src/gromacs/mdlib/nbnxn_search.c

   1 /* -*- mode: c; tab-width: 4; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 4; c-file-style: "stroustrup"; -*-
   2  *
   3  *
   4  *                This source code is part of
   5  *
   6  *                 G   R   O   M   A   C   S
   7  *
   8  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   9  *
  10  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  11  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  12  * Copyright (c) 2001-2012, The GROMACS development team,
  13  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  14
  15  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  16  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  17  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  18  * of the License, or (at your option) any later version.
  19  *
  20  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  21  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  22  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  23  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  24  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  25  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  26  *
  27  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  28  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  29  *
  30  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  31  */
  32
  33 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  34 #include <config.h>
  35 #endif
  36
  37 #include <math.h>
  38 #include <string.h>
  39 #include "sysstuff.h"
  40 #include "smalloc.h"
  41 #include "macros.h"
  42 #include "maths.h"
  43 #include "vec.h"
  44 #include "pbc.h"
  45 #include "nbnxn_consts.h"
  46 /* nbnxn_internal.h included gmx_simd_macros.h */
  47 #include "nbnxn_internal.h"
  48 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
  49 #include "gmx_simd_vec.h"
  50 #endif
  51 #include "nbnxn_atomdata.h"
  52 #include "nbnxn_search.h"
  53 #include "gmx_cyclecounter.h"
  54 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  55 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  56 #include "nrnb.h"
  57
  58
  59 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
  60 /* We use 4-wide SIMD for bounding box calculations */
  61
  62 #ifndef GMX_DOUBLE
  63 /* Single precision BBs + coordinates, we can also load coordinates with SIMD */
  64 #define NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
  65 #endif
  66
  67 #if defined NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB && (GPU_NSUBCELL == 4 || GPU_NSUBCELL == 8)
  68 /* Store bounding boxes with x, y and z coordinates in packs of 4 */
  69 #define NBNXN_PBB_SIMD4
  70 #endif
  71
  72 /* The packed bounding box coordinate stride is always set to 4.
  73  * With AVX we could use 8, but that turns out not to be faster.
  74  */
  75 #define STRIDE_PBB        4
  76 #define STRIDE_PBB_2LOG   2
  77
  78 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
  79
  80 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
  81
  82 /* The functions below are macros as they are performance sensitive */
  83
  84 /* 4x4 list, pack=4: no complex conversion required */
  85 /* i-cluster to j-cluster conversion */
  86 #define CI_TO_CJ_J4(ci)   (ci)
  87 /* cluster index to coordinate array index conversion */
  88 #define X_IND_CI_J4(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
  89 #define X_IND_CJ_J4(cj)  ((cj)*STRIDE_P4)
  90
  91 /* 4x2 list, pack=4: j-cluster size is half the packing width */
  92 /* i-cluster to j-cluster conversion */
  93 #define CI_TO_CJ_J2(ci)  ((ci)<<1)
  94 /* cluster index to coordinate array index conversion */
  95 #define X_IND_CI_J2(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
  96 #define X_IND_CJ_J2(cj)  (((cj)>>1)*STRIDE_P4 + ((cj) & 1)*(PACK_X4>>1))
  97
  98 /* 4x8 list, pack=8: i-cluster size is half the packing width */
  99 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 100 #define CI_TO_CJ_J8(ci)  ((ci)>>1)
 101 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 102 #define X_IND_CI_J8(ci)  (((ci)>>1)*STRIDE_P8 + ((ci) & 1)*(PACK_X8>>1))
 103 #define X_IND_CJ_J8(cj)  ((cj)*STRIDE_P8)
 104
 105 /* The j-cluster size is matched to the SIMD width */
 106 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 2
 107 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J2(ci)
 108 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J2(ci)
 109 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J2(cj)
 110 #else
 111 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 4
 112 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J4(ci)
 113 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J4(ci)
 114 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J4(cj)
 115 #else
 116 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 8
 117 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J8(ci)
 118 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J8(ci)
 119 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J8(cj)
 120 /* Half SIMD with j-cluster size */
 121 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J4(ci)
 122 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J4(ci)
 123 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J4(cj)
 124 #else
 125 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 16
 126 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J8(ci)
 127 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J8(ci)
 128 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J8(cj)
 129 #else
 130 #error "unsupported GMX_NBNXN_SIMD_WIDTH"
 131 #endif
 132 #endif
 133 #endif
 134 #endif
 135
 136 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
 137
 138
 139 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 140 /* Store bounding boxes corners as quadruplets: xxxxyyyyzzzz */
 141 #define NBNXN_BBXXXX
 142 /* Size of bounding box corners quadruplet */
 143 #define NNBSBB_XXXX      (NNBSBB_D*DIM*STRIDE_PBB)
 144 #endif
 145
 146 /* We shift the i-particles backward for PBC.
 147  * This leads to more conditionals than shifting forward.
 148  * We do this to get more balanced pair lists.
 149  */
 150 #define NBNXN_SHIFT_BACKWARD
 151
 152
 153 /* This define is a lazy way to avoid interdependence of the grid
 154  * and searching data structures.
 155  */
 156 #define NBNXN_NA_SC_MAX (GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE)
 157
 158
 159 static void nbs_cycle_clear(nbnxn_cycle_t *cc)
 160 {
 161     int i;
 162
 163     for (i = 0; i < enbsCCnr; i++)
 164     {
 165         cc[i].count = 0;
 166         cc[i].c     = 0;
 167     }
 168 }
 169
 170 static double Mcyc_av(const nbnxn_cycle_t *cc)
 171 {
 172     return (double)cc->c*1e-6/cc->count;
 173 }
 174
 175 static void nbs_cycle_print(FILE *fp, const nbnxn_search_t nbs)
 176 {
 177     int n;
 178     int t;
 179
 180     fprintf(fp, "\n");
 181     fprintf(fp, "ns %4d grid %4.1f search %4.1f red.f %5.3f",
 182             nbs->cc[enbsCCgrid].count,
 183             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCgrid]),
 184             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCsearch]),
 185             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCreducef]));
 186
 187     if (nbs->nthread_max > 1)
 188     {
 189         if (nbs->cc[enbsCCcombine].count > 0)
 190         {
 191             fprintf(fp, " comb %5.2f",
 192                     Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCcombine]));
 193         }
 194         fprintf(fp, " s. th");
 195         for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 196         {
 197             fprintf(fp, " %4.1f",
 198                     Mcyc_av(&nbs->work[t].cc[enbsCCsearch]));
 199         }
 200     }
 201     fprintf(fp, "\n");
 202 }
 203
 204 static void nbnxn_grid_init(nbnxn_grid_t * grid)
 205 {
 206     grid->cxy_na      = NULL;
 207     grid->cxy_ind     = NULL;
 208     grid->cxy_nalloc  = 0;
 209     grid->bb          = NULL;
 210     grid->bbj         = NULL;
 211     grid->nc_nalloc   = 0;
 212 }
 213
 214 static int get_2log(int n)
 215 {
 216     int log2;
 217
 218     log2 = 0;
 219     while ((1<<log2) < n)
 220     {
 221         log2++;
 222     }
 223     if ((1<<log2) != n)
 224     {
 225         gmx_fatal(FARGS, "nbnxn na_c (%d) is not a power of 2", n);
 226     }
 227
 228     return log2;
 229 }
 230
 231 static int nbnxn_kernel_to_ci_size(int nb_kernel_type)
 232 {
 233     switch (nb_kernel_type)
 234     {
 235         case nbnxnk4x4_PlainC:
 236         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 237         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 238             return NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 239         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 240         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 241             /* The cluster size for super/sub lists is only set here.
 242              * Any value should work for the pair-search and atomdata code.
 243              * The kernels, of course, might require a particular value.
 244              */
 245             return NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE;
 246         default:
 247             gmx_incons("unknown kernel type");
 248     }
 249
 250     return 0;
 251 }
 252
 253 int nbnxn_kernel_to_cj_size(int nb_kernel_type)
 254 {
 255     int nbnxn_simd_width = 0;
 256     int cj_size          = 0;
 257
 258 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 259     nbnxn_simd_width = GMX_SIMD_WIDTH_HERE;
 260 #endif
 261
 262     switch (nb_kernel_type)
 263     {
 264         case nbnxnk4x4_PlainC:
 265             cj_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 266             break;
 267         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 268             cj_size = nbnxn_simd_width;
 269             break;
 270         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 271             cj_size = nbnxn_simd_width/2;
 272             break;
 273         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 274         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 275             cj_size = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
 276             break;
 277         default:
 278             gmx_incons("unknown kernel type");
 279     }
 280
 281     return cj_size;
 282 }
 283
 284 static int ci_to_cj(int na_cj_2log, int ci)
 285 {
 286     switch (na_cj_2log)
 287     {
 288         case 2: return ci;     break;
 289         case 1: return (ci<<1); break;
 290         case 3: return (ci>>1); break;
 291     }
 292
 293     return 0;
 294 }
 295
 296 gmx_bool nbnxn_kernel_pairlist_simple(int nb_kernel_type)
 297 {
 298     if (nb_kernel_type == nbnxnkNotSet)
 299     {
 300         gmx_fatal(FARGS, "Non-bonded kernel type not set for Verlet-style pair-list.");
 301     }
 302
 303     switch (nb_kernel_type)
 304     {
 305         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 306         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 307             return FALSE;
 308
 309         case nbnxnk4x4_PlainC:
 310         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 311         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 312             return TRUE;
 313
 314         default:
 315             gmx_incons("Invalid nonbonded kernel type passed!");
 316             return FALSE;
 317     }
 318 }
 319
 320 void nbnxn_init_search(nbnxn_search_t    * nbs_ptr,
 321                        ivec               *n_dd_cells,
 322                        gmx_domdec_zones_t *zones,
 323                        int                 nthread_max)
 324 {
 325     nbnxn_search_t nbs;
 326     int            d, g, t;
 327
 328     snew(nbs, 1);
 329     *nbs_ptr = nbs;
 330
 331     nbs->DomDec = (n_dd_cells != NULL);
 332
 333     clear_ivec(nbs->dd_dim);
 334     nbs->ngrid = 1;
 335     if (nbs->DomDec)
 336     {
 337         nbs->zones = zones;
 338
 339         for (d = 0; d < DIM; d++)
 340         {
 341             if ((*n_dd_cells)[d] > 1)
 342             {
 343                 nbs->dd_dim[d] = 1;
 344                 /* Each grid matches a DD zone */
 345                 nbs->ngrid *= 2;
 346             }
 347         }
 348     }
 349
 350     snew(nbs->grid, nbs->ngrid);
 351     for (g = 0; g < nbs->ngrid; g++)
 352     {
 353         nbnxn_grid_init(&nbs->grid[g]);
 354     }
 355     nbs->cell        = NULL;
 356     nbs->cell_nalloc = 0;
 357     nbs->a           = NULL;
 358     nbs->a_nalloc    = 0;
 359
 360     nbs->nthread_max = nthread_max;
 361
 362     /* Initialize the work data structures for each thread */
 363     snew(nbs->work, nbs->nthread_max);
 364     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 365     {
 366         nbs->work[t].cxy_na           = NULL;
 367         nbs->work[t].cxy_na_nalloc    = 0;
 368         nbs->work[t].sort_work        = NULL;
 369         nbs->work[t].sort_work_nalloc = 0;
 370     }
 371
 372     /* Initialize detailed nbsearch cycle counting */
 373     nbs->print_cycles = (getenv("GMX_NBNXN_CYCLE") != 0);
 374     nbs->search_count = 0;
 375     nbs_cycle_clear(nbs->cc);
 376     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 377     {
 378         nbs_cycle_clear(nbs->work[t].cc);
 379     }
 380 }
 381
 382 static real grid_atom_density(int n, rvec corner0, rvec corner1)
 383 {
 384     rvec size;
 385
 386     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 387
 388     return n/(size[XX]*size[YY]*size[ZZ]);
 389 }
 390
 391 static int set_grid_size_xy(const nbnxn_search_t nbs,
 392                             nbnxn_grid_t *grid,
 393                             int dd_zone,
 394                             int n, rvec corner0, rvec corner1,
 395                             real atom_density)
 396 {
 397     rvec size;
 398     int  na_c;
 399     real adens, tlen, tlen_x, tlen_y, nc_max;
 400     int  t;
 401
 402     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 403
 404     if (n > grid->na_sc)
 405     {
 406         /* target cell length */
 407         if (grid->bSimple)
 408         {
 409             /* To minimize the zero interactions, we should make
 410              * the largest of the i/j cell cubic.
 411              */
 412             na_c = max(grid->na_c, grid->na_cj);
 413
 414             /* Approximately cubic cells */
 415             tlen   = pow(na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 416             tlen_x = tlen;
 417             tlen_y = tlen;
 418         }
 419         else
 420         {
 421             /* Approximately cubic sub cells */
 422             tlen   = pow(grid->na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 423             tlen_x = tlen*GPU_NSUBCELL_X;
 424             tlen_y = tlen*GPU_NSUBCELL_Y;
 425         }
 426         /* We round ncx and ncy down, because we get less cell pairs
 427          * in the nbsist when the fixed cell dimensions (x,y) are
 428          * larger than the variable one (z) than the other way around.
 429          */
 430         grid->ncx = max(1, (int)(size[XX]/tlen_x));
 431         grid->ncy = max(1, (int)(size[YY]/tlen_y));
 432     }
 433     else
 434     {
 435         grid->ncx = 1;
 436         grid->ncy = 1;
 437     }
 438
 439     grid->sx     = size[XX]/grid->ncx;
 440     grid->sy     = size[YY]/grid->ncy;
 441     grid->inv_sx = 1/grid->sx;
 442     grid->inv_sy = 1/grid->sy;
 443
 444     if (dd_zone > 0)
 445     {
 446         /* This is a non-home zone, add an extra row of cells
 447          * for particles communicated for bonded interactions.
 448          * These can be beyond the cut-off. It doesn't matter where
 449          * they end up on the grid, but for performance it's better
 450          * if they don't end up in cells that can be within cut-off range.
 451          */
 452         grid->ncx++;
 453         grid->ncy++;
 454     }
 455
 456     /* We need one additional cell entry for particles moved by DD */
 457     if (grid->ncx*grid->ncy+1 > grid->cxy_nalloc)
 458     {
 459         grid->cxy_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 460         srenew(grid->cxy_na, grid->cxy_nalloc);
 461         srenew(grid->cxy_ind, grid->cxy_nalloc+1);
 462     }
 463     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 464     {
 465         if (grid->ncx*grid->ncy+1 > nbs->work[t].cxy_na_nalloc)
 466         {
 467             nbs->work[t].cxy_na_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 468             srenew(nbs->work[t].cxy_na, nbs->work[t].cxy_na_nalloc);
 469         }
 470     }
 471
 472     /* Worst case scenario of 1 atom in each last cell */
 473     if (grid->na_cj <= grid->na_c)
 474     {
 475         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy;
 476     }
 477     else
 478     {
 479         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy*grid->na_cj/grid->na_c;
 480     }
 481
 482     if (nc_max > grid->nc_nalloc)
 483     {
 484         grid->nc_nalloc = over_alloc_large(nc_max);
 485         srenew(grid->nsubc, grid->nc_nalloc);
 486         srenew(grid->bbcz, grid->nc_nalloc*NNBSBB_D);
 487
 488         sfree_aligned(grid->bb);
 489         /* This snew also zeros the contents, this avoid possible
 490          * floating exceptions in SIMD with the unused bb elements.
 491          */
 492         if (grid->bSimple)
 493         {
 494             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc, 16);
 495         }
 496         else
 497         {
 498 #ifdef NBNXN_BBXXXX
 499             int pbb_nalloc;
 500
 501             pbb_nalloc = grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX;
 502             snew_aligned(grid->pbb, pbb_nalloc, 16);
 503 #else
 504             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL, 16);
 505 #endif
 506         }
 507
 508         if (grid->bSimple)
 509         {
 510             if (grid->na_cj == grid->na_c)
 511             {
 512                 grid->bbj = grid->bb;
 513             }
 514             else
 515             {
 516                 sfree_aligned(grid->bbj);
 517                 snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc*grid->na_c/grid->na_cj, 16);
 518             }
 519         }
 520
 521         srenew(grid->flags, grid->nc_nalloc);
 522     }
 523
 524     copy_rvec(corner0, grid->c0);
 525     copy_rvec(corner1, grid->c1);
 526
 527     return nc_max;
 528 }
 529
 530 /* We need to sort paricles in grid columns on z-coordinate.
 531  * As particle are very often distributed homogeneously, we a sorting
 532  * algorithm similar to pigeonhole sort. We multiply the z-coordinate
 533  * by a factor, cast to an int and try to store in that hole. If the hole
 534  * is full, we move this or another particle. A second pass is needed to make
 535  * contiguous elements. SORT_GRID_OVERSIZE is the ratio of holes to particles.
 536  * 4 is the optimal value for homogeneous particle distribution and allows
 537  * for an O(#particles) sort up till distributions were all particles are
 538  * concentrated in 1/4 of the space. No NlogN fallback is implemented,
 539  * as it can be expensive to detect imhomogeneous particle distributions.
 540  * SGSF is the maximum ratio of holes used, in the worst case all particles
 541  * end up in the last hole and we need #particles extra holes at the end.
 542  */
 543 #define SORT_GRID_OVERSIZE 4
 544 #define SGSF (SORT_GRID_OVERSIZE + 1)
 545
 546 /* Sort particle index a on coordinates x along dim.
 547  * Backwards tells if we want decreasing iso increasing coordinates.
 548  * h0 is the minimum of the coordinate range.
 549  * invh is the 1/length of the sorting range.
 550  * n_per_h (>=n) is the expected average number of particles per 1/invh
 551  * sort is the sorting work array.
 552  * sort should have a size of at least n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n,
 553  * or easier, allocate at least n*SGSF elements.
 554  */
 555 static void sort_atoms(int dim, gmx_bool Backwards,
 556                        int *a, int n, rvec *x,
 557                        real h0, real invh, int n_per_h,
 558                        int *sort)
 559 {
 560     int nsort, i, c;
 561     int zi, zim, zi_min, zi_max;
 562     int cp, tmp;
 563
 564     if (n <= 1)
 565     {
 566         /* Nothing to do */
 567         return;
 568     }
 569
 570 #ifndef NDEBUG
 571     if (n > n_per_h)
 572     {
 573         gmx_incons("n > n_per_h");
 574     }
 575 #endif
 576
 577     /* Transform the inverse range height into the inverse hole height */
 578     invh *= n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE;
 579
 580     /* Set nsort to the maximum possible number of holes used.
 581      * In worst case all n elements end up in the last bin.
 582      */
 583     nsort = n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n;
 584
 585     /* Determine the index range used, so we can limit it for the second pass */
 586     zi_min = INT_MAX;
 587     zi_max = -1;
 588
 589     /* Sort the particles using a simple index sort */
 590     for (i = 0; i < n; i++)
 591     {
 592         /* The cast takes care of float-point rounding effects below zero.
 593          * This code assumes particles are less than 1/SORT_GRID_OVERSIZE
 594          * times the box height out of the box.
 595          */
 596         zi = (int)((x[a[i]][dim] - h0)*invh);
 597
 598 #ifndef NDEBUG
 599         /* As we can have rounding effect, we use > iso >= here */
 600         if (zi < 0 || zi > n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE)
 601         {
 602             gmx_fatal(FARGS, "(int)((x[%d][%c]=%f - %f)*%f) = %d, not in 0 - %d*%d\n",
 603                       a[i], 'x'+dim, x[a[i]][dim], h0, invh, zi,
 604                       n_per_h, SORT_GRID_OVERSIZE);
 605         }
 606 #endif
 607
 608         /* Ideally this particle should go in sort cell zi,
 609          * but that might already be in use,
 610          * in that case find the first empty cell higher up
 611          */
 612         if (sort[zi] < 0)
 613         {
 614             sort[zi] = a[i];
 615             zi_min   = min(zi_min, zi);
 616             zi_max   = max(zi_max, zi);
 617         }
 618         else
 619         {
 620             /* We have multiple atoms in the same sorting slot.
 621              * Sort on real z for minimal bounding box size.
 622              * There is an extra check for identical z to ensure
 623              * well-defined output order, independent of input order
 624              * to ensure binary reproducibility after restarts.
 625              */
 626             while (sort[zi] >= 0 && ( x[a[i]][dim] >  x[sort[zi]][dim] ||
 627                                       (x[a[i]][dim] == x[sort[zi]][dim] &&
 628                                        a[i] > sort[zi])))
 629             {
 630                 zi++;
 631             }
 632
 633             if (sort[zi] >= 0)
 634             {
 635                 /* Shift all elements by one slot until we find an empty slot */
 636                 cp  = sort[zi];
 637                 zim = zi + 1;
 638                 while (sort[zim] >= 0)
 639                 {
 640                     tmp       = sort[zim];
 641                     sort[zim] = cp;
 642                     cp        = tmp;
 643                     zim++;
 644                 }
 645                 sort[zim] = cp;
 646                 zi_max    = max(zi_max, zim);
 647             }
 648             sort[zi] = a[i];
 649             zi_max   = max(zi_max, zi);
 650         }
 651     }
 652
 653     c = 0;
 654     if (!Backwards)
 655     {
 656         for (zi = 0; zi < nsort; zi++)
 657         {
 658             if (sort[zi] >= 0)
 659             {
 660                 a[c++]   = sort[zi];
 661                 sort[zi] = -1;
 662             }
 663         }
 664     }
 665     else
 666     {
 667         for (zi = zi_max; zi >= zi_min; zi--)
 668         {
 669             if (sort[zi] >= 0)
 670             {
 671                 a[c++]   = sort[zi];
 672                 sort[zi] = -1;
 673             }
 674         }
 675     }
 676     if (c < n)
 677     {
 678         gmx_incons("Lost particles while sorting");
 679     }
 680 }
 681
 682 #ifdef GMX_DOUBLE
 683 #define R2F_D(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 684 #define R2F_U(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 685 #else
 686 #define R2F_D(x) (x)
 687 #define R2F_U(x) (x)
 688 #endif
 689
 690 /* Coordinate order x,y,z, bb order xyz0 */
 691 static void calc_bounding_box(int na, int stride, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 692 {
 693     int  i, j;
 694     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 695
 696     i  = 0;
 697     xl = x[i+XX];
 698     xh = x[i+XX];
 699     yl = x[i+YY];
 700     yh = x[i+YY];
 701     zl = x[i+ZZ];
 702     zh = x[i+ZZ];
 703     i += stride;
 704     for (j = 1; j < na; j++)
 705     {
 706         xl = min(xl, x[i+XX]);
 707         xh = max(xh, x[i+XX]);
 708         yl = min(yl, x[i+YY]);
 709         yh = max(yh, x[i+YY]);
 710         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 711         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 712         i += stride;
 713     }
 714     /* Note: possible double to float conversion here */
 715     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 716     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 717     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 718     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 719     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 720     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 721 }
 722
 723 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 724 static void calc_bounding_box_x_x4(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 725 {
 726     int  j;
 727     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 728
 729     xl = x[XX*PACK_X4];
 730     xh = x[XX*PACK_X4];
 731     yl = x[YY*PACK_X4];
 732     yh = x[YY*PACK_X4];
 733     zl = x[ZZ*PACK_X4];
 734     zh = x[ZZ*PACK_X4];
 735     for (j = 1; j < na; j++)
 736     {
 737         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X4]);
 738         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X4]);
 739         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X4]);
 740         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X4]);
 741         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 742         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 743     }
 744     /* Note: possible double to float conversion here */
 745     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 746     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 747     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 748     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 749     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 750     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 751 }
 752
 753 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 754 static void calc_bounding_box_x_x8(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 755 {
 756     int  j;
 757     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 758
 759     xl = x[XX*PACK_X8];
 760     xh = x[XX*PACK_X8];
 761     yl = x[YY*PACK_X8];
 762     yh = x[YY*PACK_X8];
 763     zl = x[ZZ*PACK_X8];
 764     zh = x[ZZ*PACK_X8];
 765     for (j = 1; j < na; j++)
 766     {
 767         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X8]);
 768         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X8]);
 769         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X8]);
 770         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X8]);
 771         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 772         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 773     }
 774     /* Note: possible double to float conversion here */
 775     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 776     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 777     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 778     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 779     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 780     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 781 }
 782
 783 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 784 static void calc_bounding_box_x_x4_halves(int na, const real *x,
 785                                           nbnxn_bb_t *bb, nbnxn_bb_t *bbj)
 786 {
 787     calc_bounding_box_x_x4(min(na, 2), x, bbj);
 788
 789     if (na > 2)
 790     {
 791         calc_bounding_box_x_x4(min(na-2, 2), x+(PACK_X4>>1), bbj+1);
 792     }
 793     else
 794     {
 795         /* Set the "empty" bounding box to the same as the first one,
 796          * so we don't need to treat special cases in the rest of the code.
 797          */
 798 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 799         gmx_simd4_store_pr(&bbj[1].lower[0], gmx_simd4_load_bb_pr(&bbj[0].lower[0]));
 800         gmx_simd4_store_pr(&bbj[1].upper[0], gmx_simd4_load_bb_pr(&bbj[0].upper[0]));
 801 #else
 802         bbj[1] = bbj[0];
 803 #endif
 804     }
 805
 806 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 807     gmx_simd4_store_pr(&bb->lower[0],
 808                        gmx_simd4_min_pr(gmx_simd4_load_bb_pr(&bbj[0].lower[0]),
 809                                         gmx_simd4_load_bb_pr(&bbj[1].lower[0])));
 810     gmx_simd4_store_pr(&bb->upper[0],
 811                        gmx_simd4_max_pr(gmx_simd4_load_bb_pr(&bbj[0].upper[0]),
 812                                         gmx_simd4_load_bb_pr(&bbj[1].upper[0])));
 813 #else
 814     {
 815         int i;
 816
 817         for (i = 0; i < NNBSBB_C; i++)
 818         {
 819             bb->lower[i] = min(bbj[0].lower[i], bbj[1].lower[i]);
 820             bb->upper[i] = max(bbj[0].upper[i], bbj[1].upper[i]);
 821         }
 822     }
 823 #endif
 824 }
 825
 826 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 827
 828 /* Coordinate order xyz, bb order xxxxyyyyzzzz */
 829 static void calc_bounding_box_xxxx(int na, int stride, const real *x, float *bb)
 830 {
 831     int  i, j;
 832     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 833
 834     i  = 0;
 835     xl = x[i+XX];
 836     xh = x[i+XX];
 837     yl = x[i+YY];
 838     yh = x[i+YY];
 839     zl = x[i+ZZ];
 840     zh = x[i+ZZ];
 841     i += stride;
 842     for (j = 1; j < na; j++)
 843     {
 844         xl = min(xl, x[i+XX]);
 845         xh = max(xh, x[i+XX]);
 846         yl = min(yl, x[i+YY]);
 847         yh = max(yh, x[i+YY]);
 848         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 849         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 850         i += stride;
 851     }
 852     /* Note: possible double to float conversion here */
 853     bb[0*STRIDE_PBB] = R2F_D(xl);
 854     bb[1*STRIDE_PBB] = R2F_D(yl);
 855     bb[2*STRIDE_PBB] = R2F_D(zl);
 856     bb[3*STRIDE_PBB] = R2F_U(xh);
 857     bb[4*STRIDE_PBB] = R2F_U(yh);
 858     bb[5*STRIDE_PBB] = R2F_U(zh);
 859 }
 860
 861 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
 862
 863 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
 864
 865 /* Coordinate order xyz?, bb order xyz0 */
 866 static void calc_bounding_box_simd4(int na, const float *x, nbnxn_bb_t *bb)
 867 {
 868     gmx_simd4_pr bb_0_S, bb_1_S;
 869     gmx_simd4_pr x_S;
 870
 871     int    i;
 872
 873     bb_0_S = gmx_simd4_load_bb_pr(x);
 874     bb_1_S = bb_0_S;
 875
 876     for (i = 1; i < na; i++)
 877     {
 878         x_S    = gmx_simd4_load_bb_pr(x+i*NNBSBB_C);
 879         bb_0_S = gmx_simd4_min_pr(bb_0_S, x_S);
 880         bb_1_S = gmx_simd4_max_pr(bb_1_S, x_S);
 881     }
 882
 883     gmx_simd4_store_pr(&bb->lower[0], bb_0_S);
 884     gmx_simd4_store_pr(&bb->upper[0], bb_1_S);
 885 }
 886
 887 /* Coordinate order xyz?, bb order xxxxyyyyzzzz */
 888 static void calc_bounding_box_xxxx_simd4(int na, const float *x,
 889                                          nbnxn_bb_t *bb_work_aligned,
 890                                          real *bb)
 891 {
 892     calc_bounding_box_simd4(na, x, bb_work_aligned);
 893
 894     bb[0*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_X];
 895     bb[1*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Y];
 896     bb[2*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Z];
 897     bb[3*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_X];
 898     bb[4*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Y];
 899     bb[5*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Z];
 900 }
 901
 902 #endif /* NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB */
 903
 904
 905 /* Combines pairs of consecutive bounding boxes */
 906 static void combine_bounding_box_pairs(nbnxn_grid_t *grid, const nbnxn_bb_t *bb)
 907 {
 908     int    i, j, sc2, nc2, c2;
 909
 910     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
 911     {
 912         /* Starting bb in a column is expected to be 2-aligned */
 913         sc2 = grid->cxy_ind[i]>>1;
 914         /* For odd numbers skip the last bb here */
 915         nc2 = (grid->cxy_na[i]+3)>>(2+1);
 916         for (c2 = sc2; c2 < sc2+nc2; c2++)
 917         {
 918 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 919             gmx_simd4_pr min_S, max_S;
 920
 921             min_S = gmx_simd4_min_pr(gmx_simd4_load_bb_pr(&bb[c2*2+0].lower[0]),
 922                                      gmx_simd4_load_bb_pr(&bb[c2*2+1].lower[0]));
 923             max_S = gmx_simd4_max_pr(gmx_simd4_load_bb_pr(&bb[c2*2+0].upper[0]),
 924                                      gmx_simd4_load_bb_pr(&bb[c2*2+1].upper[0]));
 925             gmx_simd4_store_pr(&grid->bbj[c2].lower[0], min_S);
 926             gmx_simd4_store_pr(&grid->bbj[c2].upper[0], max_S);
 927 #else
 928             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 929             {
 930                 grid->bbj[c2].lower[j] = min(bb[c2*2+0].lower[j],
 931                                              bb[c2*2+1].lower[j]);
 932                 grid->bbj[c2].upper[j] = max(bb[c2*2+0].upper[j],
 933                                              bb[c2*2+1].upper[j]);
 934             }
 935 #endif
 936         }
 937         if (((grid->cxy_na[i]+3)>>2) & 1)
 938         {
 939             /* The bb count in this column is odd: duplicate the last bb */
 940             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 941             {
 942                 grid->bbj[c2].lower[j] = bb[c2*2].lower[j];
 943                 grid->bbj[c2].upper[j] = bb[c2*2].upper[j];
 944             }
 945         }
 946     }
 947 }
 948
 949
 950 /* Prints the average bb size, used for debug output */
 951 static void print_bbsizes_simple(FILE                *fp,
 952                                  const nbnxn_search_t nbs,
 953                                  const nbnxn_grid_t  *grid)
 954 {
 955     int  c, d;
 956     dvec ba;
 957
 958     clear_dvec(ba);
 959     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
 960     {
 961         for (d = 0; d < DIM; d++)
 962         {
 963             ba[d] += grid->bb[c].upper[d] - grid->bb[c].lower[d];
 964         }
 965     }
 966     dsvmul(1.0/grid->nc, ba, ba);
 967
 968     fprintf(fp, "ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
 969             nbs->box[XX][XX]/grid->ncx,
 970             nbs->box[YY][YY]/grid->ncy,
 971             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/grid->nc,
 972             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
 973             ba[XX]*grid->ncx/nbs->box[XX][XX],
 974             ba[YY]*grid->ncy/nbs->box[YY][YY],
 975             ba[ZZ]*grid->nc/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
 976 }
 977
 978 /* Prints the average bb size, used for debug output */
 979 static void print_bbsizes_supersub(FILE                *fp,
 980                                    const nbnxn_search_t nbs,
 981                                    const nbnxn_grid_t  *grid)
 982 {
 983     int  ns, c, s;
 984     dvec ba;
 985
 986     clear_dvec(ba);
 987     ns = 0;
 988     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
 989     {
 990 #ifdef NBNXN_BBXXXX
 991         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s += STRIDE_PBB)
 992         {
 993             int cs_w, i, d;
 994
 995             cs_w = (c*GPU_NSUBCELL + s)/STRIDE_PBB;
 996             for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
 997             {
 998                 for (d = 0; d < DIM; d++)
 999                 {
1000                     ba[d] +=
1001                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+(DIM+d)*STRIDE_PBB+i] -
1002                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+     d *STRIDE_PBB+i];
1003                 }
1004             }
1005         }
1006 #else
1007         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s++)
1008         {
1009             int cs, d;
1010
1011             cs = c*GPU_NSUBCELL + s;
1012             for (d = 0; d < DIM; d++)
1013             {
1014                 ba[d] += grid->bb[cs].upper[d] - grid->bb[cs].lower[d];
1015             }
1016         }
1017 #endif
1018         ns += grid->nsubc[c];
1019     }
1020     dsvmul(1.0/ns, ba, ba);
1021
1022     fprintf(fp, "ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1023             nbs->box[XX][XX]/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X),
1024             nbs->box[YY][YY]/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y),
1025             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z),
1026             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1027             ba[XX]*grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X/nbs->box[XX][XX],
1028             ba[YY]*grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y/nbs->box[YY][YY],
1029             ba[ZZ]*grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
1030 }
1031
1032 /* Potentially sorts atoms on LJ coefficients !=0 and ==0.
1033  * Also sets interaction flags.
1034  */
1035 void sort_on_lj(int na_c,
1036                 int a0, int a1, const int *atinfo,
1037                 int *order,
1038                 int *flags)
1039 {
1040     int      subc, s, a, n1, n2, a_lj_max, i, j;
1041     int      sort1[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1042     int      sort2[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1043     gmx_bool haveQ;
1044
1045     *flags = 0;
1046
1047     subc = 0;
1048     for (s = a0; s < a1; s += na_c)
1049     {
1050         /* Make lists for this (sub-)cell on atoms with and without LJ */
1051         n1       = 0;
1052         n2       = 0;
1053         haveQ    = FALSE;
1054         a_lj_max = -1;
1055         for (a = s; a < min(s+na_c, a1); a++)
1056         {
1057             haveQ = haveQ || GET_CGINFO_HAS_Q(atinfo[order[a]]);
1058
1059             if (GET_CGINFO_HAS_VDW(atinfo[order[a]]))
1060             {
1061                 sort1[n1++] = order[a];
1062                 a_lj_max    = a;
1063             }
1064             else
1065             {
1066                 sort2[n2++] = order[a];
1067             }
1068         }
1069
1070         /* If we don't have atom with LJ, there's nothing to sort */
1071         if (n1 > 0)
1072         {
1073             *flags |= NBNXN_CI_DO_LJ(subc);
1074
1075             if (2*n1 <= na_c)
1076             {
1077                 /* Only sort when strictly necessary. Ordering particles
1078                  * Ordering particles can lead to less accurate summation
1079                  * due to rounding, both for LJ and Coulomb interactions.
1080                  */
1081                 if (2*(a_lj_max - s) >= na_c)
1082                 {
1083                     for (i = 0; i < n1; i++)
1084                     {
1085                         order[a0+i] = sort1[i];
1086                     }
1087                     for (j = 0; j < n2; j++)
1088                     {
1089                         order[a0+n1+j] = sort2[j];
1090                     }
1091                 }
1092
1093                 *flags |= NBNXN_CI_HALF_LJ(subc);
1094             }
1095         }
1096         if (haveQ)
1097         {
1098             *flags |= NBNXN_CI_DO_COUL(subc);
1099         }
1100         subc++;
1101     }
1102 }
1103
1104 /* Fill a pair search cell with atoms.
1105  * Potentially sorts atoms and sets the interaction flags.
1106  */
1107 void fill_cell(const nbnxn_search_t nbs,
1108                nbnxn_grid_t *grid,
1109                nbnxn_atomdata_t *nbat,
1110                int a0, int a1,
1111                const int *atinfo,
1112                rvec *x,
1113                int sx, int sy, int sz,
1114                nbnxn_bb_t gmx_unused *bb_work_aligned)
1115 {
1116     int         na, a;
1117     size_t      offset;
1118     nbnxn_bb_t *bb_ptr;
1119 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1120     float      *pbb_ptr;
1121 #endif
1122
1123     na = a1 - a0;
1124
1125     if (grid->bSimple)
1126     {
1127         sort_on_lj(grid->na_c, a0, a1, atinfo, nbs->a,
1128                    grid->flags+(a0>>grid->na_c_2log)-grid->cell0);
1129     }
1130
1131     /* Now we have sorted the atoms, set the cell indices */
1132     for (a = a0; a < a1; a++)
1133     {
1134         nbs->cell[nbs->a[a]] = a;
1135     }
1136
1137     copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+a0, a1-a0, grid->na_c, x,
1138                            nbat->XFormat, nbat->x, a0,
1139                            sx, sy, sz);
1140
1141     if (nbat->XFormat == nbatX4)
1142     {
1143         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1144         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1145         bb_ptr = grid->bb + offset;
1146
1147 #if defined GMX_NBNXN_SIMD && GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 2
1148         if (2*grid->na_cj == grid->na_c)
1149         {
1150             calc_bounding_box_x_x4_halves(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr,
1151                                           grid->bbj+offset*2);
1152         }
1153         else
1154 #endif
1155         {
1156             calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr);
1157         }
1158     }
1159     else if (nbat->XFormat == nbatX8)
1160     {
1161         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1162         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1163         bb_ptr = grid->bb + offset;
1164
1165         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(a0), bb_ptr);
1166     }
1167 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1168     else if (!grid->bSimple)
1169     {
1170         /* Store the bounding boxes in a format convenient
1171          * for SIMD4 calculations: xxxxyyyyzzzz...
1172          */
1173         pbb_ptr =
1174             grid->pbb +
1175             ((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>(grid->na_c_2log+STRIDE_PBB_2LOG))*NNBSBB_XXXX +
1176             (((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log) & (STRIDE_PBB-1));
1177
1178 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
1179         if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
1180         {
1181             calc_bounding_box_xxxx_simd4(na, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1182                                          bb_work_aligned, pbb_ptr);
1183         }
1184         else
1185 #endif
1186         {
1187             calc_bounding_box_xxxx(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1188                                    pbb_ptr);
1189         }
1190         if (gmx_debug_at)
1191         {
1192             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1193                     sx, sy, sz,
1194                     pbb_ptr[0*STRIDE_PBB], pbb_ptr[3*STRIDE_PBB],
1195                     pbb_ptr[1*STRIDE_PBB], pbb_ptr[4*STRIDE_PBB],
1196                     pbb_ptr[2*STRIDE_PBB], pbb_ptr[5*STRIDE_PBB]);
1197         }
1198     }
1199 #endif
1200     else
1201     {
1202         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1203         bb_ptr = grid->bb+((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log);
1204
1205         calc_bounding_box(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1206                           bb_ptr);
1207
1208         if (gmx_debug_at)
1209         {
1210             int bbo;
1211             bbo = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc)/grid->na_c;
1212             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1213                     sx, sy, sz,
1214                     grid->bb[bbo].lower[BB_X],
1215                     grid->bb[bbo].lower[BB_Y],
1216                     grid->bb[bbo].lower[BB_Z],
1217                     grid->bb[bbo].upper[BB_X],
1218                     grid->bb[bbo].upper[BB_Y],
1219                     grid->bb[bbo].upper[BB_Z]);
1220         }
1221     }
1222 }
1223
1224 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1225 static void sort_columns_simple(const nbnxn_search_t nbs,
1226                                 int dd_zone,
1227                                 nbnxn_grid_t *grid,
1228                                 int a0, int a1,
1229                                 const int *atinfo,
1230                                 rvec *x,
1231                                 nbnxn_atomdata_t *nbat,
1232                                 int cxy_start, int cxy_end,
1233                                 int *sort_work)
1234 {
1235     int  cxy;
1236     int  cx, cy, cz, ncz, cfilled, c;
1237     int  na, ash, ind, a;
1238     int  na_c, ash_c;
1239
1240     if (debug)
1241     {
1242         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1243                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1244     }
1245
1246     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1247     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1248     {
1249         cx = cxy/grid->ncy;
1250         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1251
1252         na  = grid->cxy_na[cxy];
1253         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1254         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1255
1256         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1257         sort_atoms(ZZ, FALSE,
1258                    nbs->a+ash, na, x,
1259                    grid->c0[ZZ],
1260                    1.0/nbs->box[ZZ][ZZ], ncz*grid->na_sc,
1261                    sort_work);
1262
1263         /* Fill the ncz cells in this column */
1264         cfilled = grid->cxy_ind[cxy];
1265         for (cz = 0; cz < ncz; cz++)
1266         {
1267             c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1268
1269             ash_c = ash + cz*grid->na_sc;
1270             na_c  = min(grid->na_sc, na-(ash_c-ash));
1271
1272             fill_cell(nbs, grid, nbat,
1273                       ash_c, ash_c+na_c, atinfo, x,
1274                       grid->na_sc*cx + (dd_zone >> 2),
1275                       grid->na_sc*cy + (dd_zone & 3),
1276                       grid->na_sc*cz,
1277                       NULL);
1278
1279             /* This copy to bbcz is not really necessary.
1280              * But it allows to use the same grid search code
1281              * for the simple and supersub cell setups.
1282              */
1283             if (na_c > 0)
1284             {
1285                 cfilled = c;
1286             }
1287             grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = grid->bb[cfilled].lower[BB_Z];
1288             grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = grid->bb[cfilled].upper[BB_Z];
1289         }
1290
1291         /* Set the unused atom indices to -1 */
1292         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1293         {
1294             nbs->a[ash+ind] = -1;
1295         }
1296     }
1297 }
1298
1299 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1300 static void sort_columns_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
1301                                   int dd_zone,
1302                                   nbnxn_grid_t *grid,
1303                                   int a0, int a1,
1304                                   const int *atinfo,
1305                                   rvec *x,
1306                                   nbnxn_atomdata_t *nbat,
1307                                   int cxy_start, int cxy_end,
1308                                   int *sort_work)
1309 {
1310     int  cxy;
1311     int  cx, cy, cz = -1, c = -1, ncz;
1312     int  na, ash, na_c, ind, a;
1313     int  subdiv_z, sub_z, na_z, ash_z;
1314     int  subdiv_y, sub_y, na_y, ash_y;
1315     int  subdiv_x, sub_x, na_x, ash_x;
1316
1317     /* cppcheck-suppress unassignedVariable */
1318     nbnxn_bb_t bb_work_array[2], *bb_work_aligned;
1319
1320     bb_work_aligned = (nbnxn_bb_t *)(((size_t)(bb_work_array+1)) & (~((size_t)15)));
1321
1322     if (debug)
1323     {
1324         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1325                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1326     }
1327
1328     subdiv_x = grid->na_c;
1329     subdiv_y = GPU_NSUBCELL_X*subdiv_x;
1330     subdiv_z = GPU_NSUBCELL_Y*subdiv_y;
1331
1332     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1333     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1334     {
1335         cx = cxy/grid->ncy;
1336         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1337
1338         na  = grid->cxy_na[cxy];
1339         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1340         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1341
1342         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1343         sort_atoms(ZZ, FALSE,
1344                    nbs->a+ash, na, x,
1345                    grid->c0[ZZ],
1346                    1.0/nbs->box[ZZ][ZZ], ncz*grid->na_sc,
1347                    sort_work);
1348
1349         /* This loop goes over the supercells and subcells along z at once */
1350         for (sub_z = 0; sub_z < ncz*GPU_NSUBCELL_Z; sub_z++)
1351         {
1352             ash_z = ash + sub_z*subdiv_z;
1353             na_z  = min(subdiv_z, na-(ash_z-ash));
1354
1355             /* We have already sorted on z */
1356
1357             if (sub_z % GPU_NSUBCELL_Z == 0)
1358             {
1359                 cz = sub_z/GPU_NSUBCELL_Z;
1360                 c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1361
1362                 /* The number of atoms in this supercell */
1363                 na_c = min(grid->na_sc, na-(ash_z-ash));
1364
1365                 grid->nsubc[c] = min(GPU_NSUBCELL, (na_c+grid->na_c-1)/grid->na_c);
1366
1367                 /* Store the z-boundaries of the super cell */
1368                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = x[nbs->a[ash_z]][ZZ];
1369                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = x[nbs->a[ash_z+na_c-1]][ZZ];
1370             }
1371
1372 #if GPU_NSUBCELL_Y > 1
1373             /* Sort the atoms along y */
1374             sort_atoms(YY, (sub_z & 1),
1375                        nbs->a+ash_z, na_z, x,
1376                        grid->c0[YY]+cy*grid->sy,
1377                        grid->inv_sy, subdiv_z,
1378                        sort_work);
1379 #endif
1380
1381             for (sub_y = 0; sub_y < GPU_NSUBCELL_Y; sub_y++)
1382             {
1383                 ash_y = ash_z + sub_y*subdiv_y;
1384                 na_y  = min(subdiv_y, na-(ash_y-ash));
1385
1386 #if GPU_NSUBCELL_X > 1
1387                 /* Sort the atoms along x */
1388                 sort_atoms(XX, ((cz*GPU_NSUBCELL_Y + sub_y) & 1),
1389                            nbs->a+ash_y, na_y, x,
1390                            grid->c0[XX]+cx*grid->sx,
1391                            grid->inv_sx, subdiv_y,
1392                            sort_work);
1393 #endif
1394
1395                 for (sub_x = 0; sub_x < GPU_NSUBCELL_X; sub_x++)
1396                 {
1397                     ash_x = ash_y + sub_x*subdiv_x;
1398                     na_x  = min(subdiv_x, na-(ash_x-ash));
1399
1400                     fill_cell(nbs, grid, nbat,
1401                               ash_x, ash_x+na_x, atinfo, x,
1402                               grid->na_c*(cx*GPU_NSUBCELL_X+sub_x) + (dd_zone >> 2),
1403                               grid->na_c*(cy*GPU_NSUBCELL_Y+sub_y) + (dd_zone & 3),
1404                               grid->na_c*sub_z,
1405                               bb_work_aligned);
1406                 }
1407             }
1408         }
1409
1410         /* Set the unused atom indices to -1 */
1411         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1412         {
1413             nbs->a[ash+ind] = -1;
1414         }
1415     }
1416 }
1417
1418 /* Determine in which grid column atoms should go */
1419 static void calc_column_indices(nbnxn_grid_t *grid,
1420                                 int a0, int a1,
1421                                 rvec *x,
1422                                 int dd_zone, const int *move,
1423                                 int thread, int nthread,
1424                                 int *cell,
1425                                 int *cxy_na)
1426 {
1427     int  n0, n1, i;
1428     int  cx, cy;
1429
1430     /* We add one extra cell for particles which moved during DD */
1431     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1432     {
1433         cxy_na[i] = 0;
1434     }
1435
1436     n0 = a0 + (int)((thread+0)*(a1 - a0))/nthread;
1437     n1 = a0 + (int)((thread+1)*(a1 - a0))/nthread;
1438     if (dd_zone == 0)
1439     {
1440         /* Home zone */
1441         for (i = n0; i < n1; i++)
1442         {
1443             if (move == NULL || move[i] >= 0)
1444             {
1445                 /* We need to be careful with rounding,
1446                  * particles might be a few bits outside the local zone.
1447                  * The int cast takes care of the lower bound,
1448                  * we will explicitly take care of the upper bound.
1449                  */
1450                 cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1451                 cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1452
1453 #ifndef NDEBUG
1454                 if (cx < 0 || cx > grid->ncx ||
1455                     cy < 0 || cy > grid->ncy)
1456                 {
1457                     gmx_fatal(FARGS,
1458                               "grid cell cx %d cy %d out of range (max %d %d)\n"
1459                               "atom %f %f %f, grid->c0 %f %f",
1460                               cx, cy, grid->ncx, grid->ncy,
1461                               x[i][XX], x[i][YY], x[i][ZZ], grid->c0[XX], grid->c0[YY]);
1462                 }
1463 #endif
1464                 /* Take care of potential rouding issues */
1465                 cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1466                 cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1467
1468                 /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1469                  * x and y indices, not z.
1470                  */
1471                 cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1472             }
1473             else
1474             {
1475                 /* Put this moved particle after the end of the grid,
1476                  * so we can process it later without using conditionals.
1477                  */
1478                 cell[i] = grid->ncx*grid->ncy;
1479             }
1480
1481             cxy_na[cell[i]]++;
1482         }
1483     }
1484     else
1485     {
1486         /* Non-home zone */
1487         for (i = n0; i < n1; i++)
1488         {
1489             cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1490             cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1491
1492             /* For non-home zones there could be particles outside
1493              * the non-bonded cut-off range, which have been communicated
1494              * for bonded interactions only. For the result it doesn't
1495              * matter where these end up on the grid. For performance
1496              * we put them in an extra row at the border.
1497              */
1498             cx = max(cx, 0);
1499             cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1500             cy = max(cy, 0);
1501             cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1502
1503             /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1504              * x and y indices, not z.
1505              */
1506             cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1507
1508             cxy_na[cell[i]]++;
1509         }
1510     }
1511 }
1512
1513 /* Determine in which grid cells the atoms should go */
1514 static void calc_cell_indices(const nbnxn_search_t nbs,
1515                               int dd_zone,
1516                               nbnxn_grid_t *grid,
1517                               int a0, int a1,
1518                               const int *atinfo,
1519                               rvec *x,
1520                               const int *move,
1521                               nbnxn_atomdata_t *nbat)
1522 {
1523     int   n0, n1, i;
1524     int   cx, cy, cxy, ncz_max, ncz;
1525     int   nthread, thread;
1526     int  *cxy_na, cxy_na_i;
1527
1528     nthread = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1529
1530 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1531     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1532     {
1533         calc_column_indices(grid, a0, a1, x, dd_zone, move, thread, nthread,
1534                             nbs->cell, nbs->work[thread].cxy_na);
1535     }
1536
1537     /* Make the cell index as a function of x and y */
1538     ncz_max          = 0;
1539     ncz              = 0;
1540     grid->cxy_ind[0] = 0;
1541     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1542     {
1543         /* We set ncz_max at the beginning of the loop iso at the end
1544          * to skip i=grid->ncx*grid->ncy which are moved particles
1545          * that do not need to be ordered on the grid.
1546          */
1547         if (ncz > ncz_max)
1548         {
1549             ncz_max = ncz;
1550         }
1551         cxy_na_i = nbs->work[0].cxy_na[i];
1552         for (thread = 1; thread < nthread; thread++)
1553         {
1554             cxy_na_i += nbs->work[thread].cxy_na[i];
1555         }
1556         ncz = (cxy_na_i + grid->na_sc - 1)/grid->na_sc;
1557         if (nbat->XFormat == nbatX8)
1558         {
1559             /* Make the number of cell a multiple of 2 */
1560             ncz = (ncz + 1) & ~1;
1561         }
1562         grid->cxy_ind[i+1] = grid->cxy_ind[i] + ncz;
1563         /* Clear cxy_na, so we can reuse the array below */
1564         grid->cxy_na[i] = 0;
1565     }
1566     grid->nc = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy] - grid->cxy_ind[0];
1567
1568     nbat->natoms = (grid->cell0 + grid->nc)*grid->na_sc;
1569
1570     if (debug)
1571     {
1572         fprintf(debug, "ns na_sc %d na_c %d super-cells: %d x %d y %d z %.1f maxz %d\n",
1573                 grid->na_sc, grid->na_c, grid->nc,
1574                 grid->ncx, grid->ncy, grid->nc/((double)(grid->ncx*grid->ncy)),
1575                 ncz_max);
1576         if (gmx_debug_at)
1577         {
1578             i = 0;
1579             for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
1580             {
1581                 for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
1582                 {
1583                     fprintf(debug, " %2d", grid->cxy_ind[i+1]-grid->cxy_ind[i]);
1584                     i++;
1585                 }
1586                 fprintf(debug, "\n");
1587             }
1588         }
1589     }
1590
1591     /* Make sure the work array for sorting is large enough */
1592     if (ncz_max*grid->na_sc*SGSF > nbs->work[0].sort_work_nalloc)
1593     {
1594         for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1595         {
1596             nbs->work[thread].sort_work_nalloc =
1597                 over_alloc_large(ncz_max*grid->na_sc*SGSF);
1598             srenew(nbs->work[thread].sort_work,
1599                    nbs->work[thread].sort_work_nalloc);
1600             /* When not in use, all elements should be -1 */
1601             for (i = 0; i < nbs->work[thread].sort_work_nalloc; i++)
1602             {
1603                 nbs->work[thread].sort_work[i] = -1;
1604             }
1605         }
1606     }
1607
1608     /* Now we know the dimensions we can fill the grid.
1609      * This is the first, unsorted fill. We sort the columns after this.
1610      */
1611     for (i = a0; i < a1; i++)
1612     {
1613         /* At this point nbs->cell contains the local grid x,y indices */
1614         cxy = nbs->cell[i];
1615         nbs->a[(grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc + grid->cxy_na[cxy]++] = i;
1616     }
1617
1618     if (dd_zone == 0)
1619     {
1620         /* Set the cell indices for the moved particles */
1621         n0 = grid->nc*grid->na_sc;
1622         n1 = grid->nc*grid->na_sc+grid->cxy_na[grid->ncx*grid->ncy];
1623         if (dd_zone == 0)
1624         {
1625             for (i = n0; i < n1; i++)
1626             {
1627                 nbs->cell[nbs->a[i]] = i;
1628             }
1629         }
1630     }
1631
1632     /* Sort the super-cell columns along z into the sub-cells. */
1633 #pragma omp parallel for num_threads(nbs->nthread_max) schedule(static)
1634     for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1635     {
1636         if (grid->bSimple)
1637         {
1638             sort_columns_simple(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1639                                 ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1640                                 ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1641                                 nbs->work[thread].sort_work);
1642         }
1643         else
1644         {
1645             sort_columns_supersub(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1646                                   ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1647                                   ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1648                                   nbs->work[thread].sort_work);
1649         }
1650     }
1651
1652     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1653     {
1654         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb);
1655     }
1656
1657     if (!grid->bSimple)
1658     {
1659         grid->nsubc_tot = 0;
1660         for (i = 0; i < grid->nc; i++)
1661         {
1662             grid->nsubc_tot += grid->nsubc[i];
1663         }
1664     }
1665
1666     if (debug)
1667     {
1668         if (grid->bSimple)
1669         {
1670             print_bbsizes_simple(debug, nbs, grid);
1671         }
1672         else
1673         {
1674             fprintf(debug, "ns non-zero sub-cells: %d average atoms %.2f\n",
1675                     grid->nsubc_tot, (a1-a0)/(double)grid->nsubc_tot);
1676
1677             print_bbsizes_supersub(debug, nbs, grid);
1678         }
1679     }
1680 }
1681
1682 static void init_buffer_flags(nbnxn_buffer_flags_t *flags,
1683                               int                   natoms)
1684 {
1685     int b;
1686
1687     flags->nflag = (natoms + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE - 1)/NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE;
1688     if (flags->nflag > flags->flag_nalloc)
1689     {
1690         flags->flag_nalloc = over_alloc_large(flags->nflag);
1691         srenew(flags->flag, flags->flag_nalloc);
1692     }
1693     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
1694     {
1695         flags->flag[b] = 0;
1696     }
1697 }
1698
1699 /* Sets up a grid and puts the atoms on the grid.
1700  * This function only operates on one domain of the domain decompostion.
1701  * Note that without domain decomposition there is only one domain.
1702  */
1703 void nbnxn_put_on_grid(nbnxn_search_t nbs,
1704                        int ePBC, matrix box,
1705                        int dd_zone,
1706                        rvec corner0, rvec corner1,
1707                        int a0, int a1,
1708                        real atom_density,
1709                        const int *atinfo,
1710                        rvec *x,
1711                        int nmoved, int *move,
1712                        int nb_kernel_type,
1713                        nbnxn_atomdata_t *nbat)
1714 {
1715     nbnxn_grid_t *grid;
1716     int           n;
1717     int           nc_max_grid, nc_max;
1718
1719     grid = &nbs->grid[dd_zone];
1720
1721     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1722
1723     grid->bSimple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
1724
1725     grid->na_c      = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
1726     grid->na_cj     = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
1727     grid->na_sc     = (grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL)*grid->na_c;
1728     grid->na_c_2log = get_2log(grid->na_c);
1729
1730     nbat->na_c = grid->na_c;
1731
1732     if (dd_zone == 0)
1733     {
1734         grid->cell0 = 0;
1735     }
1736     else
1737     {
1738         grid->cell0 =
1739             (nbs->grid[dd_zone-1].cell0 + nbs->grid[dd_zone-1].nc)*
1740             nbs->grid[dd_zone-1].na_sc/grid->na_sc;
1741     }
1742
1743     n = a1 - a0;
1744
1745     if (dd_zone == 0)
1746     {
1747         nbs->ePBC = ePBC;
1748         copy_mat(box, nbs->box);
1749
1750         if (atom_density >= 0)
1751         {
1752             grid->atom_density = atom_density;
1753         }
1754         else
1755         {
1756             grid->atom_density = grid_atom_density(n-nmoved, corner0, corner1);
1757         }
1758
1759         grid->cell0 = 0;
1760
1761         nbs->natoms_local    = a1 - nmoved;
1762         /* We assume that nbnxn_put_on_grid is called first
1763          * for the local atoms (dd_zone=0).
1764          */
1765         nbs->natoms_nonlocal = a1 - nmoved;
1766     }
1767     else
1768     {
1769         nbs->natoms_nonlocal = max(nbs->natoms_nonlocal, a1);
1770     }
1771
1772     nc_max_grid = set_grid_size_xy(nbs, grid,
1773                                    dd_zone, n-nmoved, corner0, corner1,
1774                                    nbs->grid[0].atom_density);
1775
1776     nc_max = grid->cell0 + nc_max_grid;
1777
1778     if (a1 > nbs->cell_nalloc)
1779     {
1780         nbs->cell_nalloc = over_alloc_large(a1);
1781         srenew(nbs->cell, nbs->cell_nalloc);
1782     }
1783
1784     /* To avoid conditionals we store the moved particles at the end of a,
1785      * make sure we have enough space.
1786      */
1787     if (nc_max*grid->na_sc + nmoved > nbs->a_nalloc)
1788     {
1789         nbs->a_nalloc = over_alloc_large(nc_max*grid->na_sc + nmoved);
1790         srenew(nbs->a, nbs->a_nalloc);
1791     }
1792
1793     /* We need padding up to a multiple of the buffer flag size: simply add */
1794     if (nc_max*grid->na_sc + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE > nbat->nalloc)
1795     {
1796         nbnxn_atomdata_realloc(nbat, nc_max*grid->na_sc+NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE);
1797     }
1798
1799     calc_cell_indices(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, move, nbat);
1800
1801     if (dd_zone == 0)
1802     {
1803         nbat->natoms_local = nbat->natoms;
1804     }
1805
1806     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1807 }
1808
1809 /* Calls nbnxn_put_on_grid for all non-local domains */
1810 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nbnxn_search_t            nbs,
1811                                 const gmx_domdec_zones_t *zones,
1812                                 const int                *atinfo,
1813                                 rvec                     *x,
1814                                 int                       nb_kernel_type,
1815                                 nbnxn_atomdata_t         *nbat)
1816 {
1817     int  zone, d;
1818     rvec c0, c1;
1819
1820     for (zone = 1; zone < zones->n; zone++)
1821     {
1822         for (d = 0; d < DIM; d++)
1823         {
1824             c0[d] = zones->size[zone].bb_x0[d];
1825             c1[d] = zones->size[zone].bb_x1[d];
1826         }
1827
1828         nbnxn_put_on_grid(nbs, nbs->ePBC, NULL,
1829                           zone, c0, c1,
1830                           zones->cg_range[zone],
1831                           zones->cg_range[zone+1],
1832                           -1,
1833                           atinfo,
1834                           x,
1835                           0, NULL,
1836                           nb_kernel_type,
1837                           nbat);
1838     }
1839 }
1840
1841 /* Add simple grid type information to the local super/sub grid */
1842 void nbnxn_grid_add_simple(nbnxn_search_t    nbs,
1843                            nbnxn_atomdata_t *nbat)
1844 {
1845     nbnxn_grid_t *grid;
1846     float        *bbcz;
1847     nbnxn_bb_t   *bb;
1848     int           ncd, sc;
1849
1850     grid = &nbs->grid[0];
1851
1852     if (grid->bSimple)
1853     {
1854         gmx_incons("nbnxn_grid_simple called with a simple grid");
1855     }
1856
1857     ncd = grid->na_sc/NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1858
1859     if (grid->nc*ncd > grid->nc_nalloc_simple)
1860     {
1861         grid->nc_nalloc_simple = over_alloc_large(grid->nc*ncd);
1862         srenew(grid->bbcz_simple, grid->nc_nalloc_simple*NNBSBB_D);
1863         srenew(grid->bb_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1864         srenew(grid->flags_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1865         if (nbat->XFormat)
1866         {
1867             sfree_aligned(grid->bbj);
1868             snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc_simple/2, 16);
1869         }
1870     }
1871
1872     bbcz = grid->bbcz_simple;
1873     bb   = grid->bb_simple;
1874
1875 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
1876     for (sc = 0; sc < grid->nc; sc++)
1877     {
1878         int c, tx, na;
1879
1880         for (c = 0; c < ncd; c++)
1881         {
1882             tx = sc*ncd + c;
1883
1884             na = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1885             while (na > 0 &&
1886                    nbat->type[tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+na-1] == nbat->ntype-1)
1887             {
1888                 na--;
1889             }
1890
1891             if (na > 0)
1892             {
1893                 switch (nbat->XFormat)
1894                 {
1895                     case nbatX4:
1896                         /* PACK_X4==NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, so this is simple */
1897                         calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+tx*STRIDE_P4,
1898                                                bb+tx);
1899                         break;
1900                     case nbatX8:
1901                         /* PACK_X8>NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, more complicated */
1902                         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE),
1903                                                bb+tx);
1904                         break;
1905                     default:
1906                         calc_bounding_box(na, nbat->xstride,
1907                                           nbat->x+tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*nbat->xstride,
1908                                           bb+tx);
1909                         break;
1910                 }
1911                 bbcz[tx*NNBSBB_D+0] = bb[tx].lower[BB_Z];
1912                 bbcz[tx*NNBSBB_D+1] = bb[tx].upper[BB_Z];
1913
1914                 /* No interaction optimization yet here */
1915                 grid->flags_simple[tx] = NBNXN_CI_DO_LJ(0) | NBNXN_CI_DO_COUL(0);
1916             }
1917             else
1918             {
1919                 grid->flags_simple[tx] = 0;
1920             }
1921         }
1922     }
1923
1924     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1925     {
1926         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb_simple);
1927     }
1928 }
1929
1930 void nbnxn_get_ncells(nbnxn_search_t nbs, int *ncx, int *ncy)
1931 {
1932     *ncx = nbs->grid[0].ncx;
1933     *ncy = nbs->grid[0].ncy;
1934 }
1935
1936 void nbnxn_get_atomorder(nbnxn_search_t nbs, int **a, int *n)
1937 {
1938     const nbnxn_grid_t *grid;
1939
1940     grid = &nbs->grid[0];
1941
1942     /* Return the atom order for the home cell (index 0) */
1943     *a  = nbs->a;
1944
1945     *n = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy]*grid->na_sc;
1946 }
1947
1948 void nbnxn_set_atomorder(nbnxn_search_t nbs)
1949 {
1950     nbnxn_grid_t *grid;
1951     int           ao, cx, cy, cxy, cz, j;
1952
1953     /* Set the atom order for the home cell (index 0) */
1954     grid = &nbs->grid[0];
1955
1956     ao = 0;
1957     for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
1958     {
1959         for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
1960         {
1961             cxy = cx*grid->ncy + cy;
1962             j   = grid->cxy_ind[cxy]*grid->na_sc;
1963             for (cz = 0; cz < grid->cxy_na[cxy]; cz++)
1964             {
1965                 nbs->a[j]     = ao;
1966                 nbs->cell[ao] = j;
1967                 ao++;
1968                 j++;
1969             }
1970         }
1971     }
1972 }
1973
1974 /* Determines the cell range along one dimension that
1975  * the bounding box b0 - b1 sees.
1976  */
1977 static void get_cell_range(real b0, real b1,
1978                            int nc, real c0, real s, real invs,
1979                            real d2, real r2, int *cf, int *cl)
1980 {
1981     *cf = max((int)((b0 - c0)*invs), 0);
1982
1983     while (*cf > 0 && d2 + sqr((b0 - c0) - (*cf-1+1)*s) < r2)
1984     {
1985         (*cf)--;
1986     }
1987
1988     *cl = min((int)((b1 - c0)*invs), nc-1);
1989     while (*cl < nc-1 && d2 + sqr((*cl+1)*s - (b1 - c0)) < r2)
1990     {
1991         (*cl)++;
1992     }
1993 }
1994
1995 /* Reference code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
1996 static float box_dist2(float bx0, float bx1, float by0,
1997                        float by1, float bz0, float bz1,
1998                        const nbnxn_bb_t *bb)
1999 {
2000     float d2;
2001     float dl, dh, dm, dm0;
2002
2003     d2 = 0;
2004
2005     dl  = bx0 - bb->upper[BB_X];
2006     dh  = bb->lower[BB_X] - bx1;
2007     dm  = max(dl, dh);
2008     dm0 = max(dm, 0);
2009     d2 += dm0*dm0;
2010
2011     dl  = by0 - bb->upper[BB_Y];
2012     dh  = bb->lower[BB_Y] - by1;
2013     dm  = max(dl, dh);
2014     dm0 = max(dm, 0);
2015     d2 += dm0*dm0;
2016
2017     dl  = bz0 - bb->upper[BB_Z];
2018     dh  = bb->lower[BB_Z] - bz1;
2019     dm  = max(dl, dh);
2020     dm0 = max(dm, 0);
2021     d2 += dm0*dm0;
2022
2023     return d2;
2024 }
2025
2026 /* Plain C code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2027 static float subc_bb_dist2(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2028                            int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2029 {
2030     const nbnxn_bb_t *bb_i, *bb_j;
2031     float             d2;
2032     float             dl, dh, dm, dm0;
2033
2034     bb_i = bb_i_ci  +  si;
2035     bb_j = bb_j_all + csj;
2036
2037     d2 = 0;
2038
2039     dl  = bb_i->lower[BB_X] - bb_j->upper[BB_X];
2040     dh  = bb_j->lower[BB_X] - bb_i->upper[BB_X];
2041     dm  = max(dl, dh);
2042     dm0 = max(dm, 0);
2043     d2 += dm0*dm0;
2044
2045     dl  = bb_i->lower[BB_Y] - bb_j->upper[BB_Y];
2046     dh  = bb_j->lower[BB_Y] - bb_i->upper[BB_Y];
2047     dm  = max(dl, dh);
2048     dm0 = max(dm, 0);
2049     d2 += dm0*dm0;
2050
2051     dl  = bb_i->lower[BB_Z] - bb_j->upper[BB_Z];
2052     dh  = bb_j->lower[BB_Z] - bb_i->upper[BB_Z];
2053     dm  = max(dl, dh);
2054     dm0 = max(dm, 0);
2055     d2 += dm0*dm0;
2056
2057     return d2;
2058 }
2059
2060 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
2061
2062 /* 4-wide SIMD code for bb distance for bb format xyz0 */
2063 static float subc_bb_dist2_simd4(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2064                                  int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2065 {
2066     gmx_simd4_pr bb_i_S0, bb_i_S1;
2067     gmx_simd4_pr bb_j_S0, bb_j_S1;
2068     gmx_simd4_pr dl_S;
2069     gmx_simd4_pr dh_S;
2070     gmx_simd4_pr dm_S;
2071     gmx_simd4_pr dm0_S;
2072
2073     bb_i_S0 = gmx_simd4_load_bb_pr(&bb_i_ci[si].lower[0]);
2074     bb_i_S1 = gmx_simd4_load_bb_pr(&bb_i_ci[si].upper[0]);
2075     bb_j_S0 = gmx_simd4_load_bb_pr(&bb_j_all[csj].lower[0]);
2076     bb_j_S1 = gmx_simd4_load_bb_pr(&bb_j_all[csj].upper[0]);
2077
2078     dl_S    = gmx_simd4_sub_pr(bb_i_S0, bb_j_S1);
2079     dh_S    = gmx_simd4_sub_pr(bb_j_S0, bb_i_S1);
2080
2081     dm_S    = gmx_simd4_max_pr(dl_S, dh_S);
2082     dm0_S   = gmx_simd4_max_pr(dm_S, gmx_simd4_setzero_pr());
2083
2084     return gmx_simd4_dotproduct3(dm0_S, dm0_S);
2085 }
2086
2087 /* Calculate bb bounding distances of bb_i[si,...,si+3] and store them in d2 */
2088 #define SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(si, bb_i, d2) \
2089     {                                                \
2090         int    shi;                                  \
2091                                                  \
2092         gmx_simd4_pr dx_0, dy_0, dz_0;                       \
2093         gmx_simd4_pr dx_1, dy_1, dz_1;                       \
2094                                                  \
2095         gmx_simd4_pr mx, my, mz;                             \
2096         gmx_simd4_pr m0x, m0y, m0z;                          \
2097                                                  \
2098         gmx_simd4_pr d2x, d2y, d2z;                          \
2099         gmx_simd4_pr d2s, d2t;                              \
2100                                                  \
2101         shi = si*NNBSBB_D*DIM;                       \
2102                                                  \
2103         xi_l = gmx_simd4_load_bb_pr(bb_i+shi+0*STRIDE_PBB);   \
2104         yi_l = gmx_simd4_load_bb_pr(bb_i+shi+1*STRIDE_PBB);   \
2105         zi_l = gmx_simd4_load_bb_pr(bb_i+shi+2*STRIDE_PBB);   \
2106         xi_h = gmx_simd4_load_bb_pr(bb_i+shi+3*STRIDE_PBB);   \
2107         yi_h = gmx_simd4_load_bb_pr(bb_i+shi+4*STRIDE_PBB);   \
2108         zi_h = gmx_simd4_load_bb_pr(bb_i+shi+5*STRIDE_PBB);   \
2109                                                  \
2110         dx_0 = gmx_simd4_sub_pr(xi_l, xj_h);                \
2111         dy_0 = gmx_simd4_sub_pr(yi_l, yj_h);                \
2112         dz_0 = gmx_simd4_sub_pr(zi_l, zj_h);                \
2113                                                  \
2114         dx_1 = gmx_simd4_sub_pr(xj_l, xi_h);                \
2115         dy_1 = gmx_simd4_sub_pr(yj_l, yi_h);                \
2116         dz_1 = gmx_simd4_sub_pr(zj_l, zi_h);                \
2117                                                  \
2118         mx   = gmx_simd4_max_pr(dx_0, dx_1);                \
2119         my   = gmx_simd4_max_pr(dy_0, dy_1);                \
2120         mz   = gmx_simd4_max_pr(dz_0, dz_1);                \
2121                                                  \
2122         m0x  = gmx_simd4_max_pr(mx, zero);                  \
2123         m0y  = gmx_simd4_max_pr(my, zero);                  \
2124         m0z  = gmx_simd4_max_pr(mz, zero);                  \
2125                                                  \
2126         d2x  = gmx_simd4_mul_pr(m0x, m0x);                  \
2127         d2y  = gmx_simd4_mul_pr(m0y, m0y);                  \
2128         d2z  = gmx_simd4_mul_pr(m0z, m0z);                  \
2129                                                  \
2130         d2s  = gmx_simd4_add_pr(d2x, d2y);                  \
2131         d2t  = gmx_simd4_add_pr(d2s, d2z);                  \
2132                                                  \
2133         gmx_simd4_store_pr(d2+si, d2t);                     \
2134     }
2135
2136 /* 4-wide SIMD code for nsi bb distances for bb format xxxxyyyyzzzz */
2137 static void subc_bb_dist2_simd4_xxxx(const float *bb_j,
2138                                      int nsi, const float *bb_i,
2139                                      float *d2)
2140 {
2141     gmx_simd4_pr xj_l, yj_l, zj_l;
2142     gmx_simd4_pr xj_h, yj_h, zj_h;
2143     gmx_simd4_pr xi_l, yi_l, zi_l;
2144     gmx_simd4_pr xi_h, yi_h, zi_h;
2145
2146     gmx_simd4_pr zero;
2147
2148     zero = gmx_simd4_setzero_pr();
2149
2150     xj_l = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[0*STRIDE_PBB]);
2151     yj_l = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[1*STRIDE_PBB]);
2152     zj_l = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[2*STRIDE_PBB]);
2153     xj_h = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[3*STRIDE_PBB]);
2154     yj_h = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[4*STRIDE_PBB]);
2155     zj_h = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[5*STRIDE_PBB]);
2156
2157     /* Here we "loop" over si (0,STRIDE_PBB) from 0 to nsi with step STRIDE_PBB.
2158      * But as we know the number of iterations is 1 or 2, we unroll manually.
2159      */
2160     SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(0, bb_i, d2);
2161     if (STRIDE_PBB < nsi)
2162     {
2163         SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(STRIDE_PBB, bb_i, d2);
2164     }
2165 }
2166
2167 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
2168
2169 /* Plain C function which determines if any atom pair between two cells
2170  * is within distance sqrt(rl2).
2171  */
2172 static gmx_bool subc_in_range_x(int na_c,
2173                                 int si, const real *x_i,
2174                                 int csj, int stride, const real *x_j,
2175                                 real rl2)
2176 {
2177     int  i, j, i0, j0;
2178     real d2;
2179
2180     for (i = 0; i < na_c; i++)
2181     {
2182         i0 = (si*na_c + i)*DIM;
2183         for (j = 0; j < na_c; j++)
2184         {
2185             j0 = (csj*na_c + j)*stride;
2186
2187             d2 = sqr(x_i[i0  ] - x_j[j0  ]) +
2188                 sqr(x_i[i0+1] - x_j[j0+1]) +
2189                 sqr(x_i[i0+2] - x_j[j0+2]);
2190
2191             if (d2 < rl2)
2192             {
2193                 return TRUE;
2194             }
2195         }
2196     }
2197
2198     return FALSE;
2199 }
2200
2201 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
2202 /* When we make seperate single/double precision SIMD vector operation
2203  * include files, this function should be moved there (also using FMA).
2204  */
2205 static inline gmx_simd4_pr
2206 gmx_simd4_calc_rsq_pr(gmx_simd4_pr x, gmx_simd4_pr y, gmx_simd4_pr z)
2207 {
2208     return gmx_simd4_add_pr( gmx_simd4_add_pr( gmx_simd4_mul_pr(x, x), gmx_simd4_mul_pr(y, y) ), gmx_simd4_mul_pr(z, z) );
2209 }
2210
2211 /* 4-wide SIMD function which determines if any atom pair between two cells,
2212  * both with 8 atoms, is within distance sqrt(rl2).
2213  * Using 8-wide AVX is not faster on Intel Sandy Bridge.
2214  */
2215 static gmx_bool subc_in_range_simd4(int na_c,
2216                                     int si, const real *x_i,
2217                                     int csj, int stride, const real *x_j,
2218                                     real rl2)
2219 {
2220     gmx_simd4_pr ix_S0, iy_S0, iz_S0;
2221     gmx_simd4_pr ix_S1, iy_S1, iz_S1;
2222
2223     gmx_simd4_pr rc2_S;
2224
2225     int    dim_stride;
2226     int    j0, j1;
2227
2228     rc2_S   = gmx_simd4_set1_pr(rl2);
2229
2230     dim_stride = NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/STRIDE_PBB*DIM;
2231     ix_S0      = gmx_simd4_load_bb_pr(x_i+(si*dim_stride+0)*STRIDE_PBB);
2232     iy_S0      = gmx_simd4_load_bb_pr(x_i+(si*dim_stride+1)*STRIDE_PBB);
2233     iz_S0      = gmx_simd4_load_bb_pr(x_i+(si*dim_stride+2)*STRIDE_PBB);
2234     ix_S1      = gmx_simd4_load_bb_pr(x_i+(si*dim_stride+3)*STRIDE_PBB);
2235     iy_S1      = gmx_simd4_load_bb_pr(x_i+(si*dim_stride+4)*STRIDE_PBB);
2236     iz_S1      = gmx_simd4_load_bb_pr(x_i+(si*dim_stride+5)*STRIDE_PBB);
2237
2238     /* We loop from the outer to the inner particles to maximize
2239      * the chance that we find a pair in range quickly and return.
2240      */
2241     j0 = csj*na_c;
2242     j1 = j0 + na_c - 1;
2243     while (j0 < j1)
2244     {
2245         gmx_simd4_pr jx0_S, jy0_S, jz0_S;
2246         gmx_simd4_pr jx1_S, jy1_S, jz1_S;
2247
2248         gmx_simd4_pr dx_S0, dy_S0, dz_S0;
2249         gmx_simd4_pr dx_S1, dy_S1, dz_S1;
2250         gmx_simd4_pr dx_S2, dy_S2, dz_S2;
2251         gmx_simd4_pr dx_S3, dy_S3, dz_S3;
2252
2253         gmx_simd4_pr rsq_S0;
2254         gmx_simd4_pr rsq_S1;
2255         gmx_simd4_pr rsq_S2;
2256         gmx_simd4_pr rsq_S3;
2257
2258         gmx_simd4_pb wco_S0;
2259         gmx_simd4_pb wco_S1;
2260         gmx_simd4_pb wco_S2;
2261         gmx_simd4_pb wco_S3;
2262         gmx_simd4_pb wco_any_S01, wco_any_S23, wco_any_S;
2263
2264         jx0_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j0*stride+0]);
2265         jy0_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j0*stride+1]);
2266         jz0_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j0*stride+2]);
2267
2268         jx1_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j1*stride+0]);
2269         jy1_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j1*stride+1]);
2270         jz1_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j1*stride+2]);
2271
2272         /* Calculate distance */
2273         dx_S0            = gmx_simd4_sub_pr(ix_S0, jx0_S);
2274         dy_S0            = gmx_simd4_sub_pr(iy_S0, jy0_S);
2275         dz_S0            = gmx_simd4_sub_pr(iz_S0, jz0_S);
2276         dx_S1            = gmx_simd4_sub_pr(ix_S1, jx0_S);
2277         dy_S1            = gmx_simd4_sub_pr(iy_S1, jy0_S);
2278         dz_S1            = gmx_simd4_sub_pr(iz_S1, jz0_S);
2279         dx_S2            = gmx_simd4_sub_pr(ix_S0, jx1_S);
2280         dy_S2            = gmx_simd4_sub_pr(iy_S0, jy1_S);
2281         dz_S2            = gmx_simd4_sub_pr(iz_S0, jz1_S);
2282         dx_S3            = gmx_simd4_sub_pr(ix_S1, jx1_S);
2283         dy_S3            = gmx_simd4_sub_pr(iy_S1, jy1_S);
2284         dz_S3            = gmx_simd4_sub_pr(iz_S1, jz1_S);
2285
2286         /* rsq = dx*dx+dy*dy+dz*dz */
2287         rsq_S0           = gmx_simd4_calc_rsq_pr(dx_S0, dy_S0, dz_S0);
2288         rsq_S1           = gmx_simd4_calc_rsq_pr(dx_S1, dy_S1, dz_S1);
2289         rsq_S2           = gmx_simd4_calc_rsq_pr(dx_S2, dy_S2, dz_S2);
2290         rsq_S3           = gmx_simd4_calc_rsq_pr(dx_S3, dy_S3, dz_S3);
2291
2292         wco_S0           = gmx_simd4_cmplt_pr(rsq_S0, rc2_S);
2293         wco_S1           = gmx_simd4_cmplt_pr(rsq_S1, rc2_S);
2294         wco_S2           = gmx_simd4_cmplt_pr(rsq_S2, rc2_S);
2295         wco_S3           = gmx_simd4_cmplt_pr(rsq_S3, rc2_S);
2296
2297         wco_any_S01      = gmx_simd4_or_pb(wco_S0, wco_S1);
2298         wco_any_S23      = gmx_simd4_or_pb(wco_S2, wco_S3);
2299         wco_any_S        = gmx_simd4_or_pb(wco_any_S01, wco_any_S23);
2300
2301         if (gmx_simd4_anytrue_pb(wco_any_S))
2302         {
2303             return TRUE;
2304         }
2305
2306         j0++;
2307         j1--;
2308     }
2309     return FALSE;
2310
2311 }
2312 #endif
2313
2314
2315 /* Returns the j sub-cell for index cj_ind */
2316 static int nbl_cj(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2317 {
2318     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].cj[cj_ind & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1)];
2319 }
2320
2321 /* Returns the i-interaction mask of the j sub-cell for index cj_ind */
2322 static unsigned nbl_imask0(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2323 {
2324     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].imei[0].imask;
2325 }
2326
2327 /* Ensures there is enough space for extra extra exclusion masks */
2328 static void check_excl_space(nbnxn_pairlist_t *nbl, int extra)
2329 {
2330     if (nbl->nexcl+extra > nbl->excl_nalloc)
2331     {
2332         nbl->excl_nalloc = over_alloc_small(nbl->nexcl+extra);
2333         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->excl,
2334                            nbl->nexcl*sizeof(*nbl->excl),
2335                            nbl->excl_nalloc*sizeof(*nbl->excl),
2336                            nbl->alloc, nbl->free);
2337     }
2338 }
2339
2340 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-cells in the list */
2341 static void check_subcell_list_space_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2342                                             int               ncell)
2343 {
2344     int cj_max;
2345
2346     cj_max = nbl->ncj + ncell;
2347
2348     if (cj_max > nbl->cj_nalloc)
2349     {
2350         nbl->cj_nalloc = over_alloc_small(cj_max);
2351         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj,
2352                            nbl->ncj*sizeof(*nbl->cj),
2353                            nbl->cj_nalloc*sizeof(*nbl->cj),
2354                            nbl->alloc, nbl->free);
2355     }
2356 }
2357
2358 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-subcells in the list */
2359 static void check_subcell_list_space_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2360                                               int               nsupercell)
2361 {
2362     int ncj4_max, j4, j, w, t;
2363
2364 #define NWARP       2
2365 #define WARP_SIZE  32
2366
2367     /* We can have maximally nsupercell*GPU_NSUBCELL sj lists */
2368     /* We can store 4 j-subcell - i-supercell pairs in one struct.
2369      * since we round down, we need one extra entry.
2370      */
2371     ncj4_max = ((nbl->work->cj_ind + nsupercell*GPU_NSUBCELL + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2372
2373     if (ncj4_max > nbl->cj4_nalloc)
2374     {
2375         nbl->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4_max);
2376         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj4,
2377                            nbl->work->cj4_init*sizeof(*nbl->cj4),
2378                            nbl->cj4_nalloc*sizeof(*nbl->cj4),
2379                            nbl->alloc, nbl->free);
2380     }
2381
2382     if (ncj4_max > nbl->work->cj4_init)
2383     {
2384         for (j4 = nbl->work->cj4_init; j4 < ncj4_max; j4++)
2385         {
2386             /* No i-subcells and no excl's in the list initially */
2387             for (w = 0; w < NWARP; w++)
2388             {
2389                 nbl->cj4[j4].imei[w].imask    = 0U;
2390                 nbl->cj4[j4].imei[w].excl_ind = 0;
2391
2392             }
2393         }
2394         nbl->work->cj4_init = ncj4_max;
2395     }
2396 }
2397
2398 /* Set all excl masks for one GPU warp no exclusions */
2399 static void set_no_excls(nbnxn_excl_t *excl)
2400 {
2401     int t;
2402
2403     for (t = 0; t < WARP_SIZE; t++)
2404     {
2405         /* Turn all interaction bits on */
2406         excl->pair[t] = NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL;
2407     }
2408 }
2409
2410 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
2411 static void nbnxn_init_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2412                                 gmx_bool          bSimple,
2413                                 nbnxn_alloc_t    *alloc,
2414                                 nbnxn_free_t     *free)
2415 {
2416     if (alloc == NULL)
2417     {
2418         nbl->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
2419     }
2420     else
2421     {
2422         nbl->alloc = alloc;
2423     }
2424     if (free == NULL)
2425     {
2426         nbl->free = nbnxn_free_aligned;
2427     }
2428     else
2429     {
2430         nbl->free = free;
2431     }
2432
2433     nbl->bSimple     = bSimple;
2434     nbl->na_sc       = 0;
2435     nbl->na_ci       = 0;
2436     nbl->na_cj       = 0;
2437     nbl->nci         = 0;
2438     nbl->ci          = NULL;
2439     nbl->ci_nalloc   = 0;
2440     nbl->ncj         = 0;
2441     nbl->cj          = NULL;
2442     nbl->cj_nalloc   = 0;
2443     nbl->ncj4        = 0;
2444     /* We need one element extra in sj, so alloc initially with 1 */
2445     nbl->cj4_nalloc  = 0;
2446     nbl->cj4         = NULL;
2447     nbl->nci_tot     = 0;
2448
2449     if (!nbl->bSimple)
2450     {
2451         nbl->excl        = NULL;
2452         nbl->excl_nalloc = 0;
2453         nbl->nexcl       = 0;
2454         check_excl_space(nbl, 1);
2455         nbl->nexcl       = 1;
2456         set_no_excls(&nbl->excl[0]);
2457     }
2458
2459     snew(nbl->work, 1);
2460     if (nbl->bSimple)
2461     {
2462         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, 1, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2463     }
2464     else
2465     {
2466 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2467         snew_aligned(nbl->work->pbb_ci, GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2468 #else
2469         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2470 #endif
2471     }
2472     snew_aligned(nbl->work->x_ci, NBNXN_NA_SC_MAX*DIM, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2473 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2474     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_4xn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2475     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_2xnn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2476 #endif
2477     snew_aligned(nbl->work->d2, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2478
2479     nbl->work->sort            = NULL;
2480     nbl->work->sort_nalloc     = 0;
2481     nbl->work->sci_sort        = NULL;
2482     nbl->work->sci_sort_nalloc = 0;
2483 }
2484
2485 void nbnxn_init_pairlist_set(nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
2486                              gmx_bool bSimple, gmx_bool bCombined,
2487                              nbnxn_alloc_t *alloc,
2488                              nbnxn_free_t  *free)
2489 {
2490     int i;
2491
2492     nbl_list->bSimple   = bSimple;
2493     nbl_list->bCombined = bCombined;
2494
2495     nbl_list->nnbl = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
2496
2497     if (!nbl_list->bCombined &&
2498         nbl_list->nnbl > NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS)
2499     {
2500         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.",
2501                   nbl_list->nnbl, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS);
2502     }
2503
2504     snew(nbl_list->nbl, nbl_list->nnbl);
2505     /* Execute in order to avoid memory interleaving between threads */
2506 #pragma omp parallel for num_threads(nbl_list->nnbl) schedule(static)
2507     for (i = 0; i < nbl_list->nnbl; i++)
2508     {
2509         /* Allocate the nblist data structure locally on each thread
2510          * to optimize memory access for NUMA architectures.
2511          */
2512         snew(nbl_list->nbl[i], 1);
2513
2514         /* Only list 0 is used on the GPU, use normal allocation for i>0 */
2515         if (i == 0)
2516         {
2517             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, alloc, free);
2518         }
2519         else
2520         {
2521             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, NULL, NULL);
2522         }
2523     }
2524 }
2525
2526 /* Print statistics of a pair list, used for debug output */
2527 static void print_nblist_statistics_simple(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2528                                            const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2529 {
2530     const nbnxn_grid_t *grid;
2531     int                 cs[SHIFTS];
2532     int                 s, i, j;
2533     int                 npexcl;
2534
2535     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2536     grid = &nbs->grid[0];
2537
2538     fprintf(fp, "nbl nci %d ncj %d\n",
2539             nbl->nci, nbl->ncj);
2540     fprintf(fp, "nbl na_sc %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2541             nbl->na_sc, rl, nbl->ncj, nbl->ncj/(double)grid->nc,
2542             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc,
2543             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)));
2544
2545     fprintf(fp, "nbl average j cell list length %.1f\n",
2546             0.25*nbl->ncj/(double)nbl->nci);
2547
2548     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2549     {
2550         cs[s] = 0;
2551     }
2552     npexcl = 0;
2553     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
2554     {
2555         cs[nbl->ci[i].shift & NBNXN_CI_SHIFT] +=
2556             nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start;
2557
2558         j = nbl->ci[i].cj_ind_start;
2559         while (j < nbl->ci[i].cj_ind_end &&
2560                nbl->cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2561         {
2562             npexcl++;
2563             j++;
2564         }
2565     }
2566     fprintf(fp, "nbl cell pairs, total: %d excl: %d %.1f%%\n",
2567             nbl->ncj, npexcl, 100*npexcl/(double)nbl->ncj);
2568     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2569     {
2570         if (cs[s] > 0)
2571         {
2572             fprintf(fp, "nbl shift %2d ncj %3d\n", s, cs[s]);
2573         }
2574     }
2575 }
2576
2577 /* Print statistics of a pair lists, used for debug output */
2578 static void print_nblist_statistics_supersub(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2579                                              const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2580 {
2581     const nbnxn_grid_t *grid;
2582     int                 i, j4, j, si, b;
2583     int                 c[GPU_NSUBCELL+1];
2584
2585     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2586     grid = &nbs->grid[0];
2587
2588     fprintf(fp, "nbl nsci %d ncj4 %d nsi %d excl4 %d\n",
2589             nbl->nsci, nbl->ncj4, nbl->nci_tot, nbl->nexcl);
2590     fprintf(fp, "nbl na_c %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2591             nbl->na_ci, rl, nbl->nci_tot, nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot,
2592             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c,
2593             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)));
2594
2595     fprintf(fp, "nbl average j super cell list length %.1f\n",
2596             0.25*nbl->ncj4/(double)nbl->nsci);
2597     fprintf(fp, "nbl average i sub cell list length %.1f\n",
2598             nbl->nci_tot/((double)nbl->ncj4));
2599
2600     for (si = 0; si <= GPU_NSUBCELL; si++)
2601     {
2602         c[si] = 0;
2603     }
2604     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
2605     {
2606         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
2607         {
2608             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
2609             {
2610                 b = 0;
2611                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
2612                 {
2613                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
2614                     {
2615                         b++;
2616                     }
2617                 }
2618                 c[b]++;
2619             }
2620         }
2621     }
2622     for (b = 0; b <= GPU_NSUBCELL; b++)
2623     {
2624         fprintf(fp, "nbl j-list #i-subcell %d %7d %4.1f\n",
2625                 b, c[b], 100.0*c[b]/(double)(nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE));
2626     }
2627 }
2628
2629 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp */
2630 static void low_get_nbl_exclusions(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2631                                    int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2632 {
2633     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2634     {
2635         /* No exclusions set, make a new list entry */
2636         nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind = nbl->nexcl;
2637         nbl->nexcl++;
2638         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2639         set_no_excls(*excl);
2640     }
2641     else
2642     {
2643         /* We already have some exclusions, new ones can be added to the list */
2644         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2645     }
2646 }
2647
2648 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp,
2649  * allocates extra memory, if necessary.
2650  */
2651 static void get_nbl_exclusions_1(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2652                                  int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2653 {
2654     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2655     {
2656         /* We need to make a new list entry, check if we have space */
2657         check_excl_space(nbl, 1);
2658     }
2659     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, warp, excl);
2660 }
2661
2662 /* Returns pointers to the exclusion mask for cj4-unit cj4 for both warps,
2663  * allocates extra memory, if necessary.
2664  */
2665 static void get_nbl_exclusions_2(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2666                                  nbnxn_excl_t **excl_w0,
2667                                  nbnxn_excl_t **excl_w1)
2668 {
2669     /* Check for space we might need */
2670     check_excl_space(nbl, 2);
2671
2672     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 0, excl_w0);
2673     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 1, excl_w1);
2674 }
2675
2676 /* Sets the self exclusions i=j and pair exclusions i>j */
2677 static void set_self_and_newton_excls_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2678                                                int cj4_ind, int sj_offset,
2679                                                int si)
2680 {
2681     nbnxn_excl_t *excl[2];
2682     int           ei, ej, w;
2683
2684     /* Here we only set the set self and double pair exclusions */
2685
2686     get_nbl_exclusions_2(nbl, cj4_ind, &excl[0], &excl[1]);
2687
2688     /* Only minor < major bits set */
2689     for (ej = 0; ej < nbl->na_ci; ej++)
2690     {
2691         w = (ej>>2);
2692         for (ei = ej; ei < nbl->na_ci; ei++)
2693         {
2694             excl[w]->pair[(ej & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1))*nbl->na_ci + ei] &=
2695                 ~(1U << (sj_offset*GPU_NSUBCELL + si));
2696         }
2697     }
2698 }
2699
2700 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for plain C lists */
2701 static unsigned int get_imask(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2702 {
2703     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2704 }
2705
2706 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=2 */
2707 static unsigned int get_imask_simd_j2(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2708 {
2709     return (rdiag && ci*2 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_0 :
2710             (rdiag && ci*2+1 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_1 :
2711              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2712 }
2713
2714 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=4 */
2715 static unsigned int get_imask_simd_j4(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2716 {
2717     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2718 }
2719
2720 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=8 */
2721 static unsigned int get_imask_simd_j8(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2722 {
2723     return (rdiag && ci == cj*2 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_0 :
2724             (rdiag && ci == cj*2+1 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_1 :
2725              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2726 }
2727
2728 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2729 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 2
2730 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j2
2731 #endif
2732 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 4
2733 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j4
2734 #endif
2735 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 8
2736 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j8
2737 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j4
2738 #endif
2739 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 16
2740 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j8
2741 #endif
2742 #endif
2743
2744 /* Plain C code for making a pair list of cell ci vs cell cjf-cjl.
2745  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2746  */
2747 static void make_cluster_list_simple(const nbnxn_grid_t *gridj,
2748                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
2749                                      int ci, int cjf, int cjl,
2750                                      gmx_bool remove_sub_diag,
2751                                      const real *x_j,
2752                                      real rl2, float rbb2,
2753                                      int *ndistc)
2754 {
2755     const nbnxn_list_work_t *work;
2756
2757     const nbnxn_bb_t        *bb_ci;
2758     const real              *x_ci;
2759
2760     gmx_bool                 InRange;
2761     real                     d2;
2762     int                      cjf_gl, cjl_gl, cj;
2763
2764     work = nbl->work;
2765
2766     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
2767     x_ci  = nbl->work->x_ci;
2768
2769     InRange = FALSE;
2770     while (!InRange && cjf <= cjl)
2771     {
2772         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjf, gridj->bb);
2773         *ndistc += 2;
2774
2775         /* Check if the distance is within the distance where
2776          * we use only the bounding box distance rbb,
2777          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2778          * within the cut-off.
2779          */
2780         if (d2 < rbb2)
2781         {
2782             InRange = TRUE;
2783         }
2784         else if (d2 < rl2)
2785         {
2786             int i, j;
2787
2788             cjf_gl = gridj->cell0 + cjf;
2789             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2790             {
2791                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2792                 {
2793                     InRange = InRange ||
2794                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2795                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2796                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2797                 }
2798             }
2799             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2800         }
2801         if (!InRange)
2802         {
2803             cjf++;
2804         }
2805     }
2806     if (!InRange)
2807     {
2808         return;
2809     }
2810
2811     InRange = FALSE;
2812     while (!InRange && cjl > cjf)
2813     {
2814         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjl, gridj->bb);
2815         *ndistc += 2;
2816
2817         /* Check if the distance is within the distance where
2818          * we use only the bounding box distance rbb,
2819          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2820          * within the cut-off.
2821          */
2822         if (d2 < rbb2)
2823         {
2824             InRange = TRUE;
2825         }
2826         else if (d2 < rl2)
2827         {
2828             int i, j;
2829
2830             cjl_gl = gridj->cell0 + cjl;
2831             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2832             {
2833                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2834                 {
2835                     InRange = InRange ||
2836                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2837                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2838                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2839                 }
2840             }
2841             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2842         }
2843         if (!InRange)
2844         {
2845             cjl--;
2846         }
2847     }
2848
2849     if (cjf <= cjl)
2850     {
2851         for (cj = cjf; cj <= cjl; cj++)
2852         {
2853             /* Store cj and the interaction mask */
2854             nbl->cj[nbl->ncj].cj   = gridj->cell0 + cj;
2855             nbl->cj[nbl->ncj].excl = get_imask(remove_sub_diag, ci, cj);
2856             nbl->ncj++;
2857         }
2858         /* Increase the closing index in i super-cell list */
2859         nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end = nbl->ncj;
2860     }
2861 }
2862
2863 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
2864 #include "nbnxn_search_simd_4xn.h"
2865 #endif
2866 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
2867 #include "nbnxn_search_simd_2xnn.h"
2868 #endif
2869
2870 /* Plain C or SIMD4 code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
2871  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2872  */
2873 static void make_cluster_list_supersub(const nbnxn_grid_t *gridi,
2874                                        const nbnxn_grid_t *gridj,
2875                                        nbnxn_pairlist_t *nbl,
2876                                        int sci, int scj,
2877                                        gmx_bool sci_equals_scj,
2878                                        int stride, const real *x,
2879                                        real rl2, float rbb2,
2880                                        int *ndistc)
2881 {
2882     int               na_c;
2883     int               npair;
2884     int               cjo, ci1, ci, cj, cj_gl;
2885     int               cj4_ind, cj_offset;
2886     unsigned          imask;
2887     nbnxn_cj4_t      *cj4;
2888 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2889     const float      *pbb_ci;
2890 #else
2891     const nbnxn_bb_t *bb_ci;
2892 #endif
2893     const real       *x_ci;
2894     float            *d2l, d2;
2895     int               w;
2896 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE
2897 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2898     int  ci_last = -1;
2899 #endif
2900
2901     d2l = nbl->work->d2;
2902
2903 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2904     pbb_ci = nbl->work->pbb_ci;
2905 #else
2906     bb_ci  = nbl->work->bb_ci;
2907 #endif
2908     x_ci   = nbl->work->x_ci;
2909
2910     na_c = gridj->na_c;
2911
2912     for (cjo = 0; cjo < gridj->nsubc[scj]; cjo++)
2913     {
2914         cj4_ind   = (nbl->work->cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2915         cj_offset = nbl->work->cj_ind - cj4_ind*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
2916         cj4       = &nbl->cj4[cj4_ind];
2917
2918         cj = scj*GPU_NSUBCELL + cjo;
2919
2920         cj_gl = gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cj;
2921
2922         /* Initialize this j-subcell i-subcell list */
2923         cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
2924         imask              = 0;
2925
2926         if (sci_equals_scj)
2927         {
2928             ci1 = cjo + 1;
2929         }
2930         else
2931         {
2932             ci1 = gridi->nsubc[sci];
2933         }
2934
2935 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2936         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SIMD4 */
2937         subc_bb_dist2_simd4_xxxx(gridj->pbb+(cj>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX+(cj & (STRIDE_PBB-1)),
2938                                ci1, pbb_ci, d2l);
2939         *ndistc += na_c*2;
2940 #endif
2941
2942         npair = 0;
2943         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
2944         for (ci = 0; ci < GPU_NSUBCELL; ci++)
2945         {
2946             if (ci == ci1)
2947             {
2948                 break;
2949             }
2950
2951 #ifndef NBNXN_BBXXXX
2952             /* Determine the bb distance between ci and cj */
2953             d2l[ci]  = subc_bb_dist2(ci, bb_ci, cj, gridj->bb);
2954             *ndistc += 2;
2955 #endif
2956             d2 = d2l[ci];
2957
2958 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ALL
2959             /* Check if the distance is within the distance where
2960              * we use only the bounding box distance rbb,
2961              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2962              * within the cut-off. This check is very costly.
2963              */
2964             *ndistc += na_c*na_c;
2965             if (d2 < rbb2 ||
2966                 (d2 < rl2 &&
2967 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
2968                  subc_in_range_simd4
2969 #else
2970                  subc_in_range_x
2971 #endif
2972                      (na_c, ci, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2)))
2973 #else
2974             /* Check if the distance between the two bounding boxes
2975              * in within the pair-list cut-off.
2976              */
2977             if (d2 < rl2)
2978 #endif
2979             {
2980                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
2981                 imask |= (1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci));
2982
2983 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2984                 ci_last = ci;
2985 #endif
2986
2987                 npair++;
2988             }
2989         }
2990
2991 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2992         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
2993          * within the cut-off, so we could get rid of it.
2994          */
2995         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2)
2996         {
2997             /* Avoid using function pointers here, as it's slower */
2998             if (
2999 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
3000                 !subc_in_range_simd4
3001 #else
3002                 !subc_in_range_x
3003 #endif
3004                     (na_c, ci_last, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2))
3005             {
3006                 imask &= ~(1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci_last));
3007                 npair--;
3008             }
3009         }
3010 #endif
3011
3012         if (npair > 0)
3013         {
3014             /* We have a useful sj entry, close it now */
3015
3016             /* Set the exclucions for the ci== sj entry.
3017              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
3018              * as it will nearly always be in the list.
3019              */
3020             if (sci_equals_scj)
3021             {
3022                 set_self_and_newton_excls_supersub(nbl, cj4_ind, cj_offset, cjo);
3023             }
3024
3025             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
3026             for (w = 0; w < NWARP; w++)
3027             {
3028                 cj4->imei[w].imask |= imask;
3029             }
3030
3031             nbl->work->cj_ind++;
3032
3033             /* Keep the count */
3034             nbl->nci_tot += npair;
3035
3036             /* Increase the closing index in i super-cell list */
3037             nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end =
3038                 ((nbl->work->cj_ind+NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3039         }
3040     }
3041 }
3042
3043 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3044  * as masks in the pair-list for simple list i-entry nbl_ci
3045  */
3046 static void set_ci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3047                              nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3048                              gmx_bool             diagRemoved,
3049                              int                  na_ci_2log,
3050                              int                  na_cj_2log,
3051                              const nbnxn_ci_t    *nbl_ci,
3052                              const t_blocka      *excl)
3053 {
3054     const int    *cell;
3055     int           ci;
3056     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3057     int           cj_first, cj_last;
3058     int           ndirect;
3059     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3060     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3061     int           cj_m;
3062     gmx_bool      Found_si;
3063     int           si_ind;
3064     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3065     int           inner_i, inner_e;
3066
3067     cell = nbs->cell;
3068
3069     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3070     {
3071         /* Empty list */
3072         return;
3073     }
3074
3075     ci = nbl_ci->ci;
3076
3077     cj_ind_first = nbl_ci->cj_ind_start;
3078     cj_ind_last  = nbl->ncj - 1;
3079
3080     cj_first = nbl->cj[cj_ind_first].cj;
3081     cj_last  = nbl->cj[cj_ind_last].cj;
3082
3083     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
3084      * from the first i-cell. This number can be used to directly
3085      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
3086      */
3087     ndirect = 0;
3088     if (na_ci_2log == na_cj_2log)
3089     {
3090         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3091                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci + ndirect)
3092         {
3093             ndirect++;
3094         }
3095     }
3096 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
3097     else
3098     {
3099         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3100                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci_to_cj(na_cj_2log, ci) + ndirect)
3101         {
3102             ndirect++;
3103         }
3104     }
3105 #endif
3106
3107     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3108     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3109     {
3110         ai = nbs->a[ci*nbl->na_sc+i];
3111         if (ai >= 0)
3112         {
3113             si  = (i>>na_ci_2log);
3114
3115             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3116             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3117             {
3118                 aj = excl->a[eind];
3119
3120                 if (aj == ai)
3121                 {
3122                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3123                     continue;
3124                 }
3125
3126                 ge = cell[aj];
3127
3128                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3129                  * for one-way pair-lists.
3130                  */
3131                 if (diagRemoved && ge <= ci*nbl->na_sc + i)
3132                 {
3133                     continue;
3134                 }
3135
3136                 se = (ge >> na_cj_2log);
3137
3138                 /* Could the cluster se be in our list? */
3139                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3140                 {
3141                     if (se < cj_first + ndirect)
3142                     {
3143                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3144                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3145                     }
3146                     else
3147                     {
3148                         /* Search for se using bisection */
3149                         found    = -1;
3150                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3151                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3152                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3153                         {
3154                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3155
3156                             cj_m = nbl->cj[cj_ind_m].cj;
3157
3158                             if (se == cj_m)
3159                             {
3160                                 found = cj_ind_m;
3161                             }
3162                             else if (se < cj_m)
3163                             {
3164                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3165                             }
3166                             else
3167                             {
3168                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3169                             }
3170                         }
3171                     }
3172
3173                     if (found >= 0)
3174                     {
3175                         inner_i = i  - (si << na_ci_2log);
3176                         inner_e = ge - (se << na_cj_2log);
3177
3178                         nbl->cj[found].excl &= ~(1U<<((inner_i<<na_cj_2log) + inner_e));
3179 /* The next code line is usually not needed. We do not want to version
3180  * away the above line, because there is logic that relies on being
3181  * able to detect easily whether any exclusions exist. */
3182 #if (defined GMX_CPU_ACCELERATION_IBM_QPX)
3183                         nbl->cj[found].interaction_mask_indices[inner_i] &= ~(1U << inner_e);
3184 #endif
3185                     }
3186                 }
3187             }
3188         }
3189     }
3190 }
3191
3192 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3193  * as masks in the pair-list for i-super-cell entry nbl_sci
3194  */
3195 static void set_sci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3196                               nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3197                               gmx_bool             diagRemoved,
3198                               int                  na_c_2log,
3199                               const nbnxn_sci_t   *nbl_sci,
3200                               const t_blocka      *excl)
3201 {
3202     const int    *cell;
3203     int           na_c;
3204     int           sci;
3205     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3206     int           cj_first, cj_last;
3207     int           ndirect;
3208     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3209     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3210     int           cj_m;
3211     gmx_bool      Found_si;
3212     int           si_ind;
3213     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3214     int           inner_i, inner_e, w;
3215
3216     cell = nbs->cell;
3217
3218     na_c = nbl->na_ci;
3219
3220     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3221     {
3222         /* Empty list */
3223         return;
3224     }
3225
3226     sci = nbl_sci->sci;
3227
3228     cj_ind_first = nbl_sci->cj4_ind_start*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3229     cj_ind_last  = nbl->work->cj_ind - 1;
3230
3231     cj_first = nbl->cj4[nbl_sci->cj4_ind_start].cj[0];
3232     cj_last  = nbl_cj(nbl, cj_ind_last);
3233
3234     /* Determine how many contiguous j-clusters we have starting
3235      * from the first i-cluster. This number can be used to directly
3236      * calculate j-cluster indices for excluded atoms.
3237      */
3238     ndirect = 0;
3239     while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3240            nbl_cj(nbl, cj_ind_first+ndirect) == sci*GPU_NSUBCELL + ndirect)
3241     {
3242         ndirect++;
3243     }
3244
3245     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3246     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3247     {
3248         ai = nbs->a[sci*nbl->na_sc+i];
3249         if (ai >= 0)
3250         {
3251             si  = (i>>na_c_2log);
3252
3253             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3254             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3255             {
3256                 aj = excl->a[eind];
3257
3258                 if (aj == ai)
3259                 {
3260                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3261                     continue;
3262                 }
3263
3264                 ge = cell[aj];
3265
3266                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3267                  * for one-way pair-lists.
3268                  */
3269                 if (diagRemoved && ge <= sci*nbl->na_sc + i)
3270                 {
3271                     continue;
3272                 }
3273
3274                 se = ge>>na_c_2log;
3275                 /* Could the cluster se be in our list? */
3276                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3277                 {
3278                     if (se < cj_first + ndirect)
3279                     {
3280                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3281                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3282                     }
3283                     else
3284                     {
3285                         /* Search for se using bisection */
3286                         found    = -1;
3287                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3288                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3289                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3290                         {
3291                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3292
3293                             cj_m = nbl_cj(nbl, cj_ind_m);
3294
3295                             if (se == cj_m)
3296                             {
3297                                 found = cj_ind_m;
3298                             }
3299                             else if (se < cj_m)
3300                             {
3301                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3302                             }
3303                             else
3304                             {
3305                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3306                             }
3307                         }
3308                     }
3309
3310                     if (found >= 0)
3311                     {
3312                         inner_i = i  - si*na_c;
3313                         inner_e = ge - se*na_c;
3314
3315 /* Macro for getting the index of atom a within a cluster */
3316 #define AMODCJ4(a)  ((a) & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1))
3317 /* Macro for converting an atom number to a cluster number */
3318 #define A2CJ4(a)    ((a) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG)
3319 /* Macro for getting the index of an i-atom within a warp */
3320 #define AMODWI(a)   ((a) & (NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/2 - 1))
3321
3322                         if (nbl_imask0(nbl, found) & (1U << (AMODCJ4(found)*GPU_NSUBCELL + si)))
3323                         {
3324                             w       = (inner_e >> 2);
3325
3326                             get_nbl_exclusions_1(nbl, A2CJ4(found), w, &nbl_excl);
3327
3328                             nbl_excl->pair[AMODWI(inner_e)*nbl->na_ci+inner_i] &=
3329                                 ~(1U << (AMODCJ4(found)*GPU_NSUBCELL + si));
3330                         }
3331
3332 #undef AMODCJ4
3333 #undef A2CJ4
3334 #undef AMODWI
3335                     }
3336                 }
3337             }
3338         }
3339     }
3340 }
3341
3342 /* Reallocate the simple ci list for at least n entries */
3343 static void nb_realloc_ci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3344 {
3345     nbl->ci_nalloc = over_alloc_small(n);
3346     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->ci,
3347                        nbl->nci*sizeof(*nbl->ci),
3348                        nbl->ci_nalloc*sizeof(*nbl->ci),
3349                        nbl->alloc, nbl->free);
3350 }
3351
3352 /* Reallocate the super-cell sci list for at least n entries */
3353 static void nb_realloc_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3354 {
3355     nbl->sci_nalloc = over_alloc_small(n);
3356     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->sci,
3357                        nbl->nsci*sizeof(*nbl->sci),
3358                        nbl->sci_nalloc*sizeof(*nbl->sci),
3359                        nbl->alloc, nbl->free);
3360 }
3361
3362 /* Make a new ci entry at index nbl->nci */
3363 static void new_ci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int ci, int shift, int flags)
3364 {
3365     if (nbl->nci + 1 > nbl->ci_nalloc)
3366     {
3367         nb_realloc_ci(nbl, nbl->nci+1);
3368     }
3369     nbl->ci[nbl->nci].ci            = ci;
3370     nbl->ci[nbl->nci].shift         = shift;
3371     /* Store the interaction flags along with the shift */
3372     nbl->ci[nbl->nci].shift        |= flags;
3373     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start  = nbl->ncj;
3374     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end    = nbl->ncj;
3375 }
3376
3377 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
3378 static void new_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int sci, int shift)
3379 {
3380     if (nbl->nsci + 1 > nbl->sci_nalloc)
3381     {
3382         nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3383     }
3384     nbl->sci[nbl->nsci].sci           = sci;
3385     nbl->sci[nbl->nsci].shift         = shift;
3386     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start = nbl->ncj4;
3387     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end   = nbl->ncj4;
3388 }
3389
3390 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
3391  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
3392  */
3393 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t *cj, int ncj,
3394                          nbnxn_list_work_t *work)
3395 {
3396     int jnew, j;
3397
3398     if (ncj > work->cj_nalloc)
3399     {
3400         work->cj_nalloc = over_alloc_large(ncj);
3401         srenew(work->cj, work->cj_nalloc);
3402     }
3403
3404     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
3405     jnew = 0;
3406     for (j = 0; j < ncj; j++)
3407     {
3408         if (cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3409         {
3410             work->cj[jnew++] = cj[j];
3411         }
3412     }
3413     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
3414     if (!((jnew == 0) ||
3415           (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)))
3416     {
3417         for (j = 0; j < ncj; j++)
3418         {
3419             if (cj[j].excl == NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3420             {
3421                 work->cj[jnew++] = cj[j];
3422             }
3423         }
3424         for (j = 0; j < ncj; j++)
3425         {
3426             cj[j] = work->cj[j];
3427         }
3428     }
3429 }
3430
3431 /* Close this simple list i entry */
3432 static void close_ci_entry_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3433 {
3434     int jlen;
3435
3436     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3437      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3438      */
3439     jlen = nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end - nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start;
3440     if (jlen > 0)
3441     {
3442         sort_cj_excl(nbl->cj+nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start, jlen, nbl->work);
3443
3444         /* The counts below are used for non-bonded pair/flop counts
3445          * and should therefore match the available kernel setups.
3446          */
3447         if (!(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
3448         {
3449             nbl->work->ncj_noq += jlen;
3450         }
3451         else if ((nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0)) ||
3452                  !(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_LJ(0)))
3453         {
3454             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
3455         }
3456
3457         nbl->nci++;
3458     }
3459 }
3460
3461 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
3462  * Splitting ensures we have enough lists to fully utilize the whole GPU.
3463  * With progBal we generate progressively smaller lists, which improves
3464  * load balancing. As we only know the current count on our own thread,
3465  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
3466  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
3467  * both on nthread and our own thread index.
3468  */
3469 static void split_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3470                             int nsp_max_av, gmx_bool progBal, int nc_bal,
3471                             int thread, int nthread)
3472 {
3473     int nsci_est;
3474     int nsp_max;
3475     int cj4_start, cj4_end, j4len, cj4;
3476     int sci;
3477     int nsp, nsp_sci, nsp_cj4, nsp_cj4_e, nsp_cj4_p;
3478     int p;
3479
3480     if (progBal)
3481     {
3482         /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
3483          * over all threads using the target number of ci's.
3484          */
3485         nsci_est = nc_bal*thread/nthread + nbl->nsci;
3486
3487         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
3488          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
3489          */
3490         nsp_max = max(1,
3491                       nsp_max_av*nc_bal*3/(2*(nsci_est - 1 + nc_bal)));
3492     }
3493     else
3494     {
3495         nsp_max = nsp_max_av;
3496     }
3497
3498     cj4_start = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_start;
3499     cj4_end   = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_end;
3500     j4len     = cj4_end - cj4_start;
3501
3502     if (j4len > 1 && j4len*GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE > nsp_max)
3503     {
3504         /* Remove the last ci entry and process the cj4's again */
3505         nbl->nsci -= 1;
3506
3507         sci        = nbl->nsci;
3508         nsp        = 0;
3509         nsp_sci    = 0;
3510         nsp_cj4_e  = 0;
3511         nsp_cj4    = 0;
3512         for (cj4 = cj4_start; cj4 < cj4_end; cj4++)
3513         {
3514             nsp_cj4_p = nsp_cj4;
3515             /* Count the number of cluster pairs in this cj4 group */
3516             nsp_cj4   = 0;
3517             for (p = 0; p < GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; p++)
3518             {
3519                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
3520             }
3521
3522             if (nsp_cj4 > 0 && nsp + nsp_cj4 > nsp_max)
3523             {
3524                 /* Split the list at cj4 */
3525                 nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4;
3526                 /* Create a new sci entry */
3527                 sci++;
3528                 nbl->nsci++;
3529                 if (nbl->nsci+1 > nbl->sci_nalloc)
3530                 {
3531                     nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3532                 }
3533                 nbl->sci[sci].sci           = nbl->sci[nbl->nsci-1].sci;
3534                 nbl->sci[sci].shift         = nbl->sci[nbl->nsci-1].shift;
3535                 nbl->sci[sci].cj4_ind_start = cj4;
3536                 nsp_sci                     = nsp;
3537                 nsp_cj4_e                   = nsp_cj4_p;
3538                 nsp                         = 0;
3539             }
3540             nsp += nsp_cj4;
3541         }
3542
3543         /* Put the remaining cj4's in the last sci entry */
3544         nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4_end;
3545
3546         /* Possibly balance out the last two sci's
3547          * by moving the last cj4 of the second last sci.
3548          */
3549         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
3550         {
3551             nbl->sci[sci-1].cj4_ind_end--;
3552             nbl->sci[sci].cj4_ind_start--;
3553         }
3554
3555         nbl->nsci++;
3556     }
3557 }
3558
3559 /* Clost this super/sub list i entry */
3560 static void close_ci_entry_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3561                                     int nsp_max_av,
3562                                     gmx_bool progBal, int nc_bal,
3563                                     int thread, int nthread)
3564 {
3565     int j4len, tlen;
3566     int nb, b;
3567
3568     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3569      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3570      */
3571     j4len = nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end - nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start;
3572     if (j4len > 0)
3573     {
3574         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
3575          * so round the count up before closing.
3576          */
3577         nbl->ncj4         = ((nbl->work->cj_ind + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3578         nbl->work->cj_ind = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3579
3580         nbl->nsci++;
3581
3582         if (nsp_max_av > 0)
3583         {
3584             /* Measure the size of the new entry and potentially split it */
3585             split_sci_entry(nbl, nsp_max_av, progBal, nc_bal, thread, nthread);
3586         }
3587     }
3588 }
3589
3590 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the list */
3591 static void sync_work(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3592 {
3593     if (!nbl->bSimple)
3594     {
3595         nbl->work->cj_ind   = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3596         nbl->work->cj4_init = nbl->ncj4;
3597     }
3598 }
3599
3600 /* Clears an nbnxn_pairlist_t data structure */
3601 static void clear_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3602 {
3603     nbl->nci           = 0;
3604     nbl->nsci          = 0;
3605     nbl->ncj           = 0;
3606     nbl->ncj4          = 0;
3607     nbl->nci_tot       = 0;
3608     nbl->nexcl         = 1;
3609
3610     nbl->work->ncj_noq = 0;
3611     nbl->work->ncj_hlj = 0;
3612 }
3613
3614 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
3615 static gmx_inline void set_icell_bb_simple(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
3616                                            real shx, real shy, real shz,
3617                                            nbnxn_bb_t *bb_ci)
3618 {
3619     bb_ci->lower[BB_X] = bb[ci].lower[BB_X] + shx;
3620     bb_ci->lower[BB_Y] = bb[ci].lower[BB_Y] + shy;
3621     bb_ci->lower[BB_Z] = bb[ci].lower[BB_Z] + shz;
3622     bb_ci->upper[BB_X] = bb[ci].upper[BB_X] + shx;
3623     bb_ci->upper[BB_Y] = bb[ci].upper[BB_Y] + shy;
3624     bb_ci->upper[BB_Z] = bb[ci].upper[BB_Z] + shz;
3625 }
3626
3627 #ifdef NBNXN_BBXXXX
3628 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
3629 static void set_icell_bbxxxx_supersub(const float *bb, int ci,
3630                                       real shx, real shy, real shz,
3631                                       float *bb_ci)
3632 {
3633     int ia, m, i;
3634
3635     ia = ci*(GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX;
3636     for (m = 0; m < (GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX; m += NNBSBB_XXXX)
3637     {
3638         for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
3639         {
3640             bb_ci[m+0*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+0*STRIDE_PBB+i] + shx;
3641             bb_ci[m+1*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+1*STRIDE_PBB+i] + shy;
3642             bb_ci[m+2*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+2*STRIDE_PBB+i] + shz;
3643             bb_ci[m+3*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+3*STRIDE_PBB+i] + shx;
3644             bb_ci[m+4*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+4*STRIDE_PBB+i] + shy;
3645             bb_ci[m+5*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+5*STRIDE_PBB+i] + shz;
3646         }
3647     }
3648 }
3649 #endif
3650
3651 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
3652 static void set_icell_bb_supersub(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
3653                                   real shx, real shy, real shz,
3654                                   nbnxn_bb_t *bb_ci)
3655 {
3656     int i;
3657
3658     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL; i++)
3659     {
3660         set_icell_bb_simple(bb, ci*GPU_NSUBCELL+i,
3661                             shx, shy, shz,
3662                             &bb_ci[i]);
3663     }
3664 }
3665
3666 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
3667 static void icell_set_x_simple(int ci,
3668                                real shx, real shy, real shz,
3669                                int gmx_unused na_c,
3670                                int stride, const real *x,
3671                                nbnxn_list_work_t *work)
3672 {
3673     int  ia, i;
3674
3675     ia = ci*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
3676
3677     for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; i++)
3678     {
3679         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] = x[(ia+i)*stride+XX] + shx;
3680         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] = x[(ia+i)*stride+YY] + shy;
3681         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] = x[(ia+i)*stride+ZZ] + shz;
3682     }
3683 }
3684
3685 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
3686 static void icell_set_x_supersub(int ci,
3687                                  real shx, real shy, real shz,
3688                                  int na_c,
3689                                  int stride, const real *x,
3690                                  nbnxn_list_work_t *work)
3691 {
3692     int  ia, i;
3693     real *x_ci;
3694
3695     x_ci = work->x_ci;
3696
3697     ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c;
3698     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL*na_c; i++)
3699     {
3700         x_ci[i*DIM + XX] = x[(ia+i)*stride + XX] + shx;
3701         x_ci[i*DIM + YY] = x[(ia+i)*stride + YY] + shy;
3702         x_ci[i*DIM + ZZ] = x[(ia+i)*stride + ZZ] + shz;
3703     }
3704 }
3705
3706 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
3707 /* Copies PBC shifted super-cell packed atom coordinates to working array */
3708 static void icell_set_x_supersub_simd4(int ci,
3709                                        real shx, real shy, real shz,
3710                                        int na_c,
3711                                        int stride, const real *x,
3712                                        nbnxn_list_work_t *work)
3713 {
3714     int  si, io, ia, i, j;
3715     real *x_ci;
3716
3717     x_ci = work->x_ci;
3718
3719     for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
3720     {
3721         for (i = 0; i < na_c; i += STRIDE_PBB)
3722         {
3723             io = si*na_c + i;
3724             ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c + io;
3725             for (j = 0; j < STRIDE_PBB; j++)
3726             {
3727                 x_ci[io*DIM + j + XX*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+XX] + shx;
3728                 x_ci[io*DIM + j + YY*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+YY] + shy;
3729                 x_ci[io*DIM + j + ZZ*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+ZZ] + shz;
3730             }
3731         }
3732     }
3733 }
3734 #endif
3735
3736 static real nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac = 0.6;
3737
3738 /* Due to the cluster size the effective pair-list is longer than
3739  * that of a simple atom pair-list. This function gives the extra distance.
3740  */
3741 real nbnxn_get_rlist_effective_inc(int cluster_size, real atom_density)
3742 {
3743     return ((0.5 + nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac)*sqr(((cluster_size) - 1.0)/(cluster_size))*pow((cluster_size)/(atom_density), 1.0/3.0));
3744 }
3745
3746 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
3747 static real nonlocal_vol2(const gmx_domdec_zones_t *zones, rvec ls, real r)
3748 {
3749     int  z, d;
3750     real cl, ca, za;
3751     real vold_est;
3752     real vol2_est_tot;
3753
3754     vol2_est_tot = 0;
3755
3756     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
3757      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
3758      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
3759      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
3760      * as small parts as possible.
3761      */
3762
3763     for (z = 0; z < zones->n; z++)
3764     {
3765         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
3766         {
3767             cl = 0;
3768             ca = 1;
3769             za = 1;
3770             for (d = 0; d < DIM; d++)
3771             {
3772                 if (zones->shift[z][d] == 0)
3773                 {
3774                     cl += 0.5*ls[d];
3775                     ca *= ls[d];
3776                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
3777                 }
3778             }
3779
3780             /* 4 octants of a sphere */
3781             vold_est  = 0.25*M_PI*r*r*r*r;
3782             /* 4 quarter pie slices on the edges */
3783             vold_est += 4*cl*M_PI/6.0*r*r*r;
3784             /* One rectangular volume on a face */
3785             vold_est += ca*0.5*r*r;
3786
3787             vol2_est_tot += vold_est*za;
3788         }
3789     }
3790
3791     return vol2_est_tot;
3792 }
3793
3794 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
3795 static int get_nsubpair_max(const nbnxn_search_t nbs,
3796                             int                  iloc,
3797                             real                 rlist,
3798                             int                  min_ci_balanced)
3799 {
3800     const nbnxn_grid_t *grid;
3801     rvec ls;
3802     real xy_diag2, r_eff_sup, vol_est, nsp_est, nsp_est_nl;
3803     int  nsubpair_max;
3804
3805     grid = &nbs->grid[0];
3806
3807     ls[XX] = (grid->c1[XX] - grid->c0[XX])/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X);
3808     ls[YY] = (grid->c1[YY] - grid->c0[YY])/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y);
3809     ls[ZZ] = (grid->c1[ZZ] - grid->c0[ZZ])*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z);
3810
3811     /* The average squared length of the diagonal of a sub cell */
3812     xy_diag2 = ls[XX]*ls[XX] + ls[YY]*ls[YY] + ls[ZZ]*ls[ZZ];
3813
3814     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
3815     r_eff_sup = rlist + nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac*sqr((grid->na_c - 1.0)/grid->na_c)*sqrt(xy_diag2/3);
3816
3817     if (!nbs->DomDec || nbs->zones->n == 1)
3818     {
3819         nsp_est_nl = 0;
3820     }
3821     else
3822     {
3823         nsp_est_nl =
3824             sqr(grid->atom_density/grid->na_c)*
3825             nonlocal_vol2(nbs->zones, ls, r_eff_sup);
3826     }
3827
3828     if (LOCAL_I(iloc))
3829     {
3830         /* Sub-cell interacts with itself */
3831         vol_est  = ls[XX]*ls[YY]*ls[ZZ];
3832         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
3833         vol_est += (ls[XX]*ls[YY] + ls[XX]*ls[ZZ] + ls[YY]*ls[ZZ])*r_eff_sup;
3834         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
3835         vol_est += 2*(ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ])*0.25*M_PI*sqr(r_eff_sup);
3836         /* 4 octants of a sphere */
3837         vol_est += 0.5*4.0/3.0*M_PI*pow(r_eff_sup, 3);
3838
3839         nsp_est = grid->nsubc_tot*vol_est*grid->atom_density/grid->na_c;
3840
3841         /* Subtract the non-local pair count */
3842         nsp_est -= nsp_est_nl;
3843
3844         if (debug)
3845         {
3846             fprintf(debug, "nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n",
3847                     nsp_est, nsp_est_nl);
3848         }
3849     }
3850     else
3851     {
3852         nsp_est = nsp_est_nl;
3853     }
3854
3855     if (min_ci_balanced <= 0 || grid->nc >= min_ci_balanced || grid->nc == 0)
3856     {
3857         /* We don't need to worry */
3858         nsubpair_max = -1;
3859     }
3860     else
3861     {
3862         /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows */
3863         nsubpair_max = max(1, (int)(nsp_est/min_ci_balanced+0.5));
3864
3865         /* Since the target value is a maximum (this avoids high outliers,
3866          * which lead to load imbalance), not average, we add half the
3867          * number of pairs in a cj4 block to get the average about right.
3868          */
3869         nsubpair_max += GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE/2;
3870     }
3871
3872     if (debug)
3873     {
3874         fprintf(debug, "nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_max %d\n",
3875                 nsp_est, nsubpair_max);
3876     }
3877
3878     return nsubpair_max;
3879 }
3880
3881 /* Debug list print function */
3882 static void print_nblist_ci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
3883 {
3884     int i, j;
3885
3886     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
3887     {
3888         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n",
3889                 nbl->ci[i].ci, nbl->ci[i].shift,
3890                 nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start);
3891
3892         for (j = nbl->ci[i].cj_ind_start; j < nbl->ci[i].cj_ind_end; j++)
3893         {
3894             fprintf(fp, "  cj %5d  imask %x\n",
3895                     nbl->cj[j].cj,
3896                     nbl->cj[j].excl);
3897         }
3898     }
3899 }
3900
3901 /* Debug list print function */
3902 static void print_nblist_sci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
3903 {
3904     int i, j4, j, ncp, si;
3905
3906     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
3907     {
3908         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n",
3909                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
3910                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start);
3911
3912         ncp = 0;
3913         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
3914         {
3915             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
3916             {
3917                 fprintf(fp, "  sj %5d  imask %x\n",
3918                         nbl->cj4[j4].cj[j],
3919                         nbl->cj4[j4].imei[0].imask);
3920                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
3921                 {
3922                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
3923                     {
3924                         ncp++;
3925                     }
3926                 }
3927             }
3928         }
3929         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d ncp %3d\n",
3930                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
3931                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start,
3932                 ncp);
3933     }
3934 }
3935
3936 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
3937 static void combine_nblists(int nnbl, nbnxn_pairlist_t **nbl,
3938                             nbnxn_pairlist_t *nblc)
3939 {
3940     int nsci, ncj4, nexcl;
3941     int n, i;
3942
3943     if (nblc->bSimple)
3944     {
3945         gmx_incons("combine_nblists does not support simple lists");
3946     }
3947
3948     nsci  = nblc->nsci;
3949     ncj4  = nblc->ncj4;
3950     nexcl = nblc->nexcl;
3951     for (i = 0; i < nnbl; i++)
3952     {
3953         nsci  += nbl[i]->nsci;
3954         ncj4  += nbl[i]->ncj4;
3955         nexcl += nbl[i]->nexcl;
3956     }
3957
3958     if (nsci > nblc->sci_nalloc)
3959     {
3960         nb_realloc_sci(nblc, nsci);
3961     }
3962     if (ncj4 > nblc->cj4_nalloc)
3963     {
3964         nblc->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4);
3965         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->cj4,
3966                            nblc->ncj4*sizeof(*nblc->cj4),
3967                            nblc->cj4_nalloc*sizeof(*nblc->cj4),
3968                            nblc->alloc, nblc->free);
3969     }
3970     if (nexcl > nblc->excl_nalloc)
3971     {
3972         nblc->excl_nalloc = over_alloc_small(nexcl);
3973         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->excl,
3974                            nblc->nexcl*sizeof(*nblc->excl),
3975                            nblc->excl_nalloc*sizeof(*nblc->excl),
3976                            nblc->alloc, nblc->free);
3977     }
3978
3979     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
3980      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
3981      */
3982 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
3983     for (n = 0; n < nnbl; n++)
3984     {
3985         int sci_offset;
3986         int cj4_offset;
3987         int ci_offset;
3988         int excl_offset;
3989         int i, j4;
3990         const nbnxn_pairlist_t *nbli;
3991
3992         /* Determine the offset in the combined data for our thread */
3993         sci_offset  = nblc->nsci;
3994         cj4_offset  = nblc->ncj4;
3995         ci_offset   = nblc->nci_tot;
3996         excl_offset = nblc->nexcl;
3997
3998         for (i = 0; i < n; i++)
3999         {
4000             sci_offset  += nbl[i]->nsci;
4001             cj4_offset  += nbl[i]->ncj4;
4002             ci_offset   += nbl[i]->nci_tot;
4003             excl_offset += nbl[i]->nexcl;
4004         }
4005
4006         nbli = nbl[n];
4007
4008         for (i = 0; i < nbli->nsci; i++)
4009         {
4010             nblc->sci[sci_offset+i]                = nbli->sci[i];
4011             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_start += cj4_offset;
4012             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_end   += cj4_offset;
4013         }
4014
4015         for (j4 = 0; j4 < nbli->ncj4; j4++)
4016         {
4017             nblc->cj4[cj4_offset+j4]                   = nbli->cj4[j4];
4018             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
4019             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
4020         }
4021
4022         for (j4 = 0; j4 < nbli->nexcl; j4++)
4023         {
4024             nblc->excl[excl_offset+j4] = nbli->excl[j4];
4025         }
4026     }
4027
4028     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4029     {
4030         nblc->nsci    += nbl[n]->nsci;
4031         nblc->ncj4    += nbl[n]->ncj4;
4032         nblc->nci_tot += nbl[n]->nci_tot;
4033         nblc->nexcl   += nbl[n]->nexcl;
4034     }
4035 }
4036
4037 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
4038 static gmx_bool next_ci(const nbnxn_grid_t *grid,
4039                         int conv,
4040                         int nth, int ci_block,
4041                         int *ci_x, int *ci_y,
4042                         int *ci_b, int *ci)
4043 {
4044     (*ci_b)++;
4045     (*ci)++;
4046
4047     if (*ci_b == ci_block)
4048     {
4049         /* Jump to the next block assigned to this task */
4050         *ci   += (nth - 1)*ci_block;
4051         *ci_b  = 0;
4052     }
4053
4054     if (*ci >= grid->nc*conv)
4055     {
4056         return FALSE;
4057     }
4058
4059     while (*ci >= grid->cxy_ind[*ci_x*grid->ncy + *ci_y + 1]*conv)
4060     {
4061         *ci_y += 1;
4062         if (*ci_y == grid->ncy)
4063         {
4064             *ci_x += 1;
4065             *ci_y  = 0;
4066         }
4067     }
4068
4069     return TRUE;
4070 }
4071
4072 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
4073  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
4074  */
4075 static float boundingbox_only_distance2(const nbnxn_grid_t *gridi,
4076                                         const nbnxn_grid_t *gridj,
4077                                         real                rlist,
4078                                         gmx_bool            simple)
4079 {
4080     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
4081      * than this distance, do not check the distance between
4082      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
4083      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
4084      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
4085      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
4086      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
4087      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
4088      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
4089      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
4090      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
4091      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
4092      */
4093     real bbx, bby;
4094     real rbb2;
4095
4096     bbx = 0.5*(gridi->sx + gridj->sx);
4097     bby = 0.5*(gridi->sy + gridj->sy);
4098     if (!simple)
4099     {
4100         bbx /= GPU_NSUBCELL_X;
4101         bby /= GPU_NSUBCELL_Y;
4102     }
4103
4104     rbb2 = sqr(max(0, rlist - 0.5*sqrt(bbx*bbx + bby*bby)));
4105
4106 #ifndef GMX_DOUBLE
4107     return rbb2;
4108 #else
4109     return (float)((1+GMX_FLOAT_EPS)*rbb2);
4110 #endif
4111 }
4112
4113 static int get_ci_block_size(const nbnxn_grid_t *gridi,
4114                              gmx_bool bDomDec, int nth)
4115 {
4116     const int ci_block_enum      = 5;
4117     const int ci_block_denom     = 11;
4118     const int ci_block_min_atoms = 16;
4119     int ci_block;
4120
4121     /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
4122      * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
4123      * a multiple of the number of threads, which would lead to some
4124      * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
4125      * which in turns will lead to load imbalance between threads.
4126      * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
4127      * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
4128      * of the grid parts of the different thread along all three grid
4129      * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
4130      * the blocks will not become too small.
4131      */
4132     ci_block = (gridi->nc*ci_block_enum)/(ci_block_denom*gridi->ncx*nth);
4133
4134     /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
4135     if (ci_block*gridi->na_sc < ci_block_min_atoms)
4136     {
4137         ci_block = (ci_block_min_atoms + gridi->na_sc - 1)/gridi->na_sc;
4138     }
4139
4140     /* Without domain decomposition
4141      * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
4142      */
4143     if (!bDomDec || ci_block*3*nth > gridi->nc)
4144     {
4145         ci_block = (gridi->nc + nth - 1)/nth;
4146     }
4147
4148     return ci_block;
4149 }
4150
4151 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
4152 static void nbnxn_make_pairlist_part(const nbnxn_search_t nbs,
4153                                      const nbnxn_grid_t *gridi,
4154                                      const nbnxn_grid_t *gridj,
4155                                      nbnxn_search_work_t *work,
4156                                      const nbnxn_atomdata_t *nbat,
4157                                      const t_blocka *excl,
4158                                      real rlist,
4159                                      int nb_kernel_type,
4160                                      int ci_block,
4161                                      gmx_bool bFBufferFlag,
4162                                      int nsubpair_max,
4163                                      gmx_bool progBal,
4164                                      int min_ci_balanced,
4165                                      int th, int nth,
4166                                      nbnxn_pairlist_t *nbl)
4167 {
4168     int  na_cj_2log;
4169     matrix box;
4170     real rl2;
4171     float rbb2;
4172     int  d;
4173     int  ci_b, ci, ci_x, ci_y, ci_xy, cj;
4174     ivec shp;
4175     int  tx, ty, tz;
4176     int  shift;
4177     gmx_bool bMakeList;
4178     real shx, shy, shz;
4179     int  conv_i, cell0_i;
4180     const nbnxn_bb_t *bb_i = NULL;
4181 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4182     const float *pbb_i = NULL;
4183 #endif
4184     const float *bbcz_i, *bbcz_j;
4185     const int *flags_i;
4186     real bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1;
4187     real bz1_frac;
4188     real d2cx, d2z, d2z_cx, d2z_cy, d2zx, d2zxy, d2xy;
4189     int  cxf, cxl, cyf, cyf_x, cyl;
4190     int  cx, cy;
4191     int  c0, c1, cs, cf, cl;
4192     int  ndistc;
4193     int  ncpcheck;
4194     int  gridi_flag_shift = 0, gridj_flag_shift = 0;
4195     unsigned *gridj_flag  = NULL;
4196     int  ncj_old_i, ncj_old_j;
4197
4198     nbs_cycle_start(&work->cc[enbsCCsearch]);
4199
4200     if (gridj->bSimple != nbl->bSimple)
4201     {
4202         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
4203     }
4204
4205     sync_work(nbl);
4206     nbl->na_sc = gridj->na_sc;
4207     nbl->na_ci = gridj->na_c;
4208     nbl->na_cj = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
4209     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
4210
4211     nbl->rlist  = rlist;
4212
4213     if (bFBufferFlag)
4214     {
4215         /* Determine conversion of clusters to flag blocks */
4216         gridi_flag_shift = 0;
4217         while ((nbl->na_ci<<gridi_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4218         {
4219             gridi_flag_shift++;
4220         }
4221         gridj_flag_shift = 0;
4222         while ((nbl->na_cj<<gridj_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4223         {
4224             gridj_flag_shift++;
4225         }
4226
4227         gridj_flag = work->buffer_flags.flag;
4228     }
4229
4230     copy_mat(nbs->box, box);
4231
4232     rl2 = nbl->rlist*nbl->rlist;
4233
4234     rbb2 = boundingbox_only_distance2(gridi, gridj, nbl->rlist, nbl->bSimple);
4235
4236     if (debug)
4237     {
4238         fprintf(debug, "nbl bounding box only distance %f\n", sqrt(rbb2));
4239     }
4240
4241     /* Set the shift range */
4242     for (d = 0; d < DIM; d++)
4243     {
4244         /* Check if we need periodicity shifts.
4245          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
4246          */
4247         if (d >= ePBC2npbcdim(nbs->ePBC) || nbs->dd_dim[d])
4248         {
4249             shp[d] = 0;
4250         }
4251         else
4252         {
4253             if (d == XX &&
4254                 box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < sqrt(rl2))
4255             {
4256                 shp[d] = 2;
4257             }
4258             else
4259             {
4260                 shp[d] = 1;
4261             }
4262         }
4263     }
4264
4265     if (nbl->bSimple && !gridi->bSimple)
4266     {
4267         conv_i  = gridi->na_sc/gridj->na_sc;
4268         bb_i    = gridi->bb_simple;
4269         bbcz_i  = gridi->bbcz_simple;
4270         flags_i = gridi->flags_simple;
4271     }
4272     else
4273     {
4274         conv_i  = 1;
4275 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4276         if (gridi->bSimple)
4277         {
4278             bb_i  = gridi->bb;
4279         }
4280         else
4281         {
4282             pbb_i = gridi->pbb;
4283         }
4284 #else
4285         /* We use the normal bounding box format for both grid types */
4286         bb_i  = gridi->bb;
4287 #endif
4288         bbcz_i  = gridi->bbcz;
4289         flags_i = gridi->flags;
4290     }
4291     cell0_i = gridi->cell0*conv_i;
4292
4293     bbcz_j = gridj->bbcz;
4294
4295     if (conv_i != 1)
4296     {
4297         /* Blocks of the conversion factor - 1 give a large repeat count
4298          * combined with a small block size. This should result in good
4299          * load balancing for both small and large domains.
4300          */
4301         ci_block = conv_i - 1;
4302     }
4303     if (debug)
4304     {
4305         fprintf(debug, "nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n",
4306                 gridi->nc, gridi->nc/(double)(gridi->ncx*gridi->ncy), ci_block);
4307     }
4308
4309     ndistc   = 0;
4310     ncpcheck = 0;
4311
4312     /* Initially ci_b and ci to 1 before where we want them to start,
4313      * as they will both be incremented in next_ci.
4314      */
4315     ci_b = -1;
4316     ci   = th*ci_block - 1;
4317     ci_x = 0;
4318     ci_y = 0;
4319     while (next_ci(gridi, conv_i, nth, ci_block, &ci_x, &ci_y, &ci_b, &ci))
4320     {
4321         if (nbl->bSimple && flags_i[ci] == 0)
4322         {
4323             continue;
4324         }
4325
4326         ncj_old_i = nbl->ncj;
4327
4328         d2cx = 0;
4329         if (gridj != gridi && shp[XX] == 0)
4330         {
4331             if (nbl->bSimple)
4332             {
4333                 bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X];
4334             }
4335             else
4336             {
4337                 bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx;
4338             }
4339             if (bx1 < gridj->c0[XX])
4340             {
4341                 d2cx = sqr(gridj->c0[XX] - bx1);
4342
4343                 if (d2cx >= rl2)
4344                 {
4345                     continue;
4346                 }
4347             }
4348         }
4349
4350         ci_xy = ci_x*gridi->ncy + ci_y;
4351
4352         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
4353         for (tz = -shp[ZZ]; tz <= shp[ZZ]; tz++)
4354         {
4355             shz = tz*box[ZZ][ZZ];
4356
4357             bz0 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D  ] + shz;
4358             bz1 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D+1] + shz;
4359
4360             if (tz == 0)
4361             {
4362                 d2z = 0;
4363             }
4364             else if (tz < 0)
4365             {
4366                 d2z = sqr(bz1);
4367             }
4368             else
4369             {
4370                 d2z = sqr(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
4371             }
4372
4373             d2z_cx = d2z + d2cx;
4374
4375             if (d2z_cx >= rl2)
4376             {
4377                 continue;
4378             }
4379
4380             bz1_frac =
4381                 bz1/((real)(gridi->cxy_ind[ci_xy+1] - gridi->cxy_ind[ci_xy]));
4382             if (bz1_frac < 0)
4383             {
4384                 bz1_frac = 0;
4385             }
4386             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
4387
4388             for (ty = -shp[YY]; ty <= shp[YY]; ty++)
4389             {
4390                 shy = ty*box[YY][YY] + tz*box[ZZ][YY];
4391
4392                 if (nbl->bSimple)
4393                 {
4394                     by0 = bb_i[ci].lower[BB_Y] + shy;
4395                     by1 = bb_i[ci].upper[BB_Y] + shy;
4396                 }
4397                 else
4398                 {
4399                     by0 = gridi->c0[YY] + (ci_y  )*gridi->sy + shy;
4400                     by1 = gridi->c0[YY] + (ci_y+1)*gridi->sy + shy;
4401                 }
4402
4403                 get_cell_range(by0, by1,
4404                                gridj->ncy, gridj->c0[YY], gridj->sy, gridj->inv_sy,
4405                                d2z_cx, rl2,
4406                                &cyf, &cyl);
4407
4408                 if (cyf > cyl)
4409                 {
4410                     continue;
4411                 }
4412
4413                 d2z_cy = d2z;
4414                 if (by1 < gridj->c0[YY])
4415                 {
4416                     d2z_cy += sqr(gridj->c0[YY] - by1);
4417                 }
4418                 else if (by0 > gridj->c1[YY])
4419                 {
4420                     d2z_cy += sqr(by0 - gridj->c1[YY]);
4421                 }
4422
4423                 for (tx = -shp[XX]; tx <= shp[XX]; tx++)
4424                 {
4425                     shift = XYZ2IS(tx, ty, tz);
4426
4427 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4428                     if (gridi == gridj && shift > CENTRAL)
4429                     {
4430                         continue;
4431                     }
4432 #endif
4433
4434                     shx = tx*box[XX][XX] + ty*box[YY][XX] + tz*box[ZZ][XX];
4435
4436                     if (nbl->bSimple)
4437                     {
4438                         bx0 = bb_i[ci].lower[BB_X] + shx;
4439                         bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X] + shx;
4440                     }
4441                     else
4442                     {
4443                         bx0 = gridi->c0[XX] + (ci_x  )*gridi->sx + shx;
4444                         bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx + shx;
4445                     }
4446
4447                     get_cell_range(bx0, bx1,
4448                                    gridj->ncx, gridj->c0[XX], gridj->sx, gridj->inv_sx,
4449                                    d2z_cy, rl2,
4450                                    &cxf, &cxl);
4451
4452                     if (cxf > cxl)
4453                     {
4454                         continue;
4455                     }
4456
4457                     if (nbl->bSimple)
4458                     {
4459                         new_ci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci]);
4460                     }
4461                     else
4462                     {
4463                         new_sci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift);
4464                     }
4465
4466 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4467                     if (cxf < ci_x)
4468 #else
4469                     if (shift == CENTRAL && gridi == gridj &&
4470                         cxf < ci_x)
4471 #endif
4472                     {
4473                         /* Leave the pairs with i > j.
4474                          * x is the major index, so skip half of it.
4475                          */
4476                         cxf = ci_x;
4477                     }
4478
4479                     if (nbl->bSimple)
4480                     {
4481                         set_icell_bb_simple(bb_i, ci, shx, shy, shz,
4482                                             nbl->work->bb_ci);
4483                     }
4484                     else
4485                     {
4486 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4487                         set_icell_bbxxxx_supersub(pbb_i, ci, shx, shy, shz,
4488                                                   nbl->work->pbb_ci);
4489 #else
4490                         set_icell_bb_supersub(bb_i, ci, shx, shy, shz,
4491                                               nbl->work->bb_ci);
4492 #endif
4493                     }
4494
4495                     nbs->icell_set_x(cell0_i+ci, shx, shy, shz,
4496                                      gridi->na_c, nbat->xstride, nbat->x,
4497                                      nbl->work);
4498
4499                     for (cx = cxf; cx <= cxl; cx++)
4500                     {
4501                         d2zx = d2z;
4502                         if (gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx > bx1)
4503                         {
4504                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx - bx1);
4505                         }
4506                         else if (gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx < bx0)
4507                         {
4508                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx - bx0);
4509                         }
4510
4511 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4512                         if (gridi == gridj &&
4513                             cx == 0 && cyf < ci_y)
4514 #else
4515                         if (gridi == gridj &&
4516                             cx == 0 && shift == CENTRAL && cyf < ci_y)
4517 #endif
4518                         {
4519                             /* Leave the pairs with i > j.
4520                              * Skip half of y when i and j have the same x.
4521                              */
4522                             cyf_x = ci_y;
4523                         }
4524                         else
4525                         {
4526                             cyf_x = cyf;
4527                         }
4528
4529                         for (cy = cyf_x; cy <= cyl; cy++)
4530                         {
4531                             c0 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy];
4532                             c1 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy+1];
4533 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4534                             if (gridi == gridj &&
4535                                 shift == CENTRAL && c0 < ci)
4536                             {
4537                                 c0 = ci;
4538                             }
4539 #endif
4540
4541                             d2zxy = d2zx;
4542                             if (gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy > by1)
4543                             {
4544                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy - by1);
4545                             }
4546                             else if (gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy < by0)
4547                             {
4548                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy - by0);
4549                             }
4550                             if (c1 > c0 && d2zxy < rl2)
4551                             {
4552                                 cs = c0 + (int)(bz1_frac*(c1 - c0));
4553                                 if (cs >= c1)
4554                                 {
4555                                     cs = c1 - 1;
4556                                 }
4557
4558                                 d2xy = d2zxy - d2z;
4559
4560                                 /* Find the lowest cell that can possibly
4561                                  * be within range.
4562                                  */
4563                                 cf = cs;
4564                                 while (cf > c0 &&
4565                                        (bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] >= bz0 ||
4566                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] - bz0) < rl2))
4567                                 {
4568                                     cf--;
4569                                 }
4570
4571                                 /* Find the highest cell that can possibly
4572                                  * be within range.
4573                                  */
4574                                 cl = cs;
4575                                 while (cl < c1-1 &&
4576                                        (bbcz_j[cl*NNBSBB_D] <= bz1 ||
4577                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cl*NNBSBB_D] - bz1) < rl2))
4578                                 {
4579                                     cl++;
4580                                 }
4581
4582 #ifdef NBNXN_REFCODE
4583                                 {
4584                                     /* Simple reference code, for debugging,
4585                                      * overrides the more complex code above.
4586                                      */
4587                                     int k;
4588                                     cf = c1;
4589                                     cl = -1;
4590                                     for (k = c0; k < c1; k++)
4591                                     {
4592                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
4593                                             k < cf)
4594                                         {
4595                                             cf = k;
4596                                         }
4597                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
4598                                             k > cl)
4599                                         {
4600                                             cl = k;
4601                                         }
4602                                     }
4603                                 }
4604 #endif
4605
4606                                 if (gridi == gridj)
4607                                 {
4608                                     /* We want each atom/cell pair only once,
4609                                      * only use cj >= ci.
4610                                      */
4611 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4612                                     cf = max(cf, ci);
4613 #else
4614                                     if (shift == CENTRAL)
4615                                     {
4616                                         cf = max(cf, ci);
4617                                     }
4618 #endif
4619                                 }
4620
4621                                 if (cf <= cl)
4622                                 {
4623                                     /* For f buffer flags with simple lists */
4624                                     ncj_old_j = nbl->ncj;
4625
4626                                     switch (nb_kernel_type)
4627                                     {
4628                                         case nbnxnk4x4_PlainC:
4629                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, cl-cf+1);
4630
4631                                             make_cluster_list_simple(gridj,
4632                                                                      nbl, ci, cf, cl,
4633                                                                      (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4634                                                                      nbat->x,
4635                                                                      rl2, rbb2,
4636                                                                      &ndistc);
4637                                             break;
4638 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
4639                                         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
4640                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
4641                                             make_cluster_list_simd_4xn(gridj,
4642                                                                        nbl, ci, cf, cl,
4643                                                                        (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4644                                                                        nbat->x,
4645                                                                        rl2, rbb2,
4646                                                                        &ndistc);
4647                                             break;
4648 #endif
4649 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
4650                                         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
4651                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
4652                                             make_cluster_list_simd_2xnn(gridj,
4653                                                                         nbl, ci, cf, cl,
4654                                                                         (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4655                                                                         nbat->x,
4656                                                                         rl2, rbb2,
4657                                                                         &ndistc);
4658                                             break;
4659 #endif
4660                                         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
4661                                         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
4662                                             check_subcell_list_space_supersub(nbl, cl-cf+1);
4663                                             for (cj = cf; cj <= cl; cj++)
4664                                             {
4665                                                 make_cluster_list_supersub(gridi, gridj,
4666                                                                            nbl, ci, cj,
4667                                                                            (gridi == gridj && shift == CENTRAL && ci == cj),
4668                                                                            nbat->xstride, nbat->x,
4669                                                                            rl2, rbb2,
4670                                                                            &ndistc);
4671                                             }
4672                                             break;
4673                                     }
4674                                     ncpcheck += cl - cf + 1;
4675
4676                                     if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_j)
4677                                     {
4678                                         int cbf, cbl, cb;
4679
4680                                         cbf = nbl->cj[ncj_old_j].cj >> gridj_flag_shift;
4681                                         cbl = nbl->cj[nbl->ncj-1].cj >> gridj_flag_shift;
4682                                         for (cb = cbf; cb <= cbl; cb++)
4683                                         {
4684                                             gridj_flag[cb] = 1U<<th;
4685                                         }
4686                                     }
4687                                 }
4688                             }
4689                         }
4690                     }
4691
4692                     /* Set the exclusions for this ci list */
4693                     if (nbl->bSimple)
4694                     {
4695                         set_ci_top_excls(nbs,
4696                                          nbl,
4697                                          shift == CENTRAL && gridi == gridj,
4698                                          gridj->na_c_2log,
4699                                          na_cj_2log,
4700                                          &(nbl->ci[nbl->nci]),
4701                                          excl);
4702                     }
4703                     else
4704                     {
4705                         set_sci_top_excls(nbs,
4706                                           nbl,
4707                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
4708                                           gridj->na_c_2log,
4709                                           &(nbl->sci[nbl->nsci]),
4710                                           excl);
4711                     }
4712
4713                     /* Close this ci list */
4714                     if (nbl->bSimple)
4715                     {
4716                         close_ci_entry_simple(nbl);
4717                     }
4718                     else
4719                     {
4720                         close_ci_entry_supersub(nbl,
4721                                                 nsubpair_max,
4722                                                 progBal, min_ci_balanced,
4723                                                 th, nth);
4724                     }
4725                 }
4726             }
4727         }
4728
4729         if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_i)
4730         {
4731             work->buffer_flags.flag[(gridi->cell0+ci)>>gridi_flag_shift] = 1U<<th;
4732         }
4733     }
4734
4735     work->ndistc = ndistc;
4736
4737     nbs_cycle_stop(&work->cc[enbsCCsearch]);
4738
4739     if (debug)
4740     {
4741         fprintf(debug, "number of distance checks %d\n", ndistc);
4742         fprintf(debug, "ncpcheck %s %d\n", gridi == gridj ? "local" : "non-local",
4743                 ncpcheck);
4744
4745         if (nbl->bSimple)
4746         {
4747             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl, nbs, rlist);
4748         }
4749         else
4750         {
4751             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl, nbs, rlist);
4752         }
4753
4754     }
4755 }
4756
4757 static void reduce_buffer_flags(const nbnxn_search_t        nbs,
4758                                 int                         nsrc,
4759                                 const nbnxn_buffer_flags_t *dest)
4760 {
4761     int s, b;
4762     const unsigned *flag;
4763
4764     for (s = 0; s < nsrc; s++)
4765     {
4766         flag = nbs->work[s].buffer_flags.flag;
4767
4768         for (b = 0; b < dest->nflag; b++)
4769         {
4770             dest->flag[b] |= flag[b];
4771         }
4772     }
4773 }
4774
4775 static void print_reduction_cost(const nbnxn_buffer_flags_t *flags, int nout)
4776 {
4777     int nelem, nkeep, ncopy, nred, b, c, out;
4778
4779     nelem = 0;
4780     nkeep = 0;
4781     ncopy = 0;
4782     nred  = 0;
4783     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
4784     {
4785         if (flags->flag[b] == 1)
4786         {
4787             /* Only flag 0 is set, no copy of reduction required */
4788             nelem++;
4789             nkeep++;
4790         }
4791         else if (flags->flag[b] > 0)
4792         {
4793             c = 0;
4794             for (out = 0; out < nout; out++)
4795             {
4796                 if (flags->flag[b] & (1U<<out))
4797                 {
4798                     c++;
4799                 }
4800             }
4801             nelem += c;
4802             if (c == 1)
4803             {
4804                 ncopy++;
4805             }
4806             else
4807             {
4808                 nred += c;
4809             }
4810         }
4811     }
4812
4813     fprintf(debug, "nbnxn reduction: #flag %d #list %d elem %4.2f, keep %4.2f copy %4.2f red %4.2f\n",
4814             flags->nflag, nout,
4815             nelem/(double)(flags->nflag),
4816             nkeep/(double)(flags->nflag),
4817             ncopy/(double)(flags->nflag),
4818             nred/(double)(flags->nflag));
4819 }
4820
4821 /* Perform a count (linear) sort to sort the smaller lists to the end.
4822  * This avoids load imbalance on the GPU, as large lists will be
4823  * scheduled and executed first and the smaller lists later.
4824  * Load balancing between multi-processors only happens at the end
4825  * and there smaller lists lead to more effective load balancing.
4826  * The sorting is done on the cj4 count, not on the actual pair counts.
4827  * Not only does this make the sort faster, but it also results in
4828  * better load balancing than using a list sorted on exact load.
4829  * This function swaps the pointer in the pair list to avoid a copy operation.
4830  */
4831 static void sort_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4832 {
4833     nbnxn_list_work_t *work;
4834     int                m, i, s, s0, s1;
4835     nbnxn_sci_t       *sci_sort;
4836
4837     if (nbl->ncj4 <= nbl->nsci)
4838     {
4839         /* nsci = 0 or all sci have size 1, sorting won't change the order */
4840         return;
4841     }
4842
4843     work = nbl->work;
4844
4845     /* We will distinguish differences up to double the average */
4846     m = (2*nbl->ncj4)/nbl->nsci;
4847
4848     if (m + 1 > work->sort_nalloc)
4849     {
4850         work->sort_nalloc = over_alloc_large(m + 1);
4851         srenew(work->sort, work->sort_nalloc);
4852     }
4853
4854     if (work->sci_sort_nalloc != nbl->sci_nalloc)
4855     {
4856         work->sci_sort_nalloc = nbl->sci_nalloc;
4857         nbnxn_realloc_void((void **)&work->sci_sort,
4858                            0,
4859                            work->sci_sort_nalloc*sizeof(*work->sci_sort),
4860                            nbl->alloc, nbl->free);
4861     }
4862
4863     /* Count the entries of each size */
4864     for (i = 0; i <= m; i++)
4865     {
4866         work->sort[i] = 0;
4867     }
4868     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
4869     {
4870         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
4871         work->sort[i]++;
4872     }
4873     /* Calculate the offset for each count */
4874     s0            = work->sort[m];
4875     work->sort[m] = 0;
4876     for (i = m - 1; i >= 0; i--)
4877     {
4878         s1            = work->sort[i];
4879         work->sort[i] = work->sort[i + 1] + s0;
4880         s0            = s1;
4881     }
4882
4883     /* Sort entries directly into place */
4884     sci_sort = work->sci_sort;
4885     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
4886     {
4887         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
4888         sci_sort[work->sort[i]++] = nbl->sci[s];
4889     }
4890
4891     /* Swap the sci pointers so we use the new, sorted list */
4892     work->sci_sort = nbl->sci;
4893     nbl->sci       = sci_sort;
4894 }
4895
4896 /* Make a local or non-local pair-list, depending on iloc */
4897 void nbnxn_make_pairlist(const nbnxn_search_t  nbs,
4898                          nbnxn_atomdata_t     *nbat,
4899                          const t_blocka       *excl,
4900                          real                  rlist,
4901                          int                   min_ci_balanced,
4902                          nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
4903                          int                   iloc,
4904                          int                   nb_kernel_type,
4905                          t_nrnb               *nrnb)
4906 {
4907     nbnxn_grid_t *gridi, *gridj;
4908     gmx_bool bGPUCPU;
4909     int nzi, zi, zj0, zj1, zj;
4910     int nsubpair_max;
4911     int th;
4912     int nnbl;
4913     nbnxn_pairlist_t **nbl;
4914     int ci_block;
4915     gmx_bool CombineNBLists;
4916     gmx_bool progBal;
4917     int np_tot, np_noq, np_hlj, nap;
4918
4919     /* Check if we are running hybrid GPU + CPU nbnxn mode */
4920     bGPUCPU = (!nbs->grid[0].bSimple && nbl_list->bSimple);
4921
4922     nnbl            = nbl_list->nnbl;
4923     nbl             = nbl_list->nbl;
4924     CombineNBLists  = nbl_list->bCombined;
4925
4926     if (debug)
4927     {
4928         fprintf(debug, "ns making %d nblists\n", nnbl);
4929     }
4930
4931     nbat->bUseBufferFlags = (nbat->nout > 1);
4932     /* We should re-init the flags before making the first list */
4933     if (nbat->bUseBufferFlags && (LOCAL_I(iloc) || bGPUCPU))
4934     {
4935         init_buffer_flags(&nbat->buffer_flags, nbat->natoms);
4936     }
4937
4938     if (nbl_list->bSimple)
4939     {
4940         switch (nb_kernel_type)
4941         {
4942 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
4943             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
4944                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_4xn;
4945                 break;
4946 #endif
4947 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
4948             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
4949                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_2xnn;
4950                 break;
4951 #endif
4952             default:
4953                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
4954                 break;
4955         }
4956     }
4957     else
4958     {
4959 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
4960         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub_simd4;
4961 #else
4962         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub;
4963 #endif
4964     }
4965
4966     if (LOCAL_I(iloc))
4967     {
4968         /* Only zone (grid) 0 vs 0 */
4969         nzi = 1;
4970         zj0 = 0;
4971         zj1 = 1;
4972     }
4973     else
4974     {
4975         nzi = nbs->zones->nizone;
4976     }
4977
4978     if (!nbl_list->bSimple && min_ci_balanced > 0)
4979     {
4980         nsubpair_max = get_nsubpair_max(nbs, iloc, rlist, min_ci_balanced);
4981     }
4982     else
4983     {
4984         nsubpair_max = 0;
4985     }
4986
4987     /* Clear all pair-lists */
4988     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4989     {
4990         clear_pairlist(nbl[th]);
4991     }
4992
4993     for (zi = 0; zi < nzi; zi++)
4994     {
4995         gridi = &nbs->grid[zi];
4996
4997         if (NONLOCAL_I(iloc))
4998         {
4999             zj0 = nbs->zones->izone[zi].j0;
5000             zj1 = nbs->zones->izone[zi].j1;
5001             if (zi == 0)
5002             {
5003                 zj0++;
5004             }
5005         }
5006         for (zj = zj0; zj < zj1; zj++)
5007         {
5008             gridj = &nbs->grid[zj];
5009
5010             if (debug)
5011             {
5012                 fprintf(debug, "ns search grid %d vs %d\n", zi, zj);
5013             }
5014
5015             nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5016
5017             if (nbl[0]->bSimple && !gridi->bSimple)
5018             {
5019                 /* Hybrid list, determine blocking later */
5020                 ci_block = 0;
5021             }
5022             else
5023             {
5024                 ci_block = get_ci_block_size(gridi, nbs->DomDec, nnbl);
5025             }
5026
5027 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5028             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5029             {
5030                 /* Re-init the thread-local work flag data before making
5031                  * the first list (not an elegant conditional).
5032                  */
5033                 if (nbat->bUseBufferFlags && ((zi == 0 && zj == 0) ||
5034                                               (bGPUCPU && zi == 0 && zj == 1)))
5035                 {
5036                     init_buffer_flags(&nbs->work[th].buffer_flags, nbat->natoms);
5037                 }
5038
5039                 if (CombineNBLists && th > 0)
5040                 {
5041                     clear_pairlist(nbl[th]);
5042                 }
5043
5044                 /* With GPU: generate progressively smaller lists for
5045                  * load balancing for local only or non-local with 2 zones.
5046                  */
5047                 progBal = (LOCAL_I(iloc) || nbs->zones->n <= 2);
5048
5049                 /* Divide the i super cell equally over the nblists */
5050                 nbnxn_make_pairlist_part(nbs, gridi, gridj,
5051                                          &nbs->work[th], nbat, excl,
5052                                          rlist,
5053                                          nb_kernel_type,
5054                                          ci_block,
5055                                          nbat->bUseBufferFlags,
5056                                          nsubpair_max,
5057                                          progBal, min_ci_balanced,
5058                                          th, nnbl,
5059                                          nbl[th]);
5060             }
5061             nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5062
5063             np_tot = 0;
5064             np_noq = 0;
5065             np_hlj = 0;
5066             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5067             {
5068                 inc_nrnb(nrnb, eNR_NBNXN_DIST2, nbs->work[th].ndistc);
5069
5070                 if (nbl_list->bSimple)
5071                 {
5072                     np_tot += nbl[th]->ncj;
5073                     np_noq += nbl[th]->work->ncj_noq;
5074                     np_hlj += nbl[th]->work->ncj_hlj;
5075                 }
5076                 else
5077                 {
5078                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
5079                     np_tot += nbl[th]->nci_tot;
5080                 }
5081             }
5082             nap                   = nbl[0]->na_ci*nbl[0]->na_cj;
5083             nbl_list->natpair_ljq = (np_tot - np_noq)*nap - np_hlj*nap/2;
5084             nbl_list->natpair_lj  = np_noq*nap;
5085             nbl_list->natpair_q   = np_hlj*nap/2;
5086
5087             if (CombineNBLists && nnbl > 1)
5088             {
5089                 nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5090
5091                 combine_nblists(nnbl-1, nbl+1, nbl[0]);
5092
5093                 nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5094             }
5095         }
5096     }
5097
5098     if (!nbl_list->bSimple)
5099     {
5100         /* Sort the entries on size, large ones first */
5101         if (CombineNBLists || nnbl == 1)
5102         {
5103             sort_sci(nbl[0]);
5104         }
5105         else
5106         {
5107 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5108             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5109             {
5110                 sort_sci(nbl[th]);
5111             }
5112         }
5113     }
5114
5115     if (nbat->bUseBufferFlags)
5116     {
5117         reduce_buffer_flags(nbs, nnbl, &nbat->buffer_flags);
5118     }
5119
5120     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
5121     if (LOCAL_I(iloc))
5122     {
5123         nbs->search_count++;
5124     }
5125     if (nbs->print_cycles &&
5126         (!nbs->DomDec || (nbs->DomDec && !LOCAL_I(iloc))) &&
5127         nbs->search_count % 100 == 0)
5128     {
5129         nbs_cycle_print(stderr, nbs);
5130     }
5131
5132     if (debug && (CombineNBLists && nnbl > 1))
5133     {
5134         if (nbl[0]->bSimple)
5135         {
5136             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5137         }
5138         else
5139         {
5140             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5141         }
5142     }
5143
5144     if (debug)
5145     {
5146         if (gmx_debug_at)
5147         {
5148             if (nbl[0]->bSimple)
5149             {
5150                 print_nblist_ci_cj(debug, nbl[0]);
5151             }
5152             else
5153             {
5154                 print_nblist_sci_cj(debug, nbl[0]);
5155             }
5156         }
5157
5158         if (nbat->bUseBufferFlags)
5159         {
5160             print_reduction_cost(&nbat->buffer_flags, nnbl);
5161         }
5162     }
5163 }