gridi_flag_shift++;
4848         }
4849         gridj_flag_shift = 0;
4850         while ((nbl->na_cj<<gridj_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4851         {
4852             gridj_flag_shift++;
4853         }
4854
4855         gridj_flag = work->buffer_flags.flag;
4856     }
4857
4858     copy_mat(nbs->box, box);
4859
4860     rl2 = nbl->rlist*nbl->rlist;
4861
4862     if (nbs->bFEP && !nbl->bSimple)
4863     {
4864         /* Determine an atom-pair list cut-off distance for FEP atom pairs.
4865          * We should not simply use rlist, since then we would not have
4866          * the small, effective buffering of the NxN lists.
4867          * The buffer is on overestimate, but the resulting cost for pairs
4868          * beyond rlist is neglible compared to the FEP pairs within rlist.
4869          */
4870         rl_fep2 = nbl->rlist + effective_buffer_1x1_vs_MxN(gridi, gridj);
4871
4872         if (debug)
4873         {
4874             fprintf(debug, "nbl_fep atom-pair rlist %f\n", rl_fep2);
4875         }
4876         rl_fep2 = rl_fep2*rl_fep2;
4877     }
4878
4879     rbb2 = boundingbox_only_distance2(gridi, gridj, nbl->rlist, nbl->bSimple);
4880
4881     if (debug)
4882     {
4883         fprintf(debug, "nbl bounding box only distance %f\n", sqrt(rbb2));
4884     }
4885
4886     /* Set the shift range */
4887     for (d = 0; d < DIM; d++)
4888     {
4889         /* Check if we need periodicity shifts.
4890          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
4891          */
4892         if (d >= ePBC2npbcdim(nbs->ePBC) || nbs->dd_dim[d])
4893         {
4894             shp[d] = 0;
4895         }
4896         else
4897         {
4898             if (d == XX &&
4899                 box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < sqrt(rl2))
4900             {
4901                 shp[d] = 2;
4902             }
4903             else
4904             {
4905                 shp[d] = 1;
4906             }
4907         }
4908     }
4909
4910     if (nbl->bSimple && !gridi->bSimple)
4911     {
4912         conv_i  = gridi->na_sc/gridj->na_sc;
4913         bb_i    = gridi->bb_simple;
4914         bbcz_i  = gridi->bbcz_simple;
4915         flags_i = gridi->flags_simple;
4916     }
4917     else
4918     {
4919         conv_i  = 1;
4920 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4921         if (gridi->bSimple)
4922         {
4923             bb_i  = gridi->bb;
4924         }
4925         else
4926         {
4927             pbb_i = gridi->pbb;
4928         }
4929 #else
4930         /* We use the normal bounding box format for both grid types */
4931         bb_i  = gridi->bb;
4932 #endif
4933         bbcz_i  = gridi->bbcz;
4934         flags_i = gridi->flags;
4935     }
4936     cell0_i = gridi->cell0*conv_i;
4937
4938     bbcz_j = gridj->bbcz;
4939
4940     if (conv_i != 1)
4941     {
4942         /* Blocks of the conversion factor - 1 give a large repeat count
4943          * combined with a small block size. This should result in good
4944          * load balancing for both small and large domains.
4945          */
4946         ci_block = conv_i - 1;
4947     }
4948     if (debug)
4949     {
4950         fprintf(debug, "nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n",
4951                 gridi->nc, gridi->nc/(double)(gridi->ncx*gridi->ncy), ci_block);
4952     }
4953
4954     ndistc   = 0;
4955     ncpcheck = 0;
4956
4957     /* Initially ci_b and ci to 1 before where we want them to start,
4958      * as they will both be incremented in next_ci.
4959      */
4960     ci_b = -1;
4961     ci   = th*ci_block - 1;
4962     ci_x = 0;
4963     ci_y = 0;
4964     while (next_ci(gridi, conv_i, nth, ci_block, &ci_x, &ci_y, &ci_b, &ci))
4965     {
4966         if (nbl->bSimple && flags_i[ci] == 0)
4967         {
4968             continue;
4969         }
4970
4971         ncj_old_i = nbl->ncj;
4972
4973         d2cx = 0;
4974         if (gridj != gridi && shp[XX] == 0)
4975         {
4976             if (nbl->bSimple)
4977             {
4978                 bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X];
4979             }
4980             else
4981             {
4982                 bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx;
4983             }
4984             if (bx1 < gridj->c0[XX])
4985             {
4986                 d2cx = sqr(gridj->c0[XX] - bx1);
4987
4988                 if (d2cx >= rl2)
4989                 {
4990                     continue;
4991                 }
4992             }
4993         }
4994
4995         ci_xy = ci_x*gridi->ncy + ci_y;
4996
4997         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
4998         for (tz = -shp[ZZ]; tz <= shp[ZZ]; tz++)
4999         {
5000             shz = tz*box[ZZ][ZZ];
5001
5002             bz0 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D  ] + shz;
5003             bz1 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D+1] + shz;
5004
5005             if (tz == 0)
5006             {
5007                 d2z = 0;
5008             }
5009             else if (tz < 0)
5010             {
5011                 d2z = sqr(bz1);
5012             }
5013             else
5014             {
5015                 d2z = sqr(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
5016             }
5017
5018             d2z_cx = d2z + d2cx;
5019
5020             if (d2z_cx >= rl2)
5021             {
5022                 continue;
5023             }
5024
5025             bz1_frac =
5026                 bz1/((real)(gridi->cxy_ind[ci_xy+1] - gridi->cxy_ind[ci_xy]));
5027             if (bz1_frac < 0)
5028             {
5029                 bz1_frac = 0;
5030             }
5031             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
5032
5033             for (ty = -shp[YY]; ty <= shp[YY]; ty++)
5034             {
5035                 shy = ty*box[YY][YY] + tz*box[ZZ][YY];
5036
5037                 if (nbl->bSimple)
5038                 {
5039                     by0 = bb_i[ci].lower[BB_Y] + shy;
5040                     by1 = bb_i[ci].upper[BB_Y] + shy;
5041                 }
5042                 else
5043                 {
5044                     by0 = gridi->c0[YY] + (ci_y  )*gridi->sy + shy;
5045                     by1 = gridi->c0[YY] + (ci_y+1)*gridi->sy + shy;
5046                 }
5047
5048                 get_cell_range(by0, by1,
5049                                gridj->ncy, gridj->c0[YY], gridj->sy, gridj->inv_sy,
5050                                d2z_cx, rl2,
5051                                &cyf, &cyl);
5052
5053                 if (cyf > cyl)
5054                 {
5055                     continue;
5056                 }
5057
5058                 d2z_cy = d2z;
5059                 if (by1 < gridj->c0[YY])
5060                 {
5061                     d2z_cy += sqr(gridj->c0[YY] - by1);
5062                 }
5063                 else if (by0 > gridj->c1[YY])
5064                 {
5065                     d2z_cy += sqr(by0 - gridj->c1[YY]);
5066                 }
5067
5068                 for (tx = -shp[XX]; tx <= shp[XX]; tx++)
5069                 {
5070                     shift = XYZ2IS(tx, ty, tz);
5071
5072 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5073                     if (gridi == gridj && shift > CENTRAL)
5074                     {
5075                         continue;
5076                     }
5077 #endif
5078
5079                     shx = tx*box[XX][XX] + ty*box[YY][XX] + tz*box[ZZ][XX];
5080
5081                     if (nbl->bSimple)
5082                     {
5083                         bx0 = bb_i[ci].lower[BB_X] + shx;
5084                         bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X] + shx;
5085                     }
5086                     else
5087                     {
5088                         bx0 = gridi->c0[XX] + (ci_x  )*gridi->sx + shx;
5089                         bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx + shx;
5090                     }
5091
5092                     get_cell_range(bx0, bx1,
5093                                    gridj->ncx, gridj->c0[XX], gridj->sx, gridj->inv_sx,
5094                                    d2z_cy, rl2,
5095                                    &cxf, &cxl);
5096
5097                     if (cxf > cxl)
5098                     {
5099                         continue;
5100                     }
5101
5102                     if (nbl->bSimple)
5103                     {
5104                         new_ci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci]);
5105                     }
5106                     else
5107                     {
5108                         new_sci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift);
5109                     }
5110
5111 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5112                     if (cxf < ci_x)
5113 #else
5114                     if (shift == CENTRAL && gridi == gridj &&
5115                         cxf < ci_x)
5116 #endif
5117                     {
5118                         /* Leave the pairs with i > j.
5119                          * x is the major index, so skip half of it.
5120                          */
5121                         cxf = ci_x;
5122                     }
5123
5124                     if (nbl->bSimple)
5125                     {
5126                         set_icell_bb_simple(bb_i, ci, shx, shy, shz,
5127                                             nbl->work->bb_ci);
5128                     }
5129                     else
5130                     {
5131 #ifdef NBNXN_BBXXXX
5132                         set_icell_bbxxxx_supersub(pbb_i, ci, shx, shy, shz,
5133                                                   nbl->work->pbb_ci);
5134 #else
5135                         set_icell_bb_supersub(bb_i, ci, shx, shy, shz,
5136                                               nbl->work->bb_ci);
5137 #endif
5138                     }
5139
5140                     nbs->icell_set_x(cell0_i+ci, shx, shy, shz,
5141                                      gridi->na_c, nbat->xstride, nbat->x,
5142                                      nbl->work);
5143
5144                     for (cx = cxf; cx <= cxl; cx++)
5145                     {
5146                         d2zx = d2z;
5147                         if (gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx > bx1)
5148                         {
5149                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx - bx1);
5150                         }
5151                         else if (gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx < bx0)
5152                         {
5153                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx - bx0);
5154                         }
5155
5156 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5157                         if (gridi == gridj &&
5158                             cx == 0 && cyf < ci_y)
5159 #else
5160                         if (gridi == gridj &&
5161                             cx == 0 && shift == CENTRAL && cyf < ci_y)
5162 #endif
5163                         {
5164                             /* Leave the pairs with i > j.
5165                              * Skip half of y when i and j have the same x.
5166                              */
5167                             cyf_x = ci_y;
5168                         }
5169                         else
5170                         {
5171                             cyf_x = cyf;
5172                         }
5173
5174                         for (cy = cyf_x; cy <= cyl; cy++)
5175                         {
5176                             c0 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy];
5177                             c1 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy+1];
5178 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5179                             if (gridi == gridj &&
5180                                 shift == CENTRAL && c0 < ci)
5181                             {
5182                                 c0 = ci;
5183                             }
5184 #endif
5185
5186                             d2zxy = d2zx;
5187                             if (gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy > by1)
5188                             {
5189                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy - by1);
5190                             }
5191                             else if (gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy < by0)
5192                             {
5193                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy - by0);
5194                             }
5195                             if (c1 > c0 && d2zxy < rl2)
5196                             {
5197                                 cs = c0 + (int)(bz1_frac*(c1 - c0));
5198                                 if (cs >= c1)
5199                                 {
5200                                     cs = c1 - 1;
5201                                 }
5202
5203                                 d2xy = d2zxy - d2z;
5204
5205                                 /* Find the lowest cell that can possibly
5206                                  * be within range.
5207                                  */
5208                                 cf = cs;
5209                                 while (cf > c0 &&
5210                                        (bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] >= bz0 ||
5211                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] - bz0) < rl2))
5212                                 {
5213                                     cf--;
5214                                 }
5215
5216                                 /* Find the highest cell that can possibly
5217                                  * be within range.
5218                                  */
5219                                 cl = cs;
5220                                 while (cl < c1-1 &&
5221                                        (bbcz_j[cl*NNBSBB_D] <= bz1 ||
5222                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cl*NNBSBB_D] - bz1) < rl2))
5223                                 {
5224                                     cl++;
5225                                 }
5226
5227 #ifdef NBNXN_REFCODE
5228                                 {
5229                                     /* Simple reference code, for debugging,
5230                                      * overrides the more complex code above.
5231                                      */
5232                                     int k;
5233                                     cf = c1;
5234                                     cl = -1;
5235                                     for (k = c0; k < c1; k++)
5236                                     {
5237                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
5238                                             k < cf)
5239                                         {
5240                                             cf = k;
5241                                         }
5242                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
5243                                             k > cl)
5244                                         {
5245                                             cl = k;
5246                                         }
5247                                     }
5248                                 }
5249 #endif
5250
5251                                 if (gridi == gridj)
5252                                 {
5253                                     /* We want each atom/cell pair only once,
5254                                      * only use cj >= ci.
5255                                      */
5256 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5257                                     cf = max(cf, ci);
5258 #else
5259                                     if (shift == CENTRAL)
5260                                     {
5261                                         cf = max(cf, ci);
5262                                     }
5263 #endif
5264                                 }
5265
5266                                 if (cf <= cl)
5267                                 {
5268                                     /* For f buffer flags with simple lists */
5269                                     ncj_old_j = nbl->ncj;
5270
5271                                     switch (nb_kernel_type)
5272                                     {
5273                                         case nbnxnk4x4_PlainC:
5274                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, cl-cf+1);
5275
5276                                             make_cluster_list_simple(gridj,
5277                                                                      nbl, ci, cf, cl,
5278                                                                      (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5279                                                                      nbat->x,
5280                                                                      rl2, rbb2,
5281                                                                      &ndistc);
5282                                             break;
5283 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
5284                                         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
5285                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
5286                                             make_cluster_list_simd_4xn(gridj,
5287                                                                        nbl, ci, cf, cl,
5288                                                                        (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5289                                                                        nbat->x,
5290                                                                        rl2, rbb2,
5291                                                                        &ndistc);
5292                                             break;
5293 #endif
5294 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
5295                                         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
5296                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
5297                                             make_cluster_list_simd_2xnn(gridj,
5298                                                                         nbl, ci, cf, cl,
5299                                                                         (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5300                                                                         nbat->x,
5301                                                                         rl2, rbb2,
5302                                                                         &ndistc);
5303                                             break;
5304 #endif
5305                                         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
5306                                         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
5307                                             check_subcell_list_space_supersub(nbl, cl-cf+1);
5308                                             for (cj = cf; cj <= cl; cj++)
5309                                             {
5310                                                 make_cluster_list_supersub(gridi, gridj,
5311                                                                            nbl, ci, cj,
5312                                                                            (gridi == gridj && shift == CENTRAL && ci == cj),
5313                                                                            nbat->xstride, nbat->x,
5314                                                                            rl2, rbb2,
5315                                                                            &ndistc);
5316                                             }
5317                                             break;
5318                                     }
5319                                     ncpcheck += cl - cf + 1;
5320
5321                                     if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_j)
5322                                     {
5323                                         int cbf, cbl, cb;
5324
5325                                         cbf = nbl->cj[ncj_old_j].cj >> gridj_flag_shift;
5326                                         cbl = nbl->cj[nbl->ncj-1].cj >> gridj_flag_shift;
5327                                         for (cb = cbf; cb <= cbl; cb++)
5328                                         {
5329                                             gridj_flag[cb] = 1U<<th;
5330                                         }
5331                                     }
5332                                 }
5333                             }
5334                         }
5335                     }
5336
5337                     /* Set the exclusions for this ci list */
5338                     if (nbl->bSimple)
5339                     {
5340                         set_ci_top_excls(nbs,
5341                                          nbl,
5342                                          shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5343                                          gridj->na_c_2log,
5344                                          na_cj_2log,
5345                                          &(nbl->ci[nbl->nci]),
5346                                          excl);
5347
5348                         if (nbs->bFEP)
5349                         {
5350                             make_fep_list(nbs, nbat, nbl,
5351                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5352                                           &(nbl->ci[nbl->nci]),
5353                                           gridi, gridj, nbl_fep);
5354                         }
5355                     }
5356                     else
5357                     {
5358                         set_sci_top_excls(nbs,
5359                                           nbl,
5360                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5361                                           gridj->na_c_2log,
5362                                           &(nbl->sci[nbl->nsci]),
5363                                           excl);
5364
5365                         if (nbs->bFEP)
5366                         {
5367                             make_fep_list_supersub(nbs, nbat, nbl,
5368                                                    shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5369                                                    &(nbl->sci[nbl->nsci]),
5370                                                    shx, shy, shz,
5371                                                    rl_fep2,
5372                                                    gridi, gridj, nbl_fep);
5373                         }
5374                     }
5375
5376                     /* Close this ci list */
5377                     if (nbl->bSimple)
5378                     {
5379                         close_ci_entry_simple(nbl);
5380                     }
5381                     else
5382                     {
5383                         close_ci_entry_supersub(nbl,
5384                                                 nsubpair_max,
5385                                                 progBal, min_ci_balanced,
5386                                                 th, nth);
5387                     }
5388                 }
5389             }
5390         }
5391
5392         if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_i)
5393         {
5394             work->buffer_flags.flag[(gridi->cell0+ci)>>gridi_flag_shift] = 1U<<th;
5395         }
5396     }
5397
5398     work->ndistc = ndistc;
5399
5400     nbs_cycle_stop(&work->cc[enbsCCsearch]);
5401
5402     if (debug)
5403     {
5404         fprintf(debug, "number of distance checks %d\n", ndistc);
5405         fprintf(debug, "ncpcheck %s %d\n", gridi == gridj ? "local" : "non-local",
5406                 ncpcheck);
5407
5408         if (nbl->bSimple)
5409         {
5410             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl, nbs, rlist);
5411         }
5412         else
5413         {
5414             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl, nbs, rlist);
5415         }
5416
5417         if (nbs->bFEP)
5418         {
5419             fprintf(debug, "nbl FEP list pairs: %d\n", nbl_fep->nrj);
5420         }
5421     }
5422 }
5423
5424 static void reduce_buffer_flags(const nbnxn_search_t        nbs,
5425                                 int                         nsrc,
5426                                 const nbnxn_buffer_flags_t *dest)
5427 {
5428     int                 s, b;
5429     const unsigned int *flag;
5430
5431     for (s = 0; s < nsrc; s++)
5432     {
5433         flag = nbs->work[s].buffer_flags.flag;
5434
5435         for (b = 0; b < dest->nflag; b++)
5436         {
5437             dest->flag[b] |= flag[b];
5438         }
5439     }
5440 }
5441
5442 static void print_reduction_cost(const nbnxn_buffer_flags_t *flags, int nout)
5443 {
5444     int nelem, nkeep, ncopy, nred, b, c, out;
5445
5446     nelem = 0;
5447     nkeep = 0;
5448     ncopy = 0;
5449     nred  = 0;
5450     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
5451     {
5452         if (flags->flag[b] == 1)
5453         {
5454             /* Only flag 0 is set, no copy of reduction required */
5455             nelem++;
5456             nkeep++;
5457         }
5458         else if (flags->flag[b] > 0)
5459         {
5460             c = 0;
5461             for (out = 0; out < nout; out++)
5462             {
5463                 if (flags->flag[b] & (1U<<out))
5464                 {
5465                     c++;
5466                 }
5467             }
5468             nelem += c;
5469             if (c == 1)
5470             {
5471                 ncopy++;
5472             }
5473             else
5474             {
5475                 nred += c;
5476             }
5477         }
5478     }
5479
5480     fprintf(debug, "nbnxn reduction: #flag %d #list %d elem %4.2f, keep %4.2f copy %4.2f red %4.2f\n",
5481             flags->nflag, nout,
5482             nelem/(double)(flags->nflag),
5483             nkeep/(double)(flags->nflag),
5484             ncopy/(double)(flags->nflag),
5485             nred/(double)(flags->nflag));
5486 }
5487
5488 /* Perform a count (linear) sort to sort the smaller lists to the end.
5489  * This avoids load imbalance on the GPU, as large lists will be
5490  * scheduled and executed first and the smaller lists later.
5491  * Load balancing between multi-processors only happens at the end
5492  * and there smaller lists lead to more effective load balancing.
5493  * The sorting is done on the cj4 count, not on the actual pair counts.
5494  * Not only does this make the sort faster, but it also results in
5495  * better load balancing than using a list sorted on exact load.
5496  * This function swaps the pointer in the pair list to avoid a copy operation.
5497  */
5498 static void sort_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl)
5499 {
5500     nbnxn_list_work_t *work;
5501     int                m, i, s, s0, s1;
5502     nbnxn_sci_t       *sci_sort;
5503
5504     if (nbl->ncj4 <= nbl->nsci)
5505     {
5506         /* nsci = 0 or all sci have size 1, sorting won't change the order */
5507         return;
5508     }
5509
5510     work = nbl->work;
5511
5512     /* We will distinguish differences up to double the average */
5513     m = (2*nbl->ncj4)/nbl->nsci;
5514
5515     if (m + 1 > work->sort_nalloc)
5516     {
5517         work->sort_nalloc = over_alloc_large(m + 1);
5518         srenew(work->sort, work->sort_nalloc);
5519     }
5520
5521     if (work->sci_sort_nalloc != nbl->sci_nalloc)
5522     {
5523         work->sci_sort_nalloc = nbl->sci_nalloc;
5524         nbnxn_realloc_void((void **)&work->sci_sort,
5525                            0,
5526                            work->sci_sort_nalloc*sizeof(*work->sci_sort),
5527                            nbl->alloc, nbl->free);
5528     }
5529
5530     /* Count the entries of each size */
5531     for (i = 0; i <= m; i++)
5532     {
5533         work->sort[i] = 0;
5534     }
5535     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
5536     {
5537         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
5538         work->sort[i]++;
5539     }
5540     /* Calculate the offset for each count */
5541     s0            = work->sort[m];
5542     work->sort[m] = 0;
5543     for (i = m - 1; i >= 0; i--)
5544     {
5545         s1            = work->sort[i];
5546         work->sort[i] = work->sort[i + 1] + s0;
5547         s0            = s1;
5548     }
5549
5550     /* Sort entries directly into place */
5551     sci_sort = work->sci_sort;
5552     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
5553     {
5554         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
5555         sci_sort[work->sort[i]++] = nbl->sci[s];
5556     }
5557
5558     /* Swap the sci pointers so we use the new, sorted list */
5559     work->sci_sort = nbl->sci;
5560     nbl->sci       = sci_sort;
5561 }
5562
5563 /* Make a local or non-local pair-list, depending on iloc */
5564 void nbnxn_make_pairlist(const nbnxn_search_t  nbs,
5565                          nbnxn_atomdata_t     *nbat,
5566                          const t_blocka       *excl,
5567                          real                  rlist,
5568                          int                   min_ci_balanced,
5569                          nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
5570                          int                   iloc,
5571                          int                   nb_kernel_type,
5572                          t_nrnb               *nrnb)
5573 {
5574     nbnxn_grid_t      *gridi, *gridj;
5575     gmx_bool           bGPUCPU;
5576     int                nzi, zi, zj0, zj1, zj;
5577     int                nsubpair_max;
5578     int                th;
5579     int                nnbl;
5580     nbnxn_pairlist_t **nbl;
5581     int                ci_block;
5582     gmx_bool           CombineNBLists;
5583     gmx_bool           progBal;
5584     int                np_tot, np_noq, np_hlj, nap;
5585
5586     /* Check if we are running hybrid GPU + CPU nbnxn mode */
5587     bGPUCPU = (!nbs->grid[0].bSimple && nbl_list->bSimple);
5588
5589     nnbl            = nbl_list->nnbl;
5590     nbl             = nbl_list->nbl;
5591     CombineNBLists  = nbl_list->bCombined;
5592
5593     if (debug)
5594     {
5595         fprintf(debug, "ns making %d nblists\n", nnbl);
5596     }
5597
5598     nbat->bUseBufferFlags = (nbat->nout > 1);
5599     /* We should re-init the flags before making the first list */
5600     if (nbat->bUseBufferFlags && (LOCAL_I(iloc) || bGPUCPU))
5601     {
5602         init_buffer_flags(&nbat->buffer_flags, nbat->natoms);
5603     }
5604
5605     if (nbl_list->bSimple)
5606     {
5607         switch (nb_kernel_type)
5608         {
5609 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
5610             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
5611                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_4xn;
5612                 break;
5613 #endif
5614 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
5615             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
5616                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_2xnn;
5617                 break;
5618 #endif
5619             default:
5620                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
5621                 break;
5622         }
5623     }
5624     else
5625     {
5626 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
5627         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub_simd4;
5628 #else
5629         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub;
5630 #endif
5631     }
5632
5633     if (LOCAL_I(iloc))
5634     {
5635         /* Only zone (grid) 0 vs 0 */
5636         nzi = 1;
5637         zj0 = 0;
5638         zj1 = 1;
5639     }
5640     else
5641     {
5642         nzi = nbs->zones->nizone;
5643     }
5644
5645     if (!nbl_list->bSimple && min_ci_balanced > 0)
5646     {
5647         nsubpair_max = get_nsubpair_max(nbs, iloc, rlist, min_ci_balanced);
5648     }
5649     else
5650     {
5651         nsubpair_max = 0;
5652     }
5653
5654     /* Clear all pair-lists */
5655     for (th = 0; th < nnbl; th++)
5656     {
5657         clear_pairlist(nbl[th]);
5658
5659         if (nbs->bFEP)
5660         {
5661             clear_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[th]);
5662         }
5663     }
5664
5665     for (zi = 0; zi < nzi; zi++)
5666     {
5667         gridi = &nbs->grid[zi];
5668
5669         if (NONLOCAL_I(iloc))
5670         {
5671             zj0 = nbs->zones->izone[zi].j0;
5672             zj1 = nbs->zones->izone[zi].j1;
5673             if (zi == 0)
5674             {
5675                 zj0++;
5676             }
5677         }
5678         for (zj = zj0; zj < zj1; zj++)
5679         {
5680             gridj = &nbs->grid[zj];
5681
5682             if (debug)
5683             {
5684                 fprintf(debug, "ns search grid %d vs %d\n", zi, zj);
5685             }
5686
5687             nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5688
5689             if (nbl[0]->bSimple && !gridi->bSimple)
5690             {
5691                 /* Hybrid list, determine blocking later */
5692                 ci_block = 0;
5693             }
5694             else
5695             {
5696                 ci_block = get_ci_block_size(gridi, nbs->DomDec, nnbl);
5697             }
5698
5699             /* With GPU: generate progressively smaller lists for
5700              * load balancing for local only or non-local with 2 zones.
5701              */
5702             progBal = (LOCAL_I(iloc) || nbs->zones->n <= 2);
5703
5704 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5705             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5706             {
5707                 /* Re-init the thread-local work flag data before making
5708                  * the first list (not an elegant conditional).
5709                  */
5710                 if (nbat->bUseBufferFlags && ((zi == 0 && zj == 0) ||
5711                                               (bGPUCPU && zi == 0 && zj == 1)))
5712                 {
5713                     init_buffer_flags(&nbs->work[th].buffer_flags, nbat->natoms);
5714                 }
5715
5716                 if (CombineNBLists && th > 0)
5717                 {
5718                     clear_pairlist(nbl[th]);
5719                 }
5720
5721                 /* Divide the i super cell equally over the nblists */
5722                 nbnxn_make_pairlist_part(nbs, gridi, gridj,
5723                                          &nbs->work[th], nbat, excl,
5724                                          rlist,
5725                                          nb_kernel_type,
5726                                          ci_block,
5727                                          nbat->bUseBufferFlags,
5728                                          nsubpair_max,
5729                                          progBal, min_ci_balanced,
5730                                          th, nnbl,
5731                                          nbl[th],
5732                                          nbl_list->nbl_fep[th]);
5733             }
5734             nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5735
5736             np_tot = 0;
5737             np_noq = 0;
5738             np_hlj = 0;
5739             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5740             {
5741                 inc_nrnb(nrnb, eNR_NBNXN_DIST2, nbs->work[th].ndistc);
5742
5743                 if (nbl_list->bSimple)
5744                 {
5745                     np_tot += nbl[th]->ncj;
5746                     np_noq += nbl[th]->work->ncj_noq;
5747                     np_hlj += nbl[th]->work->ncj_hlj;
5748                 }
5749                 else
5750                 {
5751                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
5752                     np_tot += nbl[th]->nci_tot;
5753                 }
5754             }
5755             nap                   = nbl[0]->na_ci*nbl[0]->na_cj;
5756             nbl_list->natpair_ljq = (np_tot - np_noq)*nap - np_hlj*nap/2;
5757             nbl_list->natpair_lj  = np_noq*nap;
5758             nbl_list->natpair_q   = np_hlj*nap/2;
5759
5760             if (CombineNBLists && nnbl > 1)
5761             {
5762                 nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5763
5764                 combine_nblists(nnbl-1, nbl+1, nbl[0]);
5765
5766                 nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5767             }
5768         }
5769     }
5770
5771     if (!nbl_list->bSimple)
5772     {
5773         /* Sort the entries on size, large ones first */
5774         if (CombineNBLists || nnbl == 1)
5775         {
5776             sort_sci(nbl[0]);
5777         }
5778         else
5779         {
5780 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5781             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5782             {
5783                 sort_sci(nbl[th]);
5784             }
5785         }
5786     }
5787
5788     if (nbat->bUseBufferFlags)
5789     {
5790         reduce_buffer_flags(nbs, nnbl, &nbat->buffer_flags);
5791     }
5792
5793     if (nbs->bFEP)
5794     {
5795         /* Balance the free-energy lists over all the threads */
5796         balance_fep_lists(nbs, nbl_list);
5797     }
5798
5799     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
5800     if (LOCAL_I(iloc))
5801     {
5802         nbs->search_count++;
5803     }
5804     if (nbs->print_cycles &&
5805         (!nbs->DomDec || (nbs->DomDec && !LOCAL_I(iloc))) &&
5806         nbs->search_count % 100 == 0)
5807     {
5808         nbs_cycle_print(stderr, nbs);
5809     }
5810
5811     if (debug && (CombineNBLists && nnbl > 1))
5812     {
5813         if (nbl[0]->bSimple)
5814         {
5815             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5816         }
5817         else
5818         {
5819             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5820         }
5821     }
5822
5823     if (debug)
5824     {
5825         if (gmx_debug_at)
5826         {
5827             if (nbl[0]->bSimple)
5828             {
5829                 print_nblist_ci_cj(debug, nbl[0]);
5830             }
5831             else
5832             {
5833                 print_nblist_sci_cj(debug, nbl[0]);
5834             }
5835         }
5836
5837         if (nbat->bUseBufferFlags)
5838         {
5839             print_reduction_cost(&nbat->buffer_flags, nnbl);
5840         }
5841     }
5842 }