src/gromacs/mdlib/nbnxn_search.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015,2016,2017, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35
  36 #include "gmxpre.h"
  37
  38 #include "nbnxn_search.h"
  39
  40 #include "config.h"
  41
  42 #include <assert.h>
  43 #include <string.h>
  44
  45 #include <cmath>
  46
  47 #include <algorithm>
  48
  49 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
  50 #include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
  51 #include "gromacs/math/functions.h"
  52 #include "gromacs/math/utilities.h"
  53 #include "gromacs/math/vec.h"
  54 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
  55 #include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
  56 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_atomdata.h"
  57 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_consts.h"
  58 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_grid.h"
  59 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_internal.h"
  60 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_simd.h"
  61 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_util.h"
  62 #include "gromacs/mdlib/ns.h"
  63 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
  64 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  65 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  66 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  67 #include "gromacs/simd/simd.h"
  68 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
  69 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  70 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  71 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  72 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  73
  74 using namespace gmx; // TODO: Remove when this file is moved into gmx namespace
  75
  76
  77 /* We shift the i-particles backward for PBC.
  78  * This leads to more conditionals than shifting forward.
  79  * We do this to get more balanced pair lists.
  80  */
  81 constexpr bool c_pbcShiftBackward = true;
  82
  83
  84 static void nbs_cycle_clear(nbnxn_cycle_t *cc)
  85 {
  86     for (int i = 0; i < enbsCCnr; i++)
  87     {
  88         cc[i].count = 0;
  89         cc[i].c     = 0;
  90     }
  91 }
  92
  93 static double Mcyc_av(const nbnxn_cycle_t *cc)
  94 {
  95     return (double)cc->c*1e-6/cc->count;
  96 }
  97
  98 static void nbs_cycle_print(FILE *fp, const nbnxn_search_t nbs)
  99 {
 100     fprintf(fp, "\n");
 101     fprintf(fp, "ns %4d grid %4.1f search %4.1f red.f %5.3f",
 102             nbs->cc[enbsCCgrid].count,
 103             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCgrid]),
 104             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCsearch]),
 105             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCreducef]));
 106
 107     if (nbs->nthread_max > 1)
 108     {
 109         if (nbs->cc[enbsCCcombine].count > 0)
 110         {
 111             fprintf(fp, " comb %5.2f",
 112                     Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCcombine]));
 113         }
 114         fprintf(fp, " s. th");
 115         for (int t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 116         {
 117             fprintf(fp, " %4.1f",
 118                     Mcyc_av(&nbs->work[t].cc[enbsCCsearch]));
 119         }
 120     }
 121     fprintf(fp, "\n");
 122 }
 123
 124 static gmx_inline int ci_to_cj(int ci, int na_cj_2log)
 125 {
 126     switch (na_cj_2log)
 127     {
 128         case 2: return ci;     break;
 129         case 3: return (ci>>1); break;
 130         case 1: return (ci<<1); break;
 131     }
 132
 133     return 0;
 134 }
 135
 136 #if GMX_SIMD
 137
 138 /* Returns the j-cluster index corresponding to the i-cluster index */
 139 template<int cj_size> static gmx_inline int ci_to_cj(int ci)
 140 {
 141     if (cj_size == 2)
 142     {
 143         return ci << 1;
 144     }
 145     else if (cj_size == 4)
 146     {
 147         return ci;
 148     }
 149     else if (cj_size == 8)
 150     {
 151         return ci >> 1;
 152     }
 153     else
 154     {
 155         GMX_ASSERT(false, "Only j-cluster sizes 2, 4, 8 are implemented");
 156         return -1;
 157     }
 158 }
 159
 160 /* Returns the index in the coordinate array corresponding to the i-cluster index */
 161 template<int cj_size> static gmx_inline int x_ind_ci(int ci)
 162 {
 163     if (cj_size <= 4)
 164     {
 165         /* Coordinates are stored packed in groups of 4 */
 166         return ci*STRIDE_P4;
 167     }
 168     else if (cj_size == 8)
 169     {
 170         /* Coordinates packed in 8, i-cluster size is half the packing width */
 171         return (ci >> 1)*STRIDE_P8 + (ci & 1)*(c_packX8 >> 1);
 172     }
 173     else
 174     {
 175         GMX_ASSERT(false, "Only j-cluster sizes 2, 4, 8 are implemented");
 176         return -1;
 177     }
 178 }
 179
 180 /* Returns the index in the coordinate array corresponding to the j-cluster index */
 181 template<int cj_size> static gmx_inline int x_ind_cj(int cj)
 182 {
 183     if (cj_size == 2)
 184     {
 185         /* Coordinates are stored packed in groups of 4 */
 186         return (cj >> 1)*STRIDE_P4 + (cj & 1)*(c_packX4 >> 1);
 187     }
 188     else if (cj_size <= 4)
 189     {
 190         /* Coordinates are stored packed in groups of 4 */
 191         return cj*STRIDE_P4;
 192     }
 193     else if (cj_size == 8)
 194     {
 195         /* Coordinates are stored packed in groups of 8 */
 196         return cj*STRIDE_P8;
 197     }
 198     else
 199     {
 200         GMX_ASSERT(false, "Only j-cluster sizes 2, 4, 8 are implemented");
 201         return -1;
 202     }
 203 }
 204
 205 /* The 6 functions below are only introduced to make the code more readable */
 206
 207 static gmx_inline int ci_to_cj_simd_4xn(int ci)
 208 {
 209     return ci_to_cj<GMX_SIMD_REAL_WIDTH>(ci);
 210 }
 211
 212 static gmx_inline int x_ind_ci_simd_4xn(int ci)
 213 {
 214     return x_ind_ci<GMX_SIMD_REAL_WIDTH>(ci);
 215 }
 216
 217 static gmx_inline int x_ind_cj_simd_4xn(int cj)
 218 {
 219     return x_ind_cj<GMX_SIMD_REAL_WIDTH>(cj);
 220 }
 221
 222 static gmx_inline int ci_to_cj_simd_2xnn(int ci)
 223 {
 224     return ci_to_cj<GMX_SIMD_REAL_WIDTH/2>(ci);
 225 }
 226
 227 static gmx_inline int x_ind_ci_simd_2xnn(int ci)
 228 {
 229     return x_ind_ci<GMX_SIMD_REAL_WIDTH/2>(ci);
 230 }
 231
 232 static gmx_inline int x_ind_cj_simd_2xnn(int cj)
 233 {
 234     return x_ind_cj<GMX_SIMD_REAL_WIDTH/2>(cj);
 235 }
 236
 237 #endif // GMX_SIMD
 238
 239 gmx_bool nbnxn_kernel_pairlist_simple(int nb_kernel_type)
 240 {
 241     if (nb_kernel_type == nbnxnkNotSet)
 242     {
 243         gmx_fatal(FARGS, "Non-bonded kernel type not set for Verlet-style pair-list.");
 244     }
 245
 246     switch (nb_kernel_type)
 247     {
 248         case nbnxnk8x8x8_GPU:
 249         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 250             return FALSE;
 251
 252         case nbnxnk4x4_PlainC:
 253         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 254         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 255             return TRUE;
 256
 257         default:
 258             gmx_incons("Invalid nonbonded kernel type passed!");
 259             return FALSE;
 260     }
 261 }
 262
 263 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
 264 static void nbnxn_init_pairlist_fep(t_nblist *nl)
 265 {
 266     nl->type        = GMX_NBLIST_INTERACTION_FREE_ENERGY;
 267     nl->igeometry   = GMX_NBLIST_GEOMETRY_PARTICLE_PARTICLE;
 268     /* The interaction functions are set in the free energy kernel fuction */
 269     nl->ivdw        = -1;
 270     nl->ivdwmod     = -1;
 271     nl->ielec       = -1;
 272     nl->ielecmod    = -1;
 273
 274     nl->maxnri      = 0;
 275     nl->maxnrj      = 0;
 276     nl->nri         = 0;
 277     nl->nrj         = 0;
 278     nl->iinr        = nullptr;
 279     nl->gid         = nullptr;
 280     nl->shift       = nullptr;
 281     nl->jindex      = nullptr;
 282     nl->jjnr        = nullptr;
 283     nl->excl_fep    = nullptr;
 284
 285 }
 286
 287 void nbnxn_init_search(nbnxn_search_t           * nbs_ptr,
 288                        ivec                      *n_dd_cells,
 289                        struct gmx_domdec_zones_t *zones,
 290                        gmx_bool                   bFEP,
 291                        int                        nthread_max)
 292 {
 293     nbnxn_search_t nbs;
 294     int            ngrid;
 295
 296     snew(nbs, 1);
 297     *nbs_ptr = nbs;
 298
 299     nbs->bFEP   = bFEP;
 300
 301     nbs->DomDec = (n_dd_cells != nullptr);
 302
 303     clear_ivec(nbs->dd_dim);
 304     ngrid = 1;
 305     if (nbs->DomDec)
 306     {
 307         nbs->zones = zones;
 308
 309         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 310         {
 311             if ((*n_dd_cells)[d] > 1)
 312             {
 313                 nbs->dd_dim[d] = 1;
 314                 /* Each grid matches a DD zone */
 315                 ngrid *= 2;
 316             }
 317         }
 318     }
 319
 320     nbnxn_grids_init(nbs, ngrid);
 321
 322     nbs->cell        = nullptr;
 323     nbs->cell_nalloc = 0;
 324     nbs->a           = nullptr;
 325     nbs->a_nalloc    = 0;
 326
 327     nbs->nthread_max = nthread_max;
 328
 329     /* Initialize the work data structures for each thread */
 330     snew(nbs->work, nbs->nthread_max);
 331     for (int t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 332     {
 333         nbs->work[t].cxy_na           = nullptr;
 334         nbs->work[t].cxy_na_nalloc    = 0;
 335         nbs->work[t].sort_work        = nullptr;
 336         nbs->work[t].sort_work_nalloc = 0;
 337
 338         snew(nbs->work[t].nbl_fep, 1);
 339         nbnxn_init_pairlist_fep(nbs->work[t].nbl_fep);
 340     }
 341
 342     /* Initialize detailed nbsearch cycle counting */
 343     nbs->print_cycles = (getenv("GMX_NBNXN_CYCLE") != nullptr);
 344     nbs->search_count = 0;
 345     nbs_cycle_clear(nbs->cc);
 346     for (int t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 347     {
 348         nbs_cycle_clear(nbs->work[t].cc);
 349     }
 350 }
 351
 352 static void init_buffer_flags(nbnxn_buffer_flags_t *flags,
 353                               int                   natoms)
 354 {
 355     flags->nflag = (natoms + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE - 1)/NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE;
 356     if (flags->nflag > flags->flag_nalloc)
 357     {
 358         flags->flag_nalloc = over_alloc_large(flags->nflag);
 359         srenew(flags->flag, flags->flag_nalloc);
 360     }
 361     for (int b = 0; b < flags->nflag; b++)
 362     {
 363         bitmask_clear(&(flags->flag[b]));
 364     }
 365 }
 366
 367 /* Determines the cell range along one dimension that
 368  * the bounding box b0 - b1 sees.
 369  */
 370 static void get_cell_range(real b0, real b1,
 371                            int nc, real c0, real s, real invs,
 372                            real d2, real r2, int *cf, int *cl)
 373 {
 374     *cf = std::max(static_cast<int>((b0 - c0)*invs), 0);
 375
 376     while (*cf > 0 && d2 + gmx::square((b0 - c0) - (*cf-1+1)*s) < r2)
 377     {
 378         (*cf)--;
 379     }
 380
 381     *cl = std::min(static_cast<int>((b1 - c0)*invs), nc-1);
 382     while (*cl < nc-1 && d2 + gmx::square((*cl+1)*s - (b1 - c0)) < r2)
 383     {
 384         (*cl)++;
 385     }
 386 }
 387
 388 /* Reference code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
 389 static float box_dist2(float bx0, float bx1, float by0,
 390                        float by1, float bz0, float bz1,
 391                        const nbnxn_bb_t *bb)
 392 {
 393     float d2;
 394     float dl, dh, dm, dm0;
 395
 396     d2 = 0;
 397
 398     dl  = bx0 - bb->upper[BB_X];
 399     dh  = bb->lower[BB_X] - bx1;
 400     dm  = std::max(dl, dh);
 401     dm0 = std::max(dm, 0.0f);
 402     d2 += dm0*dm0;
 403
 404     dl  = by0 - bb->upper[BB_Y];
 405     dh  = bb->lower[BB_Y] - by1;
 406     dm  = std::max(dl, dh);
 407     dm0 = std::max(dm, 0.0f);
 408     d2 += dm0*dm0;
 409
 410     dl  = bz0 - bb->upper[BB_Z];
 411     dh  = bb->lower[BB_Z] - bz1;
 412     dm  = std::max(dl, dh);
 413     dm0 = std::max(dm, 0.0f);
 414     d2 += dm0*dm0;
 415
 416     return d2;
 417 }
 418
 419 /* Plain C code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
 420 static float subc_bb_dist2(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
 421                            int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
 422 {
 423     const nbnxn_bb_t *bb_i, *bb_j;
 424     float             d2;
 425     float             dl, dh, dm, dm0;
 426
 427     bb_i = bb_i_ci  +  si;
 428     bb_j = bb_j_all + csj;
 429
 430     d2 = 0;
 431
 432     dl  = bb_i->lower[BB_X] - bb_j->upper[BB_X];
 433     dh  = bb_j->lower[BB_X] - bb_i->upper[BB_X];
 434     dm  = std::max(dl, dh);
 435     dm0 = std::max(dm, 0.0f);
 436     d2 += dm0*dm0;
 437
 438     dl  = bb_i->lower[BB_Y] - bb_j->upper[BB_Y];
 439     dh  = bb_j->lower[BB_Y] - bb_i->upper[BB_Y];
 440     dm  = std::max(dl, dh);
 441     dm0 = std::max(dm, 0.0f);
 442     d2 += dm0*dm0;
 443
 444     dl  = bb_i->lower[BB_Z] - bb_j->upper[BB_Z];
 445     dh  = bb_j->lower[BB_Z] - bb_i->upper[BB_Z];
 446     dm  = std::max(dl, dh);
 447     dm0 = std::max(dm, 0.0f);
 448     d2 += dm0*dm0;
 449
 450     return d2;
 451 }
 452
 453 #if NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 454
 455 /* 4-wide SIMD code for bb distance for bb format xyz0 */
 456 static float subc_bb_dist2_simd4(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
 457                                  int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
 458 {
 459     // TODO: During SIMDv2 transition only some archs use namespace (remove when done)
 460     using namespace gmx;
 461
 462     Simd4Float bb_i_S0, bb_i_S1;
 463     Simd4Float bb_j_S0, bb_j_S1;
 464     Simd4Float dl_S;
 465     Simd4Float dh_S;
 466     Simd4Float dm_S;
 467     Simd4Float dm0_S;
 468
 469     bb_i_S0 = load4(&bb_i_ci[si].lower[0]);
 470     bb_i_S1 = load4(&bb_i_ci[si].upper[0]);
 471     bb_j_S0 = load4(&bb_j_all[csj].lower[0]);
 472     bb_j_S1 = load4(&bb_j_all[csj].upper[0]);
 473
 474     dl_S    = bb_i_S0 - bb_j_S1;
 475     dh_S    = bb_j_S0 - bb_i_S1;
 476
 477     dm_S    = max(dl_S, dh_S);
 478     dm0_S   = max(dm_S, simd4SetZeroF());
 479
 480     return dotProduct(dm0_S, dm0_S);
 481 }
 482
 483 /* Calculate bb bounding distances of bb_i[si,...,si+3] and store them in d2 */
 484 #define SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(si, bb_i, d2) \
 485     {                                                \
 486         int               shi;                                  \
 487                                                  \
 488         Simd4Float        dx_0, dy_0, dz_0;                    \
 489         Simd4Float        dx_1, dy_1, dz_1;                    \
 490                                                  \
 491         Simd4Float        mx, my, mz;                          \
 492         Simd4Float        m0x, m0y, m0z;                       \
 493                                                  \
 494         Simd4Float        d2x, d2y, d2z;                       \
 495         Simd4Float        d2s, d2t;                            \
 496                                                  \
 497         shi = si*NNBSBB_D*DIM;                       \
 498                                                  \
 499         xi_l = load4(bb_i+shi+0*STRIDE_PBB);   \
 500         yi_l = load4(bb_i+shi+1*STRIDE_PBB);   \
 501         zi_l = load4(bb_i+shi+2*STRIDE_PBB);   \
 502         xi_h = load4(bb_i+shi+3*STRIDE_PBB);   \
 503         yi_h = load4(bb_i+shi+4*STRIDE_PBB);   \
 504         zi_h = load4(bb_i+shi+5*STRIDE_PBB);   \
 505                                                  \
 506         dx_0 = xi_l - xj_h;                 \
 507         dy_0 = yi_l - yj_h;                 \
 508         dz_0 = zi_l - zj_h;                 \
 509                                                  \
 510         dx_1 = xj_l - xi_h;                 \
 511         dy_1 = yj_l - yi_h;                 \
 512         dz_1 = zj_l - zi_h;                 \
 513                                                  \
 514         mx   = max(dx_0, dx_1);                 \
 515         my   = max(dy_0, dy_1);                 \
 516         mz   = max(dz_0, dz_1);                 \
 517                                                  \
 518         m0x  = max(mx, zero);                   \
 519         m0y  = max(my, zero);                   \
 520         m0z  = max(mz, zero);                   \
 521                                                  \
 522         d2x  = m0x * m0x;                   \
 523         d2y  = m0y * m0y;                   \
 524         d2z  = m0z * m0z;                   \
 525                                                  \
 526         d2s  = d2x + d2y;                   \
 527         d2t  = d2s + d2z;                   \
 528                                                  \
 529         store4(d2+si, d2t);                      \
 530     }
 531
 532 /* 4-wide SIMD code for nsi bb distances for bb format xxxxyyyyzzzz */
 533 static void subc_bb_dist2_simd4_xxxx(const float *bb_j,
 534                                      int nsi, const float *bb_i,
 535                                      float *d2)
 536 {
 537     // TODO: During SIMDv2 transition only some archs use namespace (remove when done)
 538     using namespace gmx;
 539
 540     Simd4Float xj_l, yj_l, zj_l;
 541     Simd4Float xj_h, yj_h, zj_h;
 542     Simd4Float xi_l, yi_l, zi_l;
 543     Simd4Float xi_h, yi_h, zi_h;
 544
 545     Simd4Float zero;
 546
 547     zero = setZero();
 548
 549     xj_l = Simd4Float(bb_j[0*STRIDE_PBB]);
 550     yj_l = Simd4Float(bb_j[1*STRIDE_PBB]);
 551     zj_l = Simd4Float(bb_j[2*STRIDE_PBB]);
 552     xj_h = Simd4Float(bb_j[3*STRIDE_PBB]);
 553     yj_h = Simd4Float(bb_j[4*STRIDE_PBB]);
 554     zj_h = Simd4Float(bb_j[5*STRIDE_PBB]);
 555
 556     /* Here we "loop" over si (0,STRIDE_PBB) from 0 to nsi with step STRIDE_PBB.
 557      * But as we know the number of iterations is 1 or 2, we unroll manually.
 558      */
 559     SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(0, bb_i, d2);
 560     if (STRIDE_PBB < nsi)
 561     {
 562         SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(STRIDE_PBB, bb_i, d2);
 563     }
 564 }
 565
 566 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
 567
 568
 569 /* Returns if any atom pair from two clusters is within distance sqrt(rlist2) */
 570 static gmx_inline gmx_bool
 571 clusterpair_in_range(const nbnxn_list_work_t *work,
 572                      int si,
 573                      int csj, int stride, const real *x_j,
 574                      real rlist2)
 575 {
 576 #if !GMX_SIMD4_HAVE_REAL
 577
 578     /* Plain C version.
 579      * All coordinates are stored as xyzxyz...
 580      */
 581
 582     const real *x_i = work->x_ci;
 583
 584     for (int i = 0; i < c_nbnxnGpuClusterSize; i++)
 585     {
 586         int i0 = (si*c_nbnxnGpuClusterSize + i)*DIM;
 587         for (int j = 0; j < c_nbnxnGpuClusterSize; j++)
 588         {
 589             int  j0 = (csj*c_nbnxnGpuClusterSize + j)*stride;
 590
 591             real d2 = gmx::square(x_i[i0  ] - x_j[j0  ]) + gmx::square(x_i[i0+1] - x_j[j0+1]) + gmx::square(x_i[i0+2] - x_j[j0+2]);
 592
 593             if (d2 < rlist2)
 594             {
 595                 return TRUE;
 596             }
 597         }
 598     }
 599
 600     return FALSE;
 601
 602 #else /* !GMX_SIMD4_HAVE_REAL */
 603
 604     /* 4-wide SIMD version.
 605      * A cluster is hard-coded to 8 atoms.
 606      * The coordinates x_i are stored as xxxxyyyy..., x_j is stored xyzxyz...
 607      * Using 8-wide AVX(2) is not faster on Intel Sandy Bridge and Haswell.
 608      */
 609     assert(c_nbnxnGpuClusterSize == 8);
 610
 611     Simd4Real   rc2_S      = Simd4Real(rlist2);
 612
 613     const real *x_i        = work->x_ci_simd;
 614
 615     int         dim_stride = c_nbnxnGpuClusterSize*DIM;
 616     Simd4Real   ix_S0      = load4(x_i + si*dim_stride + 0*GMX_SIMD4_WIDTH);
 617     Simd4Real   iy_S0      = load4(x_i + si*dim_stride + 1*GMX_SIMD4_WIDTH);
 618     Simd4Real   iz_S0      = load4(x_i + si*dim_stride + 2*GMX_SIMD4_WIDTH);
 619     Simd4Real   ix_S1      = load4(x_i + si*dim_stride + 3*GMX_SIMD4_WIDTH);
 620     Simd4Real   iy_S1      = load4(x_i + si*dim_stride + 4*GMX_SIMD4_WIDTH);
 621     Simd4Real   iz_S1      = load4(x_i + si*dim_stride + 5*GMX_SIMD4_WIDTH);
 622
 623     /* We loop from the outer to the inner particles to maximize
 624      * the chance that we find a pair in range quickly and return.
 625      */
 626     int j0 = csj*c_nbnxnGpuClusterSize;
 627     int j1 = j0 + c_nbnxnGpuClusterSize - 1;
 628     while (j0 < j1)
 629     {
 630         Simd4Real jx0_S, jy0_S, jz0_S;
 631         Simd4Real jx1_S, jy1_S, jz1_S;
 632
 633         Simd4Real dx_S0, dy_S0, dz_S0;
 634         Simd4Real dx_S1, dy_S1, dz_S1;
 635         Simd4Real dx_S2, dy_S2, dz_S2;
 636         Simd4Real dx_S3, dy_S3, dz_S3;
 637
 638         Simd4Real rsq_S0;
 639         Simd4Real rsq_S1;
 640         Simd4Real rsq_S2;
 641         Simd4Real rsq_S3;
 642
 643         Simd4Bool wco_S0;
 644         Simd4Bool wco_S1;
 645         Simd4Bool wco_S2;
 646         Simd4Bool wco_S3;
 647         Simd4Bool wco_any_S01, wco_any_S23, wco_any_S;
 648
 649         jx0_S = Simd4Real(x_j[j0*stride+0]);
 650         jy0_S = Simd4Real(x_j[j0*stride+1]);
 651         jz0_S = Simd4Real(x_j[j0*stride+2]);
 652
 653         jx1_S = Simd4Real(x_j[j1*stride+0]);
 654         jy1_S = Simd4Real(x_j[j1*stride+1]);
 655         jz1_S = Simd4Real(x_j[j1*stride+2]);
 656
 657         /* Calculate distance */
 658         dx_S0            = ix_S0 - jx0_S;
 659         dy_S0            = iy_S0 - jy0_S;
 660         dz_S0            = iz_S0 - jz0_S;
 661         dx_S1            = ix_S1 - jx0_S;
 662         dy_S1            = iy_S1 - jy0_S;
 663         dz_S1            = iz_S1 - jz0_S;
 664         dx_S2            = ix_S0 - jx1_S;
 665         dy_S2            = iy_S0 - jy1_S;
 666         dz_S2            = iz_S0 - jz1_S;
 667         dx_S3            = ix_S1 - jx1_S;
 668         dy_S3            = iy_S1 - jy1_S;
 669         dz_S3            = iz_S1 - jz1_S;
 670
 671         /* rsq = dx*dx+dy*dy+dz*dz */
 672         rsq_S0           = norm2(dx_S0, dy_S0, dz_S0);
 673         rsq_S1           = norm2(dx_S1, dy_S1, dz_S1);
 674         rsq_S2           = norm2(dx_S2, dy_S2, dz_S2);
 675         rsq_S3           = norm2(dx_S3, dy_S3, dz_S3);
 676
 677         wco_S0           = (rsq_S0 < rc2_S);
 678         wco_S1           = (rsq_S1 < rc2_S);
 679         wco_S2           = (rsq_S2 < rc2_S);
 680         wco_S3           = (rsq_S3 < rc2_S);
 681
 682         wco_any_S01      = wco_S0 || wco_S1;
 683         wco_any_S23      = wco_S2 || wco_S3;
 684         wco_any_S        = wco_any_S01 || wco_any_S23;
 685
 686         if (anyTrue(wco_any_S))
 687         {
 688             return TRUE;
 689         }
 690
 691         j0++;
 692         j1--;
 693     }
 694
 695     return FALSE;
 696
 697 #endif /* !GMX_SIMD4_HAVE_REAL */
 698 }
 699
 700 /* Returns the j sub-cell for index cj_ind */
 701 static int nbl_cj(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
 702 {
 703     return nbl->cj4[cj_ind/c_nbnxnGpuJgroupSize].cj[cj_ind & (c_nbnxnGpuJgroupSize - 1)];
 704 }
 705
 706 /* Returns the i-interaction mask of the j sub-cell for index cj_ind */
 707 static unsigned int nbl_imask0(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
 708 {
 709     return nbl->cj4[cj_ind/c_nbnxnGpuJgroupSize].imei[0].imask;
 710 }
 711
 712 /* Ensures there is enough space for extra extra exclusion masks */
 713 static void check_excl_space(nbnxn_pairlist_t *nbl, int extra)
 714 {
 715     if (nbl->nexcl+extra > nbl->excl_nalloc)
 716     {
 717         nbl->excl_nalloc = over_alloc_small(nbl->nexcl+extra);
 718         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->excl,
 719                            nbl->nexcl*sizeof(*nbl->excl),
 720                            nbl->excl_nalloc*sizeof(*nbl->excl),
 721                            nbl->alloc, nbl->free);
 722     }
 723 }
 724
 725 /* Ensures there is enough space for maxNumExtraClusters extra j-clusters in the list */
 726 static void check_cell_list_space_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl,
 727                                          int               maxNumExtraClusters)
 728 {
 729     int cj_max;
 730
 731     cj_max = nbl->ncj + maxNumExtraClusters;
 732
 733     if (cj_max > nbl->cj_nalloc)
 734     {
 735         nbl->cj_nalloc = over_alloc_small(cj_max);
 736         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj,
 737                            nbl->ncj*sizeof(*nbl->cj),
 738                            nbl->cj_nalloc*sizeof(*nbl->cj),
 739                            nbl->alloc, nbl->free);
 740     }
 741 }
 742
 743 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-clusters in the list */
 744 static void check_cell_list_space_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
 745                                            int               ncell)
 746 {
 747     int ncj4_max, w;
 748
 749     /* We can have maximally nsupercell*c_gpuNumClusterPerCell sj lists */
 750     /* We can store 4 j-subcell - i-supercell pairs in one struct.
 751      * since we round down, we need one extra entry.
 752      */
 753     ncj4_max = ((nbl->work->cj_ind + ncell*c_gpuNumClusterPerCell + c_nbnxnGpuJgroupSize - 1)/c_nbnxnGpuJgroupSize);
 754
 755     if (ncj4_max > nbl->cj4_nalloc)
 756     {
 757         nbl->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4_max);
 758         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj4,
 759                            nbl->work->cj4_init*sizeof(*nbl->cj4),
 760                            nbl->cj4_nalloc*sizeof(*nbl->cj4),
 761                            nbl->alloc, nbl->free);
 762     }
 763
 764     if (ncj4_max > nbl->work->cj4_init)
 765     {
 766         for (int j4 = nbl->work->cj4_init; j4 < ncj4_max; j4++)
 767         {
 768             /* No i-subcells and no excl's in the list initially */
 769             for (w = 0; w < c_nbnxnGpuClusterpairSplit; w++)
 770             {
 771                 nbl->cj4[j4].imei[w].imask    = 0U;
 772                 nbl->cj4[j4].imei[w].excl_ind = 0;
 773
 774             }
 775         }
 776         nbl->work->cj4_init = ncj4_max;
 777     }
 778 }
 779
 780 /* Set all excl masks for one GPU warp no exclusions */
 781 static void set_no_excls(nbnxn_excl_t *excl)
 782 {
 783     for (int t = 0; t < c_nbnxnGpuExclSize; t++)
 784     {
 785         /* Turn all interaction bits on */
 786         excl->pair[t] = NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL;
 787     }
 788 }
 789
 790 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
 791 static void nbnxn_init_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl,
 792                                 gmx_bool          bSimple,
 793                                 nbnxn_alloc_t    *alloc,
 794                                 nbnxn_free_t     *free)
 795 {
 796     if (alloc == nullptr)
 797     {
 798         nbl->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
 799     }
 800     else
 801     {
 802         nbl->alloc = alloc;
 803     }
 804     if (free == nullptr)
 805     {
 806         nbl->free = nbnxn_free_aligned;
 807     }
 808     else
 809     {
 810         nbl->free = free;
 811     }
 812
 813     nbl->bSimple     = bSimple;
 814     nbl->na_sc       = 0;
 815     nbl->na_ci       = 0;
 816     nbl->na_cj       = 0;
 817     nbl->nci         = 0;
 818     nbl->ci          = nullptr;
 819     nbl->ci_nalloc   = 0;
 820     nbl->nsci        = 0;
 821     nbl->sci         = nullptr;
 822     nbl->sci_nalloc  = 0;
 823     nbl->ncj         = 0;
 824     nbl->ncjInUse    = 0;
 825     nbl->cj          = nullptr;
 826     nbl->cj_nalloc   = 0;
 827     nbl->ncj4        = 0;
 828     /* We need one element extra in sj, so alloc initially with 1 */
 829     nbl->cj4_nalloc  = 0;
 830     nbl->cj4         = nullptr;
 831     nbl->nci_tot     = 0;
 832
 833     if (!nbl->bSimple)
 834     {
 835         GMX_ASSERT(c_nbnxnGpuNumClusterPerSupercluster == c_gpuNumClusterPerCell, "The search code assumes that the a super-cluster matches a search grid cell");
 836
 837         GMX_ASSERT(sizeof(nbl->cj4[0].imei[0].imask)*8 >= c_nbnxnGpuJgroupSize*c_gpuNumClusterPerCell, "The i super-cluster cluster interaction mask does not contain a sufficient number of bits");
 838         GMX_ASSERT(sizeof(nbl->excl[0])*8 >= c_nbnxnGpuJgroupSize*c_gpuNumClusterPerCell, "The GPU exclusion mask does not contain a sufficient number of bits");
 839
 840         nbl->excl        = nullptr;
 841         nbl->excl_nalloc = 0;
 842         nbl->nexcl       = 0;
 843         check_excl_space(nbl, 1);
 844         nbl->nexcl       = 1;
 845         set_no_excls(&nbl->excl[0]);
 846     }
 847
 848     snew(nbl->work, 1);
 849     if (nbl->bSimple)
 850     {
 851         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, 1, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
 852     }
 853     else
 854     {
 855 #if NBNXN_BBXXXX
 856         snew_aligned(nbl->work->pbb_ci, c_gpuNumClusterPerCell/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
 857 #else
 858         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, c_gpuNumClusterPerCell, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
 859 #endif
 860     }
 861     int gpu_clusterpair_nc = c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuClusterSize*DIM;
 862     snew(nbl->work->x_ci, gpu_clusterpair_nc);
 863 #if GMX_SIMD
 864     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd,
 865                  std::max(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*DIM*GMX_SIMD_REAL_WIDTH,
 866                           gpu_clusterpair_nc),
 867                  GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 868 #endif
 869     snew_aligned(nbl->work->d2, c_gpuNumClusterPerCell, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
 870
 871     nbl->work->sort            = nullptr;
 872     nbl->work->sort_nalloc     = 0;
 873     nbl->work->sci_sort        = nullptr;
 874     nbl->work->sci_sort_nalloc = 0;
 875 }
 876
 877 void nbnxn_init_pairlist_set(nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
 878                              gmx_bool bSimple, gmx_bool bCombined,
 879                              nbnxn_alloc_t *alloc,
 880                              nbnxn_free_t  *free)
 881 {
 882     nbl_list->bSimple   = bSimple;
 883     nbl_list->bCombined = bCombined;
 884
 885     nbl_list->nnbl = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
 886
 887     if (!nbl_list->bCombined &&
 888         nbl_list->nnbl > NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS)
 889     {
 890         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.",
 891                   nbl_list->nnbl, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS);
 892     }
 893
 894     snew(nbl_list->nbl, nbl_list->nnbl);
 895     if (bSimple && nbl_list->nnbl > 1)
 896     {
 897         snew(nbl_list->nbl_work, nbl_list->nnbl);
 898     }
 899     snew(nbl_list->nbl_fep, nbl_list->nnbl);
 900     /* Execute in order to avoid memory interleaving between threads */
 901 #pragma omp parallel for num_threads(nbl_list->nnbl) schedule(static)
 902     for (int i = 0; i < nbl_list->nnbl; i++)
 903     {
 904         try
 905         {
 906             /* Allocate the nblist data structure locally on each thread
 907              * to optimize memory access for NUMA architectures.
 908              */
 909             snew(nbl_list->nbl[i], 1);
 910
 911             /* Only list 0 is used on the GPU, use normal allocation for i>0 */
 912             if (!bSimple && i == 0)
 913             {
 914                 nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, alloc, free);
 915             }
 916             else
 917             {
 918                 nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, nullptr, nullptr);
 919                 if (bSimple && nbl_list->nnbl > 1)
 920                 {
 921                     snew(nbl_list->nbl_work[i], 1);
 922                     nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl_work[i], nbl_list->bSimple, nullptr, nullptr);
 923                 }
 924             }
 925
 926             snew(nbl_list->nbl_fep[i], 1);
 927             nbnxn_init_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[i]);
 928         }
 929         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
 930     }
 931 }
 932
 933 /* Print statistics of a pair list, used for debug output */
 934 static void print_nblist_statistics_simple(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
 935                                            const nbnxn_search_t nbs, real rl)
 936 {
 937     const nbnxn_grid_t *grid;
 938     int                 cs[SHIFTS];
 939     int                 npexcl;
 940
 941     grid = &nbs->grid[0];
 942
 943     fprintf(fp, "nbl nci %d ncj %d\n",
 944             nbl->nci, nbl->ncjInUse);
 945     fprintf(fp, "nbl na_sc %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
 946             nbl->na_sc, rl, nbl->ncjInUse, nbl->ncjInUse/(double)grid->nc,
 947             nbl->ncjInUse/(double)grid->nc*grid->na_sc,
 948             nbl->ncjInUse/(double)grid->nc*grid->na_sc/(0.5*4.0/3.0*M_PI*rl*rl*rl*grid->nc*grid->na_sc/(grid->size[XX]*grid->size[YY]*grid->size[ZZ])));
 949
 950     fprintf(fp, "nbl average j cell list length %.1f\n",
 951             0.25*nbl->ncjInUse/(double)std::max(nbl->nci, 1));
 952
 953     for (int s = 0; s < SHIFTS; s++)
 954     {
 955         cs[s] = 0;
 956     }
 957     npexcl = 0;
 958     for (int i = 0; i < nbl->nci; i++)
 959     {
 960         cs[nbl->ci[i].shift & NBNXN_CI_SHIFT] +=
 961             nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start;
 962
 963         int j = nbl->ci[i].cj_ind_start;
 964         while (j < nbl->ci[i].cj_ind_end &&
 965                nbl->cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
 966         {
 967             npexcl++;
 968             j++;
 969         }
 970     }
 971     fprintf(fp, "nbl cell pairs, total: %d excl: %d %.1f%%\n",
 972             nbl->ncj, npexcl, 100*npexcl/(double)std::max(nbl->ncj, 1));
 973     for (int s = 0; s < SHIFTS; s++)
 974     {
 975         if (cs[s] > 0)
 976         {
 977             fprintf(fp, "nbl shift %2d ncj %3d\n", s, cs[s]);
 978         }
 979     }
 980 }
 981
 982 /* Print statistics of a pair lists, used for debug output */
 983 static void print_nblist_statistics_supersub(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
 984                                              const nbnxn_search_t nbs, real rl)
 985 {
 986     const nbnxn_grid_t *grid;
 987     int                 b;
 988     int                 c[c_gpuNumClusterPerCell + 1];
 989     double              sum_nsp, sum_nsp2;
 990     int                 nsp_max;
 991
 992     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
 993     grid = &nbs->grid[0];
 994
 995     fprintf(fp, "nbl nsci %d ncj4 %d nsi %d excl4 %d\n",
 996             nbl->nsci, nbl->ncj4, nbl->nci_tot, nbl->nexcl);
 997     fprintf(fp, "nbl na_c %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
 998             nbl->na_ci, rl, nbl->nci_tot, nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot,
 999             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c,
1000             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/(grid->size[XX]*grid->size[YY]*grid->size[ZZ])));
1001
1002     sum_nsp  = 0;
1003     sum_nsp2 = 0;
1004     nsp_max  = 0;
1005     for (int si = 0; si <= c_gpuNumClusterPerCell; si++)
1006     {
1007         c[si] = 0;
1008     }
1009     for (int i = 0; i < nbl->nsci; i++)
1010     {
1011         int nsp;
1012
1013         nsp = 0;
1014         for (int j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
1015         {
1016             for (int j = 0; j < c_nbnxnGpuJgroupSize; j++)
1017             {
1018                 b = 0;
1019                 for (int si = 0; si < c_gpuNumClusterPerCell; si++)
1020                 {
1021                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*c_gpuNumClusterPerCell + si)))
1022                     {
1023                         b++;
1024                     }
1025                 }
1026                 nsp += b;
1027                 c[b]++;
1028             }
1029         }
1030         sum_nsp  += nsp;
1031         sum_nsp2 += nsp*nsp;
1032         nsp_max   = std::max(nsp_max, nsp);
1033     }
1034     if (nbl->nsci > 0)
1035     {
1036         sum_nsp  /= nbl->nsci;
1037         sum_nsp2 /= nbl->nsci;
1038     }
1039     fprintf(fp, "nbl #cluster-pairs: av %.1f stddev %.1f max %d\n",
1040             sum_nsp, std::sqrt(sum_nsp2 - sum_nsp*sum_nsp), nsp_max);
1041
1042     if (nbl->ncj4 > 0)
1043     {
1044         for (b = 0; b <= c_gpuNumClusterPerCell; b++)
1045         {
1046             fprintf(fp, "nbl j-list #i-subcell %d %7d %4.1f\n",
1047                     b, c[b],
1048                     100.0*c[b]/(double)(nbl->ncj4*c_nbnxnGpuJgroupSize));
1049         }
1050     }
1051 }
1052
1053 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp */
1054 static void low_get_nbl_exclusions(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
1055                                    int warp, nbnxn_excl_t **excl)
1056 {
1057     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
1058     {
1059         /* No exclusions set, make a new list entry */
1060         nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind = nbl->nexcl;
1061         nbl->nexcl++;
1062         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
1063         set_no_excls(*excl);
1064     }
1065     else
1066     {
1067         /* We already have some exclusions, new ones can be added to the list */
1068         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
1069     }
1070 }
1071
1072 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp,
1073  * generates a new element and allocates extra memory, if necessary.
1074  */
1075 static void get_nbl_exclusions_1(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
1076                                  int warp, nbnxn_excl_t **excl)
1077 {
1078     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
1079     {
1080         /* We need to make a new list entry, check if we have space */
1081         check_excl_space(nbl, 1);
1082     }
1083     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, warp, excl);
1084 }
1085
1086 /* Returns pointers to the exclusion masks for cj4-unit cj4 for both warps,
1087  * generates a new element and allocates extra memory, if necessary.
1088  */
1089 static void get_nbl_exclusions_2(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
1090                                  nbnxn_excl_t **excl_w0,
1091                                  nbnxn_excl_t **excl_w1)
1092 {
1093     /* Check for space we might need */
1094     check_excl_space(nbl, 2);
1095
1096     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 0, excl_w0);
1097     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 1, excl_w1);
1098 }
1099
1100 /* Sets the self exclusions i=j and pair exclusions i>j */
1101 static void set_self_and_newton_excls_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
1102                                                int cj4_ind, int sj_offset,
1103                                                int i_cluster_in_cell)
1104 {
1105     nbnxn_excl_t *excl[c_nbnxnGpuClusterpairSplit];
1106
1107     /* Here we only set the set self and double pair exclusions */
1108
1109     assert(c_nbnxnGpuClusterpairSplit == 2);
1110
1111     get_nbl_exclusions_2(nbl, cj4_ind, &excl[0], &excl[1]);
1112
1113     /* Only minor < major bits set */
1114     for (int ej = 0; ej < nbl->na_ci; ej++)
1115     {
1116         int w = (ej>>2);
1117         for (int ei = ej; ei < nbl->na_ci; ei++)
1118         {
1119             excl[w]->pair[(ej & (c_nbnxnGpuJgroupSize-1))*nbl->na_ci + ei] &=
1120                 ~(1U << (sj_offset*c_gpuNumClusterPerCell + i_cluster_in_cell));
1121         }
1122     }
1123 }
1124
1125 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for plain C lists */
1126 static unsigned int get_imask(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
1127 {
1128     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
1129 }
1130
1131 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=2 */
1132 static unsigned int get_imask_simd_j2(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
1133 {
1134     return (rdiag && ci*2 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_0 :
1135             (rdiag && ci*2+1 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_1 :
1136              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
1137 }
1138
1139 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=4 */
1140 static unsigned int get_imask_simd_j4(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
1141 {
1142     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
1143 }
1144
1145 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=8 */
1146 static unsigned int get_imask_simd_j8(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
1147 {
1148     return (rdiag && ci == cj*2 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_0 :
1149             (rdiag && ci == cj*2+1 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_1 :
1150              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
1151 }
1152
1153 #if GMX_SIMD
1154 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
1155 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j2
1156 #endif
1157 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 4
1158 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j4
1159 #endif
1160 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 8
1161 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j8
1162 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j4
1163 #endif
1164 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 16
1165 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j8
1166 #endif
1167 #endif
1168
1169 /* Plain C code for checking and adding cluster-pairs to the list.
1170  *
1171  * \param[in]     gridj               The j-grid
1172  * \param[in,out] nbl                 The pair-list to store the cluster pairs in
1173  * \param[in]     icluster            The index of the i-cluster
1174  * \param[in]     jclusterFirst       The first cluster in the j-range
1175  * \param[in]     jclusterLast        The last cluster in the j-range
1176  * \param[in]     excludeSubDiagonal  Exclude atom pairs with i-index > j-index
1177  * \param[in]     x_j                 Coordinates for the j-atom, in xyz format
1178  * \param[in]     rlist2              The squared list cut-off
1179  * \param[in]     rbb2                The squared cut-off for putting cluster-pairs in the list based on bounding box distance only
1180  * \param[in,out] numDistanceChecks   The number of distance checks performed
1181  */
1182 static void
1183 makeClusterListSimple(const nbnxn_grid_t *      gridj,
1184                       nbnxn_pairlist_t *        nbl,
1185                       int                       icluster,
1186                       int                       jclusterFirst,
1187                       int                       jclusterLast,
1188                       bool                      excludeSubDiagonal,
1189                       const real * gmx_restrict x_j,
1190                       real                      rlist2,
1191                       float                     rbb2,
1192                       int * gmx_restrict        numDistanceChecks)
1193 {
1194     const nbnxn_bb_t * gmx_restrict bb_ci = nbl->work->bb_ci;
1195     const real * gmx_restrict       x_ci  = nbl->work->x_ci;
1196
1197     gmx_bool                        InRange;
1198
1199     InRange = FALSE;
1200     while (!InRange && jclusterFirst <= jclusterLast)
1201     {
1202         real d2  = subc_bb_dist2(0, bb_ci, jclusterFirst, gridj->bb);
1203         *numDistanceChecks += 2;
1204
1205         /* Check if the distance is within the distance where
1206          * we use only the bounding box distance rbb,
1207          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
1208          * within the cut-off.
1209          */
1210         if (d2 < rbb2)
1211         {
1212             InRange = TRUE;
1213         }
1214         else if (d2 < rlist2)
1215         {
1216             int cjf_gl = gridj->cell0 + jclusterFirst;
1217             for (int i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
1218             {
1219                 for (int j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
1220                 {
1221                     InRange = InRange ||
1222                         (gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
1223                          gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
1224                          gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rlist2);
1225                 }
1226             }
1227             *numDistanceChecks += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1228         }
1229         if (!InRange)
1230         {
1231             jclusterFirst++;
1232         }
1233     }
1234     if (!InRange)
1235     {
1236         return;
1237     }
1238
1239     InRange = FALSE;
1240     while (!InRange && jclusterLast > jclusterFirst)
1241     {
1242         real d2  = subc_bb_dist2(0, bb_ci, jclusterLast, gridj->bb);
1243         *numDistanceChecks += 2;
1244
1245         /* Check if the distance is within the distance where
1246          * we use only the bounding box distance rbb,
1247          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
1248          * within the cut-off.
1249          */
1250         if (d2 < rbb2)
1251         {
1252             InRange = TRUE;
1253         }
1254         else if (d2 < rlist2)
1255         {
1256             int cjl_gl = gridj->cell0 + jclusterLast;
1257             for (int i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
1258             {
1259                 for (int j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
1260                 {
1261                     InRange = InRange ||
1262                         (gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
1263                          gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
1264                          gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rlist2);
1265                 }
1266             }
1267             *numDistanceChecks += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1268         }
1269         if (!InRange)
1270         {
1271             jclusterLast--;
1272         }
1273     }
1274
1275     if (jclusterFirst <= jclusterLast)
1276     {
1277         for (int jcluster = jclusterFirst; jcluster <= jclusterLast; jcluster++)
1278         {
1279             /* Store cj and the interaction mask */
1280             nbl->cj[nbl->ncj].cj   = gridj->cell0 + jcluster;
1281             nbl->cj[nbl->ncj].excl = get_imask(excludeSubDiagonal, icluster, jcluster);
1282             nbl->ncj++;
1283         }
1284         /* Increase the closing index in i super-cell list */
1285         nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end = nbl->ncj;
1286     }
1287 }
1288
1289 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1290 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search_simd_4xn.h"
1291 #endif
1292 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1293 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search_simd_2xnn.h"
1294 #endif
1295
1296 /* Plain C or SIMD4 code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
1297  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
1298  */
1299 static void make_cluster_list_supersub(const nbnxn_grid_t *gridi,
1300                                        const nbnxn_grid_t *gridj,
1301                                        nbnxn_pairlist_t *nbl,
1302                                        int sci, int scj,
1303                                        gmx_bool sci_equals_scj,
1304                                        int stride, const real *x,
1305                                        real rlist2, float rbb2,
1306                                        int *numDistanceChecks)
1307 {
1308     nbnxn_list_work_t *work   = nbl->work;
1309
1310 #if NBNXN_BBXXXX
1311     const float       *pbb_ci = work->pbb_ci;
1312 #else
1313     const nbnxn_bb_t  *bb_ci  = work->bb_ci;
1314 #endif
1315
1316     assert(c_nbnxnGpuClusterSize == gridi->na_c);
1317     assert(c_nbnxnGpuClusterSize == gridj->na_c);
1318
1319     /* We generate the pairlist mainly based on bounding-box distances
1320      * and do atom pair distance based pruning on the GPU.
1321      * Only if a j-group contains a single cluster-pair, we try to prune
1322      * that pair based on atom distances on the CPU to avoid empty j-groups.
1323      */
1324 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE 1
1325 #define PRUNE_LIST_CPU_ALL 0
1326
1327 #if PRUNE_LIST_CPU_ONE
1328     int  ci_last = -1;
1329 #endif
1330
1331     float *d2l = work->d2;
1332
1333     for (int subc = 0; subc < gridj->nsubc[scj]; subc++)
1334     {
1335         int          cj4_ind   = nbl->work->cj_ind/c_nbnxnGpuJgroupSize;
1336         int          cj_offset = nbl->work->cj_ind - cj4_ind*c_nbnxnGpuJgroupSize;
1337         nbnxn_cj4_t *cj4       = &nbl->cj4[cj4_ind];
1338
1339         int          cj        = scj*c_gpuNumClusterPerCell + subc;
1340
1341         int          cj_gl     = gridj->cell0*c_gpuNumClusterPerCell + cj;
1342
1343         /* Initialize this j-subcell i-subcell list */
1344         cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
1345
1346         int ci1;
1347         if (sci_equals_scj)
1348         {
1349             ci1 = subc + 1;
1350         }
1351         else
1352         {
1353             ci1 = gridi->nsubc[sci];
1354         }
1355
1356 #if NBNXN_BBXXXX
1357         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SIMD4 */
1358         subc_bb_dist2_simd4_xxxx(gridj->pbb+(cj>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX+(cj & (STRIDE_PBB-1)),
1359                                  ci1, pbb_ci, d2l);
1360         *numDistanceChecks += c_nbnxnGpuClusterSize*2;
1361 #endif
1362
1363         int          npair = 0;
1364         unsigned int imask = 0;
1365         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
1366         for (int ci = 0; ci < c_gpuNumClusterPerCell; ci++)
1367         {
1368             if (ci == ci1)
1369             {
1370                 break;
1371             }
1372
1373 #if !NBNXN_BBXXXX
1374             /* Determine the bb distance between ci and cj */
1375             d2l[ci]             = subc_bb_dist2(ci, bb_ci, cj, gridj->bb);
1376             *numDistanceChecks += 2;
1377 #endif
1378             float d2 = d2l[ci];
1379
1380 #if PRUNE_LIST_CPU_ALL
1381             /* Check if the distance is within the distance where
1382              * we use only the bounding box distance rbb,
1383              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
1384              * within the cut-off. This check is very costly.
1385              */
1386             *numDistanceChecks += c_nbnxnGpuClusterSize*c_nbnxnGpuClusterSize;
1387             if (d2 < rbb2 ||
1388                 (d2 < rlist2 &&
1389                  clusterpair_in_range(work, ci, cj_gl, stride, x, rlist2)))
1390 #else
1391             /* Check if the distance between the two bounding boxes
1392              * in within the pair-list cut-off.
1393              */
1394             if (d2 < rlist2)
1395 #endif
1396             {
1397                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
1398                 imask |= (1U << (cj_offset*c_gpuNumClusterPerCell + ci));
1399
1400 #if PRUNE_LIST_CPU_ONE
1401                 ci_last = ci;
1402 #endif
1403
1404                 npair++;
1405             }
1406         }
1407
1408 #if PRUNE_LIST_CPU_ONE
1409         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
1410          * within the cut-off, so we could get rid of it.
1411          */
1412         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2 &&
1413             !clusterpair_in_range(work, ci_last, cj_gl, stride, x, rlist2))
1414         {
1415             imask &= ~(1U << (cj_offset*c_gpuNumClusterPerCell + ci_last));
1416             npair--;
1417         }
1418 #endif
1419
1420         if (npair > 0)
1421         {
1422             /* We have a useful sj entry, close it now */
1423
1424             /* Set the exclusions for the ci==sj entry.
1425              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
1426              * as it will nearly always be in the list.
1427              */
1428             if (sci_equals_scj)
1429             {
1430                 set_self_and_newton_excls_supersub(nbl, cj4_ind, cj_offset, subc);
1431             }
1432
1433             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
1434             for (int w = 0; w < c_nbnxnGpuClusterpairSplit; w++)
1435             {
1436                 cj4->imei[w].imask |= imask;
1437             }
1438
1439             nbl->work->cj_ind++;
1440
1441             /* Keep the count */
1442             nbl->nci_tot += npair;
1443
1444             /* Increase the closing index in i super-cell list */
1445             nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end =
1446                 (nbl->work->cj_ind + c_nbnxnGpuJgroupSize - 1)/c_nbnxnGpuJgroupSize;
1447         }
1448     }
1449 }
1450
1451 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
1452  * as masks in the pair-list for simple list i-entry nbl_ci
1453  */
1454 static void set_ci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
1455                              nbnxn_pairlist_t    *nbl,
1456                              gmx_bool             diagRemoved,
1457                              int                  na_ci_2log,
1458                              int                  na_cj_2log,
1459                              const nbnxn_ci_t    *nbl_ci,
1460                              const t_blocka      *excl)
1461 {
1462     const int    *cell;
1463     int           ci;
1464     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
1465     int           cj_first, cj_last;
1466     int           ndirect;
1467     int           ai, aj, si, ge, se;
1468     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
1469     int           cj_m;
1470     int           inner_i, inner_e;
1471
1472     cell = nbs->cell;
1473
1474     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
1475     {
1476         /* Empty list */
1477         return;
1478     }
1479
1480     ci = nbl_ci->ci;
1481
1482     cj_ind_first = nbl_ci->cj_ind_start;
1483     cj_ind_last  = nbl->ncj - 1;
1484
1485     cj_first = nbl->cj[cj_ind_first].cj;
1486     cj_last  = nbl->cj[cj_ind_last].cj;
1487
1488     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
1489      * from the first i-cell. This number can be used to directly
1490      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
1491      */
1492     ndirect = 0;
1493     if (na_ci_2log == na_cj_2log)
1494     {
1495         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
1496                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci + ndirect)
1497         {
1498             ndirect++;
1499         }
1500     }
1501 #if NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
1502     else
1503     {
1504         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
1505                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci_to_cj(ci, na_cj_2log) + ndirect)
1506         {
1507             ndirect++;
1508         }
1509     }
1510 #endif
1511
1512     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
1513     for (int i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
1514     {
1515         ai = nbs->a[ci*nbl->na_sc+i];
1516         if (ai >= 0)
1517         {
1518             si  = (i>>na_ci_2log);
1519
1520             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
1521             for (int eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
1522             {
1523                 aj = excl->a[eind];
1524
1525                 if (aj == ai)
1526                 {
1527                     /* The self exclusion are already set, save some time */
1528                     continue;
1529                 }
1530
1531                 ge = cell[aj];
1532
1533                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
1534                  * for one-way pair-lists.
1535                  */
1536                 if (diagRemoved && ge <= ci*nbl->na_sc + i)
1537                 {
1538                     continue;
1539                 }
1540
1541                 se = (ge >> na_cj_2log);
1542
1543                 /* Could the cluster se be in our list? */
1544                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
1545                 {
1546                     if (se < cj_first + ndirect)
1547                     {
1548                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
1549                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
1550                     }
1551                     else
1552                     {
1553                         /* Search for se using bisection */
1554                         found    = -1;
1555                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
1556                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
1557                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
1558                         {
1559                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
1560
1561                             cj_m = nbl->cj[cj_ind_m].cj;
1562
1563                             if (se == cj_m)
1564                             {
1565                                 found = cj_ind_m;
1566                             }
1567                             else if (se < cj_m)
1568                             {
1569                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
1570                             }
1571                             else
1572                             {
1573                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
1574                             }
1575                         }
1576                     }
1577
1578                     if (found >= 0)
1579                     {
1580                         inner_i = i  - (si << na_ci_2log);
1581                         inner_e = ge - (se << na_cj_2log);
1582
1583                         nbl->cj[found].excl &= ~(1U<<((inner_i<<na_cj_2log) + inner_e));
1584                     }
1585                 }
1586             }
1587         }
1588     }
1589 }
1590
1591 /* Add a new i-entry to the FEP list and copy the i-properties */
1592 static gmx_inline void fep_list_new_nri_copy(t_nblist *nlist)
1593 {
1594     /* Add a new i-entry */
1595     nlist->nri++;
1596
1597     assert(nlist->nri < nlist->maxnri);
1598
1599     /* Duplicate the last i-entry, except for jindex, which continues */
1600     nlist->iinr[nlist->nri]   = nlist->iinr[nlist->nri-1];
1601     nlist->shift[nlist->nri]  = nlist->shift[nlist->nri-1];
1602     nlist->gid[nlist->nri]    = nlist->gid[nlist->nri-1];
1603     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
1604 }
1605
1606 /* For load balancing of the free-energy lists over threads, we set
1607  * the maximum nrj size of an i-entry to 40. This leads to good
1608  * load balancing in the worst case scenario of a single perturbed
1609  * particle on 16 threads, while not introducing significant overhead.
1610  * Note that half of the perturbed pairs will anyhow end up in very small lists,
1611  * since non perturbed i-particles will see few perturbed j-particles).
1612  */
1613 const int max_nrj_fep = 40;
1614
1615 /* Exclude the perturbed pairs from the Verlet list. This is only done to avoid
1616  * singularities for overlapping particles (0/0), since the charges and
1617  * LJ parameters have been zeroed in the nbnxn data structure.
1618  * Simultaneously make a group pair list for the perturbed pairs.
1619  */
1620 static void make_fep_list(const nbnxn_search_t    nbs,
1621                           const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1622                           nbnxn_pairlist_t       *nbl,
1623                           gmx_bool                bDiagRemoved,
1624                           nbnxn_ci_t             *nbl_ci,
1625                           const nbnxn_grid_t     *gridi,
1626                           const nbnxn_grid_t     *gridj,
1627                           t_nblist               *nlist)
1628 {
1629     int      ci, cj_ind_start, cj_ind_end, cja, cjr;
1630     int      nri_max;
1631     int      ngid, gid_i = 0, gid_j, gid;
1632     int      egp_shift, egp_mask;
1633     int      gid_cj = 0;
1634     int      ind_i, ind_j, ai, aj;
1635     int      nri;
1636     gmx_bool bFEP_i, bFEP_i_all;
1637
1638     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
1639     {
1640         /* Empty list */
1641         return;
1642     }
1643
1644     ci = nbl_ci->ci;
1645
1646     cj_ind_start = nbl_ci->cj_ind_start;
1647     cj_ind_end   = nbl_ci->cj_ind_end;
1648
1649     /* In worst case we have alternating energy groups
1650      * and create #atom-pair lists, which means we need the size
1651      * of a cluster pair (na_ci*na_cj) times the number of cj's.
1652      */
1653     nri_max = nbl->na_ci*nbl->na_cj*(cj_ind_end - cj_ind_start);
1654     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
1655     {
1656         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
1657         reallocate_nblist(nlist);
1658     }
1659
1660     ngid = nbat->nenergrp;
1661
1662     if (static_cast<std::size_t>(ngid*gridj->na_cj) > sizeof(gid_cj)*8)
1663     {
1664         gmx_fatal(FARGS, "The Verlet scheme with %dx%d kernels and free-energy only supports up to %d energy groups",
1665                   gridi->na_c, gridj->na_cj, (sizeof(gid_cj)*8)/gridj->na_cj);
1666     }
1667
1668     egp_shift = nbat->neg_2log;
1669     egp_mask  = (1<<nbat->neg_2log) - 1;
1670
1671     /* Loop over the atoms in the i sub-cell */
1672     bFEP_i_all = TRUE;
1673     for (int i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
1674     {
1675         ind_i = ci*nbl->na_ci + i;
1676         ai    = nbs->a[ind_i];
1677         if (ai >= 0)
1678         {
1679             nri                  = nlist->nri;
1680             nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
1681             nlist->iinr[nri]     = ai;
1682             /* The actual energy group pair index is set later */
1683             nlist->gid[nri]      = 0;
1684             nlist->shift[nri]    = nbl_ci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
1685
1686             bFEP_i = gridi->fep[ci - gridi->cell0] & (1 << i);
1687
1688             bFEP_i_all = bFEP_i_all && bFEP_i;
1689
1690             if (nlist->nrj + (cj_ind_end - cj_ind_start)*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
1691             {
1692                 nlist->maxnrj = over_alloc_small(nlist->nrj + (cj_ind_end - cj_ind_start)*nbl->na_cj);
1693                 srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
1694                 srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
1695             }
1696
1697             if (ngid > 1)
1698             {
1699                 gid_i = (nbat->energrp[ci] >> (egp_shift*i)) & egp_mask;
1700             }
1701
1702             for (int cj_ind = cj_ind_start; cj_ind < cj_ind_end; cj_ind++)
1703             {
1704                 unsigned int fep_cj;
1705
1706                 cja = nbl->cj[cj_ind].cj;
1707
1708                 if (gridj->na_cj == gridj->na_c)
1709                 {
1710                     cjr    = cja - gridj->cell0;
1711                     fep_cj = gridj->fep[cjr];
1712                     if (ngid > 1)
1713                     {
1714                         gid_cj = nbat->energrp[cja];
1715                     }
1716                 }
1717                 else if (2*gridj->na_cj == gridj->na_c)
1718                 {
1719                     cjr    = cja - gridj->cell0*2;
1720                     /* Extract half of the ci fep/energrp mask */
1721                     fep_cj = (gridj->fep[cjr>>1] >> ((cjr&1)*gridj->na_cj)) & ((1<<gridj->na_cj) - 1);
1722                     if (ngid > 1)
1723                     {
1724                         gid_cj = nbat->energrp[cja>>1] >> ((cja&1)*gridj->na_cj*egp_shift) & ((1<<(gridj->na_cj*egp_shift)) - 1);
1725                     }
1726                 }
1727                 else
1728                 {
1729                     cjr    = cja - (gridj->cell0>>1);
1730                     /* Combine two ci fep masks/energrp */
1731                     fep_cj = gridj->fep[cjr*2] + (gridj->fep[cjr*2+1] << gridj->na_c);
1732                     if (ngid > 1)
1733                     {
1734                         gid_cj = nbat->energrp[cja*2] + (nbat->energrp[cja*2+1] << (gridj->na_c*egp_shift));
1735                     }
1736                 }
1737
1738                 if (bFEP_i || fep_cj != 0)
1739                 {
1740                     for (int j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
1741                     {
1742                         /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
1743                         ind_j = cja*nbl->na_cj + j;
1744                         aj    = nbs->a[ind_j];
1745                         if (aj >= 0 &&
1746                             (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
1747                             (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
1748                         {
1749                             if (ngid > 1)
1750                             {
1751                                 gid_j = (gid_cj >> (j*egp_shift)) & egp_mask;
1752                                 gid   = GID(gid_i, gid_j, ngid);
1753
1754                                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri] &&
1755                                     nlist->gid[nri] != gid)
1756                                 {
1757                                     /* Energy group pair changed: new list */
1758                                     fep_list_new_nri_copy(nlist);
1759                                     nri = nlist->nri;
1760                                 }
1761                                 nlist->gid[nri] = gid;
1762                             }
1763
1764                             if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
1765                             {
1766                                 fep_list_new_nri_copy(nlist);
1767                                 nri = nlist->nri;
1768                             }
1769
1770                             /* Add it to the FEP list */
1771                             nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
1772                             nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (nbl->cj[cj_ind].excl >> (i*nbl->na_cj + j)) & 1;
1773                             nlist->nrj++;
1774
1775                             /* Exclude it from the normal list.
1776                              * Note that the charge has been set to zero,
1777                              * but we need to avoid 0/0, as perturbed atoms
1778                              * can be on top of each other.
1779                              */
1780                             nbl->cj[cj_ind].excl &= ~(1U << (i*nbl->na_cj + j));
1781                         }
1782                     }
1783                 }
1784             }
1785
1786             if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
1787             {
1788                 /* Actually add this new, non-empty, list */
1789                 nlist->nri++;
1790                 nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
1791             }
1792         }
1793     }
1794
1795     if (bFEP_i_all)
1796     {
1797         /* All interactions are perturbed, we can skip this entry */
1798         nbl_ci->cj_ind_end = cj_ind_start;
1799         nbl->ncjInUse     -= cj_ind_end - cj_ind_start;
1800     }
1801 }
1802
1803 /* Return the index of atom a within a cluster */
1804 static gmx_inline int cj_mod_cj4(int cj)
1805 {
1806     return cj & (c_nbnxnGpuJgroupSize - 1);
1807 }
1808
1809 /* Convert a j-cluster to a cj4 group */
1810 static gmx_inline int cj_to_cj4(int cj)
1811 {
1812     return cj/c_nbnxnGpuJgroupSize;
1813 }
1814
1815 /* Return the index of an j-atom within a warp */
1816 static gmx_inline int a_mod_wj(int a)
1817 {
1818     return a & (c_nbnxnGpuClusterSize/c_nbnxnGpuClusterpairSplit - 1);
1819 }
1820
1821 /* As make_fep_list above, but for super/sub lists. */
1822 static void make_fep_list_supersub(const nbnxn_search_t    nbs,
1823                                    const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1824                                    nbnxn_pairlist_t       *nbl,
1825                                    gmx_bool                bDiagRemoved,
1826                                    const nbnxn_sci_t      *nbl_sci,
1827                                    real                    shx,
1828                                    real                    shy,
1829                                    real                    shz,
1830                                    real                    rlist_fep2,
1831                                    const nbnxn_grid_t     *gridi,
1832                                    const nbnxn_grid_t     *gridj,
1833                                    t_nblist               *nlist)
1834 {
1835     int                sci, cj4_ind_start, cj4_ind_end, cjr;
1836     int                nri_max;
1837     int                c_abs;
1838     int                ind_i, ind_j, ai, aj;
1839     int                nri;
1840     gmx_bool           bFEP_i;
1841     real               xi, yi, zi;
1842     const nbnxn_cj4_t *cj4;
1843
1844     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
1845     {
1846         /* Empty list */
1847         return;
1848     }
1849
1850     sci = nbl_sci->sci;
1851
1852     cj4_ind_start = nbl_sci->cj4_ind_start;
1853     cj4_ind_end   = nbl_sci->cj4_ind_end;
1854
1855     /* Here we process one super-cell, max #atoms na_sc, versus a list
1856      * cj4 entries, each with max c_nbnxnGpuJgroupSize cj's, each
1857      * of size na_cj atoms.
1858      * On the GPU we don't support energy groups (yet).
1859      * So for each of the na_sc i-atoms, we need max one FEP list
1860      * for each max_nrj_fep j-atoms.
1861      */
1862     nri_max = nbl->na_sc*nbl->na_cj*(1 + ((cj4_ind_end - cj4_ind_start)*c_nbnxnGpuJgroupSize)/max_nrj_fep);
1863     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
1864     {
1865         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
1866         reallocate_nblist(nlist);
1867     }
1868
1869     /* Loop over the atoms in the i super-cluster */
1870     for (int c = 0; c < c_gpuNumClusterPerCell; c++)
1871     {
1872         c_abs = sci*c_gpuNumClusterPerCell + c;
1873
1874         for (int i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
1875         {
1876             ind_i = c_abs*nbl->na_ci + i;
1877             ai    = nbs->a[ind_i];
1878             if (ai >= 0)
1879             {
1880                 nri                  = nlist->nri;
1881                 nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
1882                 nlist->iinr[nri]     = ai;
1883                 /* With GPUs, energy groups are not supported */
1884                 nlist->gid[nri]      = 0;
1885                 nlist->shift[nri]    = nbl_sci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
1886
1887                 bFEP_i = (gridi->fep[c_abs - gridi->cell0*c_gpuNumClusterPerCell] & (1 << i));
1888
1889                 xi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+XX] + shx;
1890                 yi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+YY] + shy;
1891                 zi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+ZZ] + shz;
1892
1893                 if ((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*c_nbnxnGpuJgroupSize*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
1894                 {
1895                     nlist->maxnrj = over_alloc_small((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*c_nbnxnGpuJgroupSize*nbl->na_cj);
1896                     srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
1897                     srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
1898                 }
1899
1900                 for (int cj4_ind = cj4_ind_start; cj4_ind < cj4_ind_end; cj4_ind++)
1901                 {
1902                     cj4 = &nbl->cj4[cj4_ind];
1903
1904                     for (int gcj = 0; gcj < c_nbnxnGpuJgroupSize; gcj++)
1905                     {
1906                         unsigned int fep_cj;
1907
1908                         if ((cj4->imei[0].imask & (1U << (gcj*c_gpuNumClusterPerCell + c))) == 0)
1909                         {
1910                             /* Skip this ci for this cj */
1911                             continue;
1912                         }
1913
1914                         cjr = cj4->cj[gcj] - gridj->cell0*c_gpuNumClusterPerCell;
1915
1916                         fep_cj = gridj->fep[cjr];
1917
1918                         if (bFEP_i || fep_cj != 0)
1919                         {
1920                             for (int j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
1921                             {
1922                                 /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
1923                                 ind_j = (gridj->cell0*c_gpuNumClusterPerCell + cjr)*nbl->na_cj + j;
1924                                 aj    = nbs->a[ind_j];
1925                                 if (aj >= 0 &&
1926                                     (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
1927                                     (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
1928                                 {
1929                                     nbnxn_excl_t *excl;
1930                                     int           excl_pair;
1931                                     unsigned int  excl_bit;
1932                                     real          dx, dy, dz;
1933
1934                                     get_nbl_exclusions_1(nbl, cj4_ind, j>>2, &excl);
1935
1936                                     excl_pair = a_mod_wj(j)*nbl->na_ci + i;
1937                                     excl_bit  = (1U << (gcj*c_gpuNumClusterPerCell + c));
1938
1939                                     dx = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+XX] - xi;
1940                                     dy = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+YY] - yi;
1941                                     dz = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+ZZ] - zi;
1942
1943                                     /* The unpruned GPU list has more than 2/3
1944                                      * of the atom pairs beyond rlist. Using
1945                                      * this list will cause a lot of overhead
1946                                      * in the CPU FEP kernels, especially
1947                                      * relative to the fast GPU kernels.
1948                                      * So we prune the FEP list here.
1949                                      */
1950                                     if (dx*dx + dy*dy + dz*dz < rlist_fep2)
1951                                     {
1952                                         if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
1953                                         {
1954                                             fep_list_new_nri_copy(nlist);
1955                                             nri = nlist->nri;
1956                                         }
1957
1958                                         /* Add it to the FEP list */
1959                                         nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
1960                                         nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (excl->pair[excl_pair] & excl_bit) ? 1 : 0;
1961                                         nlist->nrj++;
1962                                     }
1963
1964                                     /* Exclude it from the normal list.
1965                                      * Note that the charge and LJ parameters have
1966                                      * been set to zero, but we need to avoid 0/0,
1967                                      * as perturbed atoms can be on top of each other.
1968                                      */
1969                                     excl->pair[excl_pair] &= ~excl_bit;
1970                                 }
1971                             }
1972
1973                             /* Note that we could mask out this pair in imask
1974                              * if all i- and/or all j-particles are perturbed.
1975                              * But since the perturbed pairs on the CPU will
1976                              * take an order of magnitude more time, the GPU
1977                              * will finish before the CPU and there is no gain.
1978                              */
1979                         }
1980                     }
1981                 }
1982
1983                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
1984                 {
1985                     /* Actually add this new, non-empty, list */
1986                     nlist->nri++;
1987                     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
1988                 }
1989             }
1990         }
1991     }
1992 }
1993
1994 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
1995  * as masks in the pair-list for i-super-cell entry nbl_sci
1996  */
1997 static void set_sci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
1998                               nbnxn_pairlist_t    *nbl,
1999                               gmx_bool             diagRemoved,
2000                               int                  na_c_2log,
2001                               const nbnxn_sci_t   *nbl_sci,
2002                               const t_blocka      *excl)
2003 {
2004     const int    *cell;
2005     int           na_c;
2006     int           sci;
2007     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
2008     int           cj_first, cj_last;
2009     int           ndirect;
2010     int           ai, aj, si, ge, se;
2011     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
2012     int           cj_m;
2013     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
2014     int           inner_i, inner_e, w;
2015
2016     cell = nbs->cell;
2017
2018     na_c = nbl->na_ci;
2019
2020     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
2021     {
2022         /* Empty list */
2023         return;
2024     }
2025
2026     sci = nbl_sci->sci;
2027
2028     cj_ind_first = nbl_sci->cj4_ind_start*c_nbnxnGpuJgroupSize;
2029     cj_ind_last  = nbl->work->cj_ind - 1;
2030
2031     cj_first = nbl->cj4[nbl_sci->cj4_ind_start].cj[0];
2032     cj_last  = nbl_cj(nbl, cj_ind_last);
2033
2034     /* Determine how many contiguous j-clusters we have starting
2035      * from the first i-cluster. This number can be used to directly
2036      * calculate j-cluster indices for excluded atoms.
2037      */
2038     ndirect = 0;
2039     while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
2040            nbl_cj(nbl, cj_ind_first+ndirect) == sci*c_gpuNumClusterPerCell + ndirect)
2041     {
2042         ndirect++;
2043     }
2044
2045     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
2046     for (int i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
2047     {
2048         ai = nbs->a[sci*nbl->na_sc+i];
2049         if (ai >= 0)
2050         {
2051             si  = (i>>na_c_2log);
2052
2053             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
2054             for (int eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
2055             {
2056                 aj = excl->a[eind];
2057
2058                 if (aj == ai)
2059                 {
2060                     /* The self exclusion are already set, save some time */
2061                     continue;
2062                 }
2063
2064                 ge = cell[aj];
2065
2066                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
2067                  * for one-way pair-lists.
2068                  */
2069                 if (diagRemoved && ge <= sci*nbl->na_sc + i)
2070                 {
2071                     continue;
2072                 }
2073
2074                 se = ge>>na_c_2log;
2075                 /* Could the cluster se be in our list? */
2076                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
2077                 {
2078                     if (se < cj_first + ndirect)
2079                     {
2080                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
2081                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
2082                     }
2083                     else
2084                     {
2085                         /* Search for se using bisection */
2086                         found    = -1;
2087                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
2088                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
2089                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
2090                         {
2091                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
2092
2093                             cj_m = nbl_cj(nbl, cj_ind_m);
2094
2095                             if (se == cj_m)
2096                             {
2097                                 found = cj_ind_m;
2098                             }
2099                             else if (se < cj_m)
2100                             {
2101                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
2102                             }
2103                             else
2104                             {
2105                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
2106                             }
2107                         }
2108                     }
2109
2110                     if (found >= 0)
2111                     {
2112                         inner_i = i  - si*na_c;
2113                         inner_e = ge - se*na_c;
2114
2115                         if (nbl_imask0(nbl, found) & (1U << (cj_mod_cj4(found)*c_gpuNumClusterPerCell + si)))
2116                         {
2117                             w       = (inner_e >> 2);
2118
2119                             get_nbl_exclusions_1(nbl, cj_to_cj4(found), w, &nbl_excl);
2120
2121                             nbl_excl->pair[a_mod_wj(inner_e)*nbl->na_ci+inner_i] &=
2122                                 ~(1U << (cj_mod_cj4(found)*c_gpuNumClusterPerCell + si));
2123                         }
2124                     }
2125                 }
2126             }
2127         }
2128     }
2129 }
2130
2131 /* Reallocate the simple ci list for at least n entries */
2132 static void nb_realloc_ci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
2133 {
2134     nbl->ci_nalloc = over_alloc_small(n);
2135     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->ci,
2136                        nbl->nci*sizeof(*nbl->ci),
2137                        nbl->ci_nalloc*sizeof(*nbl->ci),
2138                        nbl->alloc, nbl->free);
2139 }
2140
2141 /* Reallocate the super-cell sci list for at least n entries */
2142 static void nb_realloc_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
2143 {
2144     nbl->sci_nalloc = over_alloc_small(n);
2145     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->sci,
2146                        nbl->nsci*sizeof(*nbl->sci),
2147                        nbl->sci_nalloc*sizeof(*nbl->sci),
2148                        nbl->alloc, nbl->free);
2149 }
2150
2151 /* Make a new ci entry at index nbl->nci */
2152 static void new_ci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int ci, int shift, int flags)
2153 {
2154     if (nbl->nci + 1 > nbl->ci_nalloc)
2155     {
2156         nb_realloc_ci(nbl, nbl->nci+1);
2157     }
2158     nbl->ci[nbl->nci].ci            = ci;
2159     nbl->ci[nbl->nci].shift         = shift;
2160     /* Store the interaction flags along with the shift */
2161     nbl->ci[nbl->nci].shift        |= flags;
2162     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start  = nbl->ncj;
2163     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end    = nbl->ncj;
2164 }
2165
2166 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
2167 static void new_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int sci, int shift)
2168 {
2169     if (nbl->nsci + 1 > nbl->sci_nalloc)
2170     {
2171         nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
2172     }
2173     nbl->sci[nbl->nsci].sci           = sci;
2174     nbl->sci[nbl->nsci].shift         = shift;
2175     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start = nbl->ncj4;
2176     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end   = nbl->ncj4;
2177 }
2178
2179 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
2180  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
2181  */
2182 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t *cj, int ncj,
2183                          nbnxn_list_work_t *work)
2184 {
2185     int jnew;
2186
2187     if (ncj > work->cj_nalloc)
2188     {
2189         work->cj_nalloc = over_alloc_large(ncj);
2190         srenew(work->cj, work->cj_nalloc);
2191     }
2192
2193     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
2194     jnew = 0;
2195     for (int j = 0; j < ncj; j++)
2196     {
2197         if (cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2198         {
2199             work->cj[jnew++] = cj[j];
2200         }
2201     }
2202     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
2203     if (!((jnew == 0) ||
2204           (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)))
2205     {
2206         for (int j = 0; j < ncj; j++)
2207         {
2208             if (cj[j].excl == NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2209             {
2210                 work->cj[jnew++] = cj[j];
2211             }
2212         }
2213         for (int j = 0; j < ncj; j++)
2214         {
2215             cj[j] = work->cj[j];
2216         }
2217     }
2218 }
2219
2220 /* Close this simple list i entry */
2221 static void close_ci_entry_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl)
2222 {
2223     int jlen;
2224
2225     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
2226      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
2227      */
2228     jlen = nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end - nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start;
2229     if (jlen > 0)
2230     {
2231         sort_cj_excl(nbl->cj+nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start, jlen, nbl->work);
2232
2233         /* The counts below are used for non-bonded pair/flop counts
2234          * and should therefore match the available kernel setups.
2235          */
2236         if (!(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
2237         {
2238             nbl->work->ncj_noq += jlen;
2239         }
2240         else if ((nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0)) ||
2241                  !(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_LJ(0)))
2242         {
2243             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
2244         }
2245
2246         nbl->nci++;
2247     }
2248 }
2249
2250 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
2251  * Splitting ensures we have enough lists to fully utilize the whole GPU.
2252  * With progBal we generate progressively smaller lists, which improves
2253  * load balancing. As we only know the current count on our own thread,
2254  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
2255  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
2256  * both on nthread and our own thread index.
2257  */
2258 static void split_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2259                             int nsp_target_av,
2260                             gmx_bool progBal, float nsp_tot_est,
2261                             int thread, int nthread)
2262 {
2263     int nsp_max;
2264     int cj4_start, cj4_end, j4len;
2265     int sci;
2266     int nsp, nsp_sci, nsp_cj4, nsp_cj4_e, nsp_cj4_p;
2267
2268     if (progBal)
2269     {
2270         float nsp_est;
2271
2272         /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
2273          * over all threads using the target number of ci's.
2274          */
2275         nsp_est = (nsp_tot_est*thread)/nthread + nbl->nci_tot;
2276
2277         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
2278          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
2279          * The factor 3/2 makes the first block 3/2 times the target average
2280          * and ensures that the total number of blocks end up equal to
2281          * that of equally sized blocks of size nsp_target_av.
2282          */
2283         nsp_max = static_cast<int>(nsp_target_av*(nsp_tot_est*1.5/(nsp_est + nsp_tot_est)));
2284     }
2285     else
2286     {
2287         nsp_max = nsp_target_av;
2288     }
2289
2290     cj4_start = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_start;
2291     cj4_end   = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_end;
2292     j4len     = cj4_end - cj4_start;
2293
2294     if (j4len > 1 && j4len*c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuJgroupSize > nsp_max)
2295     {
2296         /* Remove the last ci entry and process the cj4's again */
2297         nbl->nsci -= 1;
2298
2299         sci        = nbl->nsci;
2300         nsp        = 0;
2301         nsp_sci    = 0;
2302         nsp_cj4_e  = 0;
2303         nsp_cj4    = 0;
2304         for (int cj4 = cj4_start; cj4 < cj4_end; cj4++)
2305         {
2306             nsp_cj4_p = nsp_cj4;
2307             /* Count the number of cluster pairs in this cj4 group */
2308             nsp_cj4   = 0;
2309             for (int p = 0; p < c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuJgroupSize; p++)
2310             {
2311                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
2312             }
2313
2314             /* If adding the current cj4 with nsp_cj4 pairs get us further
2315              * away from our target nsp_max, split the list before this cj4.
2316              */
2317             if (nsp > 0 && nsp_max - nsp < nsp + nsp_cj4 - nsp_max)
2318             {
2319                 /* Split the list at cj4 */
2320                 nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4;
2321                 /* Create a new sci entry */
2322                 sci++;
2323                 nbl->nsci++;
2324                 if (nbl->nsci+1 > nbl->sci_nalloc)
2325                 {
2326                     nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
2327                 }
2328                 nbl->sci[sci].sci           = nbl->sci[nbl->nsci-1].sci;
2329                 nbl->sci[sci].shift         = nbl->sci[nbl->nsci-1].shift;
2330                 nbl->sci[sci].cj4_ind_start = cj4;
2331                 nsp_sci                     = nsp;
2332                 nsp_cj4_e                   = nsp_cj4_p;
2333                 nsp                         = 0;
2334             }
2335             nsp += nsp_cj4;
2336         }
2337
2338         /* Put the remaining cj4's in the last sci entry */
2339         nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4_end;
2340
2341         /* Possibly balance out the last two sci's
2342          * by moving the last cj4 of the second last sci.
2343          */
2344         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
2345         {
2346             nbl->sci[sci-1].cj4_ind_end--;
2347             nbl->sci[sci].cj4_ind_start--;
2348         }
2349
2350         nbl->nsci++;
2351     }
2352 }
2353
2354 /* Clost this super/sub list i entry */
2355 static void close_ci_entry_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2356                                     int nsp_max_av,
2357                                     gmx_bool progBal, float nsp_tot_est,
2358                                     int thread, int nthread)
2359 {
2360     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
2361      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
2362      */
2363     int j4len = nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end - nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start;
2364     if (j4len > 0)
2365     {
2366         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
2367          * so round the count up before closing.
2368          */
2369         nbl->ncj4         = (nbl->work->cj_ind + c_nbnxnGpuJgroupSize - 1)/c_nbnxnGpuJgroupSize;
2370         nbl->work->cj_ind = nbl->ncj4*c_nbnxnGpuJgroupSize;
2371
2372         nbl->nsci++;
2373
2374         if (nsp_max_av > 0)
2375         {
2376             /* Measure the size of the new entry and potentially split it */
2377             split_sci_entry(nbl, nsp_max_av, progBal, nsp_tot_est,
2378                             thread, nthread);
2379         }
2380     }
2381 }
2382
2383 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the list */
2384 static void sync_work(nbnxn_pairlist_t *nbl)
2385 {
2386     if (!nbl->bSimple)
2387     {
2388         nbl->work->cj_ind   = nbl->ncj4*c_nbnxnGpuJgroupSize;
2389         nbl->work->cj4_init = nbl->ncj4;
2390     }
2391 }
2392
2393 /* Clears an nbnxn_pairlist_t data structure */
2394 static void clear_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl)
2395 {
2396     nbl->nci           = 0;
2397     nbl->nsci          = 0;
2398     nbl->ncj           = 0;
2399     nbl->ncjInUse      = 0;
2400     nbl->ncj4          = 0;
2401     nbl->nci_tot       = 0;
2402     nbl->nexcl         = 1;
2403
2404     nbl->work->ncj_noq = 0;
2405     nbl->work->ncj_hlj = 0;
2406 }
2407
2408 /* Clears a group scheme pair list */
2409 static void clear_pairlist_fep(t_nblist *nl)
2410 {
2411     nl->nri = 0;
2412     nl->nrj = 0;
2413     if (nl->jindex == nullptr)
2414     {
2415         snew(nl->jindex, 1);
2416     }
2417     nl->jindex[0] = 0;
2418 }
2419
2420 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
2421 static gmx_inline void set_icell_bb_simple(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
2422                                            real shx, real shy, real shz,
2423                                            nbnxn_bb_t *bb_ci)
2424 {
2425     bb_ci->lower[BB_X] = bb[ci].lower[BB_X] + shx;
2426     bb_ci->lower[BB_Y] = bb[ci].lower[BB_Y] + shy;
2427     bb_ci->lower[BB_Z] = bb[ci].lower[BB_Z] + shz;
2428     bb_ci->upper[BB_X] = bb[ci].upper[BB_X] + shx;
2429     bb_ci->upper[BB_Y] = bb[ci].upper[BB_Y] + shy;
2430     bb_ci->upper[BB_Z] = bb[ci].upper[BB_Z] + shz;
2431 }
2432
2433 #if NBNXN_BBXXXX
2434 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
2435 static void set_icell_bbxxxx_supersub(const float *bb, int ci,
2436                                       real shx, real shy, real shz,
2437                                       float *bb_ci)
2438 {
2439     int ia = ci*(c_gpuNumClusterPerCell >> STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX;
2440     for (int m = 0; m < (c_gpuNumClusterPerCell >> STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX; m += NNBSBB_XXXX)
2441     {
2442         for (int i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
2443         {
2444             bb_ci[m+0*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+0*STRIDE_PBB+i] + shx;
2445             bb_ci[m+1*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+1*STRIDE_PBB+i] + shy;
2446             bb_ci[m+2*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+2*STRIDE_PBB+i] + shz;
2447             bb_ci[m+3*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+3*STRIDE_PBB+i] + shx;
2448             bb_ci[m+4*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+4*STRIDE_PBB+i] + shy;
2449             bb_ci[m+5*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+5*STRIDE_PBB+i] + shz;
2450         }
2451     }
2452 }
2453 #endif
2454
2455 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
2456 static void set_icell_bb_supersub(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
2457                                   real shx, real shy, real shz,
2458                                   nbnxn_bb_t *bb_ci)
2459 {
2460     for (int i = 0; i < c_gpuNumClusterPerCell; i++)
2461     {
2462         set_icell_bb_simple(bb, ci*c_gpuNumClusterPerCell+i,
2463                             shx, shy, shz,
2464                             &bb_ci[i]);
2465     }
2466 }
2467
2468 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
2469 static void icell_set_x_simple(int ci,
2470                                real shx, real shy, real shz,
2471                                int stride, const real *x,
2472                                nbnxn_list_work_t *work)
2473 {
2474     int ia = ci*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2475
2476     for (int i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; i++)
2477     {
2478         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] = x[(ia+i)*stride+XX] + shx;
2479         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] = x[(ia+i)*stride+YY] + shy;
2480         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] = x[(ia+i)*stride+ZZ] + shz;
2481     }
2482 }
2483
2484 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
2485 static void icell_set_x_supersub(int ci,
2486                                  real shx, real shy, real shz,
2487                                  int stride, const real *x,
2488                                  nbnxn_list_work_t *work)
2489 {
2490 #if !GMX_SIMD4_HAVE_REAL
2491
2492     real * x_ci = work->x_ci;
2493
2494     int    ia = ci*c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuClusterSize;
2495     for (int i = 0; i < c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuClusterSize; i++)
2496     {
2497         x_ci[i*DIM + XX] = x[(ia+i)*stride + XX] + shx;
2498         x_ci[i*DIM + YY] = x[(ia+i)*stride + YY] + shy;
2499         x_ci[i*DIM + ZZ] = x[(ia+i)*stride + ZZ] + shz;
2500     }
2501
2502 #else /* !GMX_SIMD4_HAVE_REAL */
2503
2504     real * x_ci = work->x_ci_simd;
2505
2506     for (int si = 0; si < c_gpuNumClusterPerCell; si++)
2507     {
2508         for (int i = 0; i < c_nbnxnGpuClusterSize; i += GMX_SIMD4_WIDTH)
2509         {
2510             int io = si*c_nbnxnGpuClusterSize + i;
2511             int ia = ci*c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuClusterSize + io;
2512             for (int j = 0; j < GMX_SIMD4_WIDTH; j++)
2513             {
2514                 x_ci[io*DIM + j + XX*GMX_SIMD4_WIDTH] = x[(ia + j)*stride + XX] + shx;
2515                 x_ci[io*DIM + j + YY*GMX_SIMD4_WIDTH] = x[(ia + j)*stride + YY] + shy;
2516                 x_ci[io*DIM + j + ZZ*GMX_SIMD4_WIDTH] = x[(ia + j)*stride + ZZ] + shz;
2517             }
2518         }
2519     }
2520
2521 #endif /* !GMX_SIMD4_HAVE_REAL */
2522 }
2523
2524 static real minimum_subgrid_size_xy(const nbnxn_grid_t *grid)
2525 {
2526     if (grid->bSimple)
2527     {
2528         return std::min(grid->sx, grid->sy);
2529     }
2530     else
2531     {
2532         return std::min(grid->sx/c_gpuNumClusterPerCellX,
2533                         grid->sy/c_gpuNumClusterPerCellY);
2534     }
2535 }
2536
2537 static real effective_buffer_1x1_vs_MxN(const nbnxn_grid_t *gridi,
2538                                         const nbnxn_grid_t *gridj)
2539 {
2540     const real eff_1x1_buffer_fac_overest = 0.1;
2541
2542     /* Determine an atom-pair list cut-off buffer size for atom pairs,
2543      * to be added to rlist (including buffer) used for MxN.
2544      * This is for converting an MxN list to a 1x1 list. This means we can't
2545      * use the normal buffer estimate, as we have an MxN list in which
2546      * some atom pairs beyond rlist are missing. We want to capture
2547      * the beneficial effect of buffering by extra pairs just outside rlist,
2548      * while removing the useless pairs that are further away from rlist.
2549      * (Also the buffer could have been set manually not using the estimate.)
2550      * This buffer size is an overestimate.
2551      * We add 10% of the smallest grid sub-cell dimensions.
2552      * Note that the z-size differs per cell and we don't use this,
2553      * so we overestimate.
2554      * With PME, the 10% value gives a buffer that is somewhat larger
2555      * than the effective buffer with a tolerance of 0.005 kJ/mol/ps.
2556      * Smaller tolerances or using RF lead to a smaller effective buffer,
2557      * so 10% gives a safe overestimate.
2558      */
2559     return eff_1x1_buffer_fac_overest*(minimum_subgrid_size_xy(gridi) +
2560                                        minimum_subgrid_size_xy(gridj));
2561 }
2562
2563 /* Clusters at the cut-off only increase rlist by 60% of their size */
2564 static real nbnxn_rlist_inc_outside_fac = 0.6;
2565
2566 /* Due to the cluster size the effective pair-list is longer than
2567  * that of a simple atom pair-list. This function gives the extra distance.
2568  */
2569 real nbnxn_get_rlist_effective_inc(int cluster_size_j, real atom_density)
2570 {
2571     int  cluster_size_i;
2572     real vol_inc_i, vol_inc_j;
2573
2574     /* We should get this from the setup, but currently it's the same for
2575      * all setups, including GPUs.
2576      */
2577     cluster_size_i = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2578
2579     vol_inc_i = (cluster_size_i - 1)/atom_density;
2580     vol_inc_j = (cluster_size_j - 1)/atom_density;
2581
2582     return nbnxn_rlist_inc_outside_fac*std::cbrt(vol_inc_i + vol_inc_j);
2583 }
2584
2585 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
2586 static real nonlocal_vol2(const struct gmx_domdec_zones_t *zones, rvec ls, real r)
2587 {
2588     real cl, ca, za;
2589     real vold_est;
2590     real vol2_est_tot;
2591
2592     vol2_est_tot = 0;
2593
2594     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
2595      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
2596      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
2597      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
2598      * as small parts as possible.
2599      */
2600
2601     for (int z = 0; z < zones->n; z++)
2602     {
2603         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
2604         {
2605             cl = 0;
2606             ca = 1;
2607             za = 1;
2608             for (int d = 0; d < DIM; d++)
2609             {
2610                 if (zones->shift[z][d] == 0)
2611                 {
2612                     cl += 0.5*ls[d];
2613                     ca *= ls[d];
2614                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
2615                 }
2616             }
2617
2618             /* 4 octants of a sphere */
2619             vold_est  = 0.25*M_PI*r*r*r*r;
2620             /* 4 quarter pie slices on the edges */
2621             vold_est += 4*cl*M_PI/6.0*r*r*r;
2622             /* One rectangular volume on a face */
2623             vold_est += ca*0.5*r*r;
2624
2625             vol2_est_tot += vold_est*za;
2626         }
2627     }
2628
2629     return vol2_est_tot;
2630 }
2631
2632 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
2633 static void get_nsubpair_target(const nbnxn_search_t  nbs,
2634                                 int                   iloc,
2635                                 real                  rlist,
2636                                 int                   min_ci_balanced,
2637                                 int                  *nsubpair_target,
2638                                 float                *nsubpair_tot_est)
2639 {
2640     /* The target value of 36 seems to be the optimum for Kepler.
2641      * Maxwell is less sensitive to the exact value.
2642      */
2643     const int           nsubpair_target_min = 36;
2644     const nbnxn_grid_t *grid;
2645     rvec                ls;
2646     real                r_eff_sup, vol_est, nsp_est, nsp_est_nl;
2647
2648     grid = &nbs->grid[0];
2649
2650     /* We don't need to balance list sizes if:
2651      * - We didn't request balancing.
2652      * - The number of grid cells >= the number of lists requested,
2653      *   since we will always generate at least #cells lists.
2654      * - We don't have any cells, since then there won't be any lists.
2655      */
2656     if (min_ci_balanced <= 0 || grid->nc >= min_ci_balanced || grid->nc == 0)
2657     {
2658         /* nsubpair_target==0 signals no balancing */
2659         *nsubpair_target  = 0;
2660         *nsubpair_tot_est = 0;
2661
2662         return;
2663     }
2664
2665     ls[XX] = (grid->c1[XX] - grid->c0[XX])/(grid->ncx*c_gpuNumClusterPerCellX);
2666     ls[YY] = (grid->c1[YY] - grid->c0[YY])/(grid->ncy*c_gpuNumClusterPerCellY);
2667     ls[ZZ] = grid->na_c/(grid->atom_density*ls[XX]*ls[YY]);
2668
2669     /* The average length of the diagonal of a sub cell */
2670     real diagonal = std::sqrt(ls[XX]*ls[XX] + ls[YY]*ls[YY] + ls[ZZ]*ls[ZZ]);
2671
2672     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
2673     r_eff_sup = rlist + nbnxn_rlist_inc_outside_fac*gmx::square((grid->na_c - 1.0)/grid->na_c)*0.5*diagonal;
2674
2675     if (!nbs->DomDec || nbs->zones->n == 1)
2676     {
2677         nsp_est_nl = 0;
2678     }
2679     else
2680     {
2681         nsp_est_nl =
2682             gmx::square(grid->atom_density/grid->na_c)*
2683             nonlocal_vol2(nbs->zones, ls, r_eff_sup);
2684     }
2685
2686     if (LOCAL_I(iloc))
2687     {
2688         /* Sub-cell interacts with itself */
2689         vol_est  = ls[XX]*ls[YY]*ls[ZZ];
2690         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
2691         vol_est += (ls[XX]*ls[YY] + ls[XX]*ls[ZZ] + ls[YY]*ls[ZZ])*r_eff_sup;
2692         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
2693         vol_est += 2*(ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ])*0.25*M_PI*gmx::square(r_eff_sup);
2694         /* 4 octants of a sphere */
2695         vol_est += 0.5*4.0/3.0*M_PI*gmx::power3(r_eff_sup);
2696
2697         /* Estimate the number of cluster pairs as the local number of
2698          * clusters times the volume they interact with times the density.
2699          */
2700         nsp_est = grid->nsubc_tot*vol_est*grid->atom_density/grid->na_c;
2701
2702         /* Subtract the non-local pair count */
2703         nsp_est -= nsp_est_nl;
2704
2705         /* For small cut-offs nsp_est will be an underesimate.
2706          * With DD nsp_est_nl is an overestimate so nsp_est can get negative.
2707          * So to avoid too small or negative nsp_est we set a minimum of
2708          * all cells interacting with all 3^3 direct neighbors (3^3-1)/2+1=14.
2709          * This might be a slight overestimate for small non-periodic groups of
2710          * atoms as will occur for a local domain with DD, but for small
2711          * groups of atoms we'll anyhow be limited by nsubpair_target_min,
2712          * so this overestimation will not matter.
2713          */
2714         nsp_est = std::max(nsp_est, grid->nsubc_tot*static_cast<real>(14));
2715
2716         if (debug)
2717         {
2718             fprintf(debug, "nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n",
2719                     nsp_est, nsp_est_nl);
2720         }
2721     }
2722     else
2723     {
2724         nsp_est = nsp_est_nl;
2725     }
2726
2727     /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows.
2728      * Since there is overhead, we shouldn't make the lists too small
2729      * (and we can't chop up j-groups) so we use a minimum target size of 36.
2730      */
2731     *nsubpair_target  = std::max(nsubpair_target_min,
2732                                  static_cast<int>(nsp_est/min_ci_balanced + 0.5));
2733     *nsubpair_tot_est = static_cast<int>(nsp_est);
2734
2735     if (debug)
2736     {
2737         fprintf(debug, "nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_target %d\n",
2738                 nsp_est, *nsubpair_target);
2739     }
2740 }
2741
2742 /* Debug list print function */
2743 static void print_nblist_ci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
2744 {
2745     for (int i = 0; i < nbl->nci; i++)
2746     {
2747         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n",
2748                 nbl->ci[i].ci, nbl->ci[i].shift,
2749                 nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start);
2750
2751         for (int j = nbl->ci[i].cj_ind_start; j < nbl->ci[i].cj_ind_end; j++)
2752         {
2753             fprintf(fp, "  cj %5d  imask %x\n",
2754                     nbl->cj[j].cj,
2755                     nbl->cj[j].excl);
2756         }
2757     }
2758 }
2759
2760 /* Debug list print function */
2761 static void print_nblist_sci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
2762 {
2763     for (int i = 0; i < nbl->nsci; i++)
2764     {
2765         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n",
2766                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
2767                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start);
2768
2769         int ncp = 0;
2770         for (int j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
2771         {
2772             for (int j = 0; j < c_nbnxnGpuJgroupSize; j++)
2773             {
2774                 fprintf(fp, "  sj %5d  imask %x\n",
2775                         nbl->cj4[j4].cj[j],
2776                         nbl->cj4[j4].imei[0].imask);
2777                 for (int si = 0; si < c_gpuNumClusterPerCell; si++)
2778                 {
2779                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*c_gpuNumClusterPerCell + si)))
2780                     {
2781                         ncp++;
2782                     }
2783                 }
2784             }
2785         }
2786         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d ncp %3d\n",
2787                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
2788                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start,
2789                 ncp);
2790     }
2791 }
2792
2793 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
2794 static void combine_nblists(int nnbl, nbnxn_pairlist_t **nbl,
2795                             nbnxn_pairlist_t *nblc)
2796 {
2797     int nsci, ncj4, nexcl;
2798
2799     if (nblc->bSimple)
2800     {
2801         gmx_incons("combine_nblists does not support simple lists");
2802     }
2803
2804     nsci  = nblc->nsci;
2805     ncj4  = nblc->ncj4;
2806     nexcl = nblc->nexcl;
2807     for (int i = 0; i < nnbl; i++)
2808     {
2809         nsci  += nbl[i]->nsci;
2810         ncj4  += nbl[i]->ncj4;
2811         nexcl += nbl[i]->nexcl;
2812     }
2813
2814     if (nsci > nblc->sci_nalloc)
2815     {
2816         nb_realloc_sci(nblc, nsci);
2817     }
2818     if (ncj4 > nblc->cj4_nalloc)
2819     {
2820         nblc->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4);
2821         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->cj4,
2822                            nblc->ncj4*sizeof(*nblc->cj4),
2823                            nblc->cj4_nalloc*sizeof(*nblc->cj4),
2824                            nblc->alloc, nblc->free);
2825     }
2826     if (nexcl > nblc->excl_nalloc)
2827     {
2828         nblc->excl_nalloc = over_alloc_small(nexcl);
2829         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->excl,
2830                            nblc->nexcl*sizeof(*nblc->excl),
2831                            nblc->excl_nalloc*sizeof(*nblc->excl),
2832                            nblc->alloc, nblc->free);
2833     }
2834
2835     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
2836      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
2837      */
2838 #if GMX_OPENMP && !(defined __clang_analyzer__)
2839     // cppcheck-suppress unreadVariable
2840     int nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
2841 #endif
2842
2843 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
2844     for (int n = 0; n < nnbl; n++)
2845     {
2846         try
2847         {
2848             int                     sci_offset;
2849             int                     cj4_offset;
2850             int                     excl_offset;
2851             const nbnxn_pairlist_t *nbli;
2852
2853             /* Determine the offset in the combined data for our thread */
2854             sci_offset  = nblc->nsci;
2855             cj4_offset  = nblc->ncj4;
2856             excl_offset = nblc->nexcl;
2857
2858             for (int i = 0; i < n; i++)
2859             {
2860                 sci_offset  += nbl[i]->nsci;
2861                 cj4_offset  += nbl[i]->ncj4;
2862                 excl_offset += nbl[i]->nexcl;
2863             }
2864
2865             nbli = nbl[n];
2866
2867             for (int i = 0; i < nbli->nsci; i++)
2868             {
2869                 nblc->sci[sci_offset+i]                = nbli->sci[i];
2870                 nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_start += cj4_offset;
2871                 nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_end   += cj4_offset;
2872             }
2873
2874             for (int j4 = 0; j4 < nbli->ncj4; j4++)
2875             {
2876                 nblc->cj4[cj4_offset+j4]                   = nbli->cj4[j4];
2877                 nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
2878                 nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
2879             }
2880
2881             for (int j4 = 0; j4 < nbli->nexcl; j4++)
2882             {
2883                 nblc->excl[excl_offset+j4] = nbli->excl[j4];
2884             }
2885         }
2886         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
2887     }
2888
2889     for (int n = 0; n < nnbl; n++)
2890     {
2891         nblc->nsci    += nbl[n]->nsci;
2892         nblc->ncj4    += nbl[n]->ncj4;
2893         nblc->nci_tot += nbl[n]->nci_tot;
2894         nblc->nexcl   += nbl[n]->nexcl;
2895     }
2896 }
2897
2898 static void balance_fep_lists(const nbnxn_search_t  nbs,
2899                               nbnxn_pairlist_set_t *nbl_lists)
2900 {
2901     int       nnbl;
2902     int       nri_tot, nrj_tot, nrj_target;
2903     int       th_dest;
2904     t_nblist *nbld;
2905
2906     nnbl = nbl_lists->nnbl;
2907
2908     if (nnbl == 1)
2909     {
2910         /* Nothing to balance */
2911         return;
2912     }
2913
2914     /* Count the total i-lists and pairs */
2915     nri_tot = 0;
2916     nrj_tot = 0;
2917     for (int th = 0; th < nnbl; th++)
2918     {
2919         nri_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nri;
2920         nrj_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj;
2921     }
2922
2923     nrj_target = (nrj_tot + nnbl - 1)/nnbl;
2924
2925     assert(gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) == nnbl);
2926
2927 #pragma omp parallel for schedule(static) num_threads(nnbl)
2928     for (int th = 0; th < nnbl; th++)
2929     {
2930         try
2931         {
2932             t_nblist *nbl;
2933
2934             nbl = nbs->work[th].nbl_fep;
2935
2936             /* Note that here we allocate for the total size, instead of
2937              * a per-thread esimate (which is hard to obtain).
2938              */
2939             if (nri_tot > nbl->maxnri)
2940             {
2941                 nbl->maxnri = over_alloc_large(nri_tot);
2942                 reallocate_nblist(nbl);
2943             }
2944             if (nri_tot > nbl->maxnri || nrj_tot > nbl->maxnrj)
2945             {
2946                 nbl->maxnrj = over_alloc_small(nrj_tot);
2947                 srenew(nbl->jjnr, nbl->maxnrj);
2948                 srenew(nbl->excl_fep, nbl->maxnrj);
2949             }
2950
2951             clear_pairlist_fep(nbl);
2952         }
2953         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
2954     }
2955
2956     /* Loop over the source lists and assign and copy i-entries */
2957     th_dest = 0;
2958     nbld    = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
2959     for (int th = 0; th < nnbl; th++)
2960     {
2961         t_nblist *nbls;
2962
2963         nbls = nbl_lists->nbl_fep[th];
2964
2965         for (int i = 0; i < nbls->nri; i++)
2966         {
2967             int nrj;
2968
2969             /* The number of pairs in this i-entry */
2970             nrj = nbls->jindex[i+1] - nbls->jindex[i];
2971
2972             /* Decide if list th_dest is too large and we should procede
2973              * to the next destination list.
2974              */
2975             if (th_dest+1 < nnbl && nbld->nrj > 0 &&
2976                 nbld->nrj + nrj - nrj_target > nrj_target - nbld->nrj)
2977             {
2978                 th_dest++;
2979                 nbld = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
2980             }
2981
2982             nbld->iinr[nbld->nri]  = nbls->iinr[i];
2983             nbld->gid[nbld->nri]   = nbls->gid[i];
2984             nbld->shift[nbld->nri] = nbls->shift[i];
2985
2986             for (int j = nbls->jindex[i]; j < nbls->jindex[i+1]; j++)
2987             {
2988                 nbld->jjnr[nbld->nrj]     = nbls->jjnr[j];
2989                 nbld->excl_fep[nbld->nrj] = nbls->excl_fep[j];
2990                 nbld->nrj++;
2991             }
2992             nbld->nri++;
2993             nbld->jindex[nbld->nri] = nbld->nrj;
2994         }
2995     }
2996
2997     /* Swap the list pointers */
2998     for (int th = 0; th < nnbl; th++)
2999     {
3000         t_nblist *nbl_tmp;
3001
3002         nbl_tmp                = nbl_lists->nbl_fep[th];
3003         nbl_lists->nbl_fep[th] = nbs->work[th].nbl_fep;
3004         nbs->work[th].nbl_fep  = nbl_tmp;
3005
3006         if (debug)
3007         {
3008             fprintf(debug, "nbl_fep[%d] nri %4d nrj %4d\n",
3009                     th,
3010                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nri,
3011                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj);
3012         }
3013     }
3014 }
3015
3016 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
3017 static gmx_bool next_ci(const nbnxn_grid_t *grid,
3018                         int conv,
3019                         int nth, int ci_block,
3020                         int *ci_x, int *ci_y,
3021                         int *ci_b, int *ci)
3022 {
3023     (*ci_b)++;
3024     (*ci)++;
3025
3026     if (*ci_b == ci_block)
3027     {
3028         /* Jump to the next block assigned to this task */
3029         *ci   += (nth - 1)*ci_block;
3030         *ci_b  = 0;
3031     }
3032
3033     if (*ci >= grid->nc*conv)
3034     {
3035         return FALSE;
3036     }
3037
3038     while (*ci >= grid->cxy_ind[*ci_x*grid->ncy + *ci_y + 1]*conv)
3039     {
3040         *ci_y += 1;
3041         if (*ci_y == grid->ncy)
3042         {
3043             *ci_x += 1;
3044             *ci_y  = 0;
3045         }
3046     }
3047
3048     return TRUE;
3049 }
3050
3051 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
3052  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
3053  */
3054 static float boundingbox_only_distance2(const nbnxn_grid_t *gridi,
3055                                         const nbnxn_grid_t *gridj,
3056                                         real                rlist,
3057                                         gmx_bool            simple)
3058 {
3059     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
3060      * than this distance, do not check the distance between
3061      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
3062      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
3063      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
3064      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
3065      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
3066      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
3067      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
3068      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
3069      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
3070      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
3071      */
3072     real bbx, bby;
3073     real rbb2;
3074
3075     bbx = 0.5*(gridi->sx + gridj->sx);
3076     bby = 0.5*(gridi->sy + gridj->sy);
3077     if (!simple)
3078     {
3079         bbx /= c_gpuNumClusterPerCellX;
3080         bby /= c_gpuNumClusterPerCellY;
3081     }
3082
3083     rbb2 = std::max(0.0, rlist - 0.5*std::sqrt(bbx*bbx + bby*bby));
3084     rbb2 = rbb2 * rbb2;
3085
3086 #if !GMX_DOUBLE
3087     return rbb2;
3088 #else
3089     return (float)((1+GMX_FLOAT_EPS)*rbb2);
3090 #endif
3091 }
3092
3093 static int get_ci_block_size(const nbnxn_grid_t *gridi,
3094                              gmx_bool bDomDec, int nth)
3095 {
3096     const int ci_block_enum      = 5;
3097     const int ci_block_denom     = 11;
3098     const int ci_block_min_atoms = 16;
3099     int       ci_block;
3100
3101     /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
3102      * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
3103      * a multiple of the number of threads, which would lead to some
3104      * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
3105      * which in turns will lead to load imbalance between threads.
3106      * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
3107      * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
3108      * of the grid parts of the different thread along all three grid
3109      * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
3110      * the blocks will not become too small.
3111      */
3112     ci_block = (gridi->nc*ci_block_enum)/(ci_block_denom*gridi->ncx*nth);
3113
3114     /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
3115     if (ci_block*gridi->na_sc < ci_block_min_atoms)
3116     {
3117         ci_block = (ci_block_min_atoms + gridi->na_sc - 1)/gridi->na_sc;
3118     }
3119
3120     /* Without domain decomposition
3121      * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
3122      */
3123     if (!bDomDec || nth*3*ci_block > gridi->nc)
3124     {
3125         ci_block = (gridi->nc + nth - 1)/nth;
3126     }
3127
3128     if (ci_block > 1 && (nth - 1)*ci_block >= gridi->nc)
3129     {
3130         /* Some threads have no work. Although reducing the block size
3131          * does not decrease the block count on the first few threads,
3132          * with GPUs better mixing of "upper" cells that have more empty
3133          * clusters results in a somewhat lower max load over all threads.
3134          * Without GPUs the regime of so few atoms per thread is less
3135          * performance relevant, but with 8-wide SIMD the same reasoning
3136          * applies, since the pair list uses 4 i-atom "sub-clusters".
3137          */
3138         ci_block--;
3139     }
3140
3141     return ci_block;
3142 }
3143
3144 /* Returns the number of bits to right-shift a cluster index to obtain
3145  * the corresponding force buffer flag index.
3146  */
3147 static int getBufferFlagShift(int numAtomsPerCluster)
3148 {
3149     int bufferFlagShift = 0;
3150     while ((numAtomsPerCluster << bufferFlagShift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
3151     {
3152         bufferFlagShift++;
3153     }
3154
3155     return bufferFlagShift;
3156 }
3157
3158 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
3159 static void nbnxn_make_pairlist_part(const nbnxn_search_t nbs,
3160                                      const nbnxn_grid_t *gridi,
3161                                      const nbnxn_grid_t *gridj,
3162                                      nbnxn_search_work_t *work,
3163                                      const nbnxn_atomdata_t *nbat,
3164                                      const t_blocka *excl,
3165                                      real rlist,
3166                                      int nb_kernel_type,
3167                                      int ci_block,
3168                                      gmx_bool bFBufferFlag,
3169                                      int nsubpair_max,
3170                                      gmx_bool progBal,
3171                                      float nsubpair_tot_est,
3172                                      int th, int nth,
3173                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
3174                                      t_nblist *nbl_fep)
3175 {
3176     int               na_cj_2log;
3177     matrix            box;
3178     real              rlist2, rl_fep2 = 0;
3179     float             rbb2;
3180     int               ci_b, ci, ci_x, ci_y, ci_xy, cj;
3181     ivec              shp;
3182     int               shift;
3183     real              shx, shy, shz;
3184     int               conv_i, cell0_i;
3185     const nbnxn_bb_t *bb_i = nullptr;
3186 #if NBNXN_BBXXXX
3187     const float      *pbb_i = nullptr;
3188 #endif
3189     const float      *bbcz_i, *bbcz_j;
3190     const int        *flags_i;
3191     real              bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1;
3192     real              bz1_frac;
3193     real              d2cx, d2z, d2z_cx, d2z_cy, d2zx, d2zxy, d2xy;
3194     int               cxf, cxl, cyf, cyf_x, cyl;
3195     int               numDistanceChecks;
3196     int               gridi_flag_shift = 0, gridj_flag_shift = 0;
3197     gmx_bitmask_t    *gridj_flag       = nullptr;
3198     int               ncj_old_i, ncj_old_j;
3199
3200     nbs_cycle_start(&work->cc[enbsCCsearch]);
3201
3202     if (gridj->bSimple != nbl->bSimple)
3203     {
3204         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
3205     }
3206
3207     sync_work(nbl);
3208     nbl->na_sc = gridj->na_sc;
3209     nbl->na_ci = gridj->na_c;
3210     nbl->na_cj = nbnxn_kernel_to_cluster_j_size(nb_kernel_type);
3211     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
3212
3213     nbl->rlist  = rlist;
3214
3215     if (bFBufferFlag)
3216     {
3217         /* Determine conversion of clusters to flag blocks */
3218         gridi_flag_shift = getBufferFlagShift(nbl->na_ci);
3219         gridj_flag_shift = getBufferFlagShift(nbl->na_cj);
3220
3221         gridj_flag       = work->buffer_flags.flag;
3222     }
3223
3224     copy_mat(nbs->box, box);
3225
3226     rlist2 = nbl->rlist*nbl->rlist;
3227
3228     if (nbs->bFEP && !nbl->bSimple)
3229     {
3230         /* Determine an atom-pair list cut-off distance for FEP atom pairs.
3231          * We should not simply use rlist, since then we would not have
3232          * the small, effective buffering of the NxN lists.
3233          * The buffer is on overestimate, but the resulting cost for pairs
3234          * beyond rlist is neglible compared to the FEP pairs within rlist.
3235          */
3236         rl_fep2 = nbl->rlist + effective_buffer_1x1_vs_MxN(gridi, gridj);
3237
3238         if (debug)
3239         {
3240             fprintf(debug, "nbl_fep atom-pair rlist %f\n", rl_fep2);
3241         }
3242         rl_fep2 = rl_fep2*rl_fep2;
3243     }
3244
3245     rbb2 = boundingbox_only_distance2(gridi, gridj, nbl->rlist, nbl->bSimple);
3246
3247     if (debug)
3248     {
3249         fprintf(debug, "nbl bounding box only distance %f\n", std::sqrt(rbb2));
3250     }
3251
3252     /* Set the shift range */
3253     for (int d = 0; d < DIM; d++)
3254     {
3255         /* Check if we need periodicity shifts.
3256          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
3257          */
3258         if (d >= ePBC2npbcdim(nbs->ePBC) || nbs->dd_dim[d])
3259         {
3260             shp[d] = 0;
3261         }
3262         else
3263         {
3264             if (d == XX &&
3265                 box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < std::sqrt(rlist2))
3266             {
3267                 shp[d] = 2;
3268             }
3269             else
3270             {
3271                 shp[d] = 1;
3272             }
3273         }
3274     }
3275
3276     if (nbl->bSimple && !gridi->bSimple)
3277     {
3278         conv_i  = gridi->na_sc/gridj->na_sc;
3279         bb_i    = gridi->bb_simple;
3280         bbcz_i  = gridi->bbcz_simple;
3281         flags_i = gridi->flags_simple;
3282     }
3283     else
3284     {
3285         conv_i  = 1;
3286 #if NBNXN_BBXXXX
3287         if (gridi->bSimple)
3288         {
3289             bb_i  = gridi->bb;
3290         }
3291         else
3292         {
3293             pbb_i = gridi->pbb;
3294         }
3295 #else
3296         /* We use the normal bounding box format for both grid types */
3297         bb_i  = gridi->bb;
3298 #endif
3299         bbcz_i  = gridi->bbcz;
3300         flags_i = gridi->flags;
3301     }
3302     cell0_i = gridi->cell0*conv_i;
3303
3304     bbcz_j = gridj->bbcz;
3305
3306     if (conv_i != 1)
3307     {
3308         /* Blocks of the conversion factor - 1 give a large repeat count
3309          * combined with a small block size. This should result in good
3310          * load balancing for both small and large domains.
3311          */
3312         ci_block = conv_i - 1;
3313     }
3314     if (debug)
3315     {
3316         fprintf(debug, "nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n",
3317                 gridi->nc, gridi->nc/(double)(gridi->ncx*gridi->ncy), ci_block);
3318     }
3319
3320     numDistanceChecks = 0;
3321
3322     /* Initially ci_b and ci to 1 before where we want them to start,
3323      * as they will both be incremented in next_ci.
3324      */
3325     ci_b = -1;
3326     ci   = th*ci_block - 1;
3327     ci_x = 0;
3328     ci_y = 0;
3329     while (next_ci(gridi, conv_i, nth, ci_block, &ci_x, &ci_y, &ci_b, &ci))
3330     {
3331         if (nbl->bSimple && flags_i[ci] == 0)
3332         {
3333             continue;
3334         }
3335
3336         ncj_old_i = nbl->ncj;
3337
3338         d2cx = 0;
3339         if (gridj != gridi && shp[XX] == 0)
3340         {
3341             if (nbl->bSimple)
3342             {
3343                 bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X];
3344             }
3345             else
3346             {
3347                 bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx;
3348             }
3349             if (bx1 < gridj->c0[XX])
3350             {
3351                 d2cx = gmx::square(gridj->c0[XX] - bx1);
3352
3353                 if (d2cx >= rlist2)
3354                 {
3355                     continue;
3356                 }
3357             }
3358         }
3359
3360         ci_xy = ci_x*gridi->ncy + ci_y;
3361
3362         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
3363         for (int tz = -shp[ZZ]; tz <= shp[ZZ]; tz++)
3364         {
3365             shz = tz*box[ZZ][ZZ];
3366
3367             bz0 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D  ] + shz;
3368             bz1 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D+1] + shz;
3369
3370             if (tz == 0)
3371             {
3372                 d2z = 0;
3373             }
3374             else if (tz < 0)
3375             {
3376                 d2z = gmx::square(bz1);
3377             }
3378             else
3379             {
3380                 d2z = gmx::square(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
3381             }
3382
3383             d2z_cx = d2z + d2cx;
3384
3385             if (d2z_cx >= rlist2)
3386             {
3387                 continue;
3388             }
3389
3390             bz1_frac = bz1/(gridi->cxy_ind[ci_xy+1] - gridi->cxy_ind[ci_xy]);
3391             if (bz1_frac < 0)
3392             {
3393                 bz1_frac = 0;
3394             }
3395             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
3396
3397             for (int ty = -shp[YY]; ty <= shp[YY]; ty++)
3398             {
3399                 shy = ty*box[YY][YY] + tz*box[ZZ][YY];
3400
3401                 if (nbl->bSimple)
3402                 {
3403                     by0 = bb_i[ci].lower[BB_Y] + shy;
3404                     by1 = bb_i[ci].upper[BB_Y] + shy;
3405                 }
3406                 else
3407                 {
3408                     by0 = gridi->c0[YY] + (ci_y  )*gridi->sy + shy;
3409                     by1 = gridi->c0[YY] + (ci_y+1)*gridi->sy + shy;
3410                 }
3411
3412                 get_cell_range(by0, by1,
3413                                gridj->ncy, gridj->c0[YY], gridj->sy, gridj->inv_sy,
3414                                d2z_cx, rlist2,
3415                                &cyf, &cyl);
3416
3417                 if (cyf > cyl)
3418                 {
3419                     continue;
3420                 }
3421
3422                 d2z_cy = d2z;
3423                 if (by1 < gridj->c0[YY])
3424                 {
3425                     d2z_cy += gmx::square(gridj->c0[YY] - by1);
3426                 }
3427                 else if (by0 > gridj->c1[YY])
3428                 {
3429                     d2z_cy += gmx::square(by0 - gridj->c1[YY]);
3430                 }
3431
3432                 for (int tx = -shp[XX]; tx <= shp[XX]; tx++)
3433                 {
3434                     shift = XYZ2IS(tx, ty, tz);
3435
3436                     if (c_pbcShiftBackward && gridi == gridj && shift > CENTRAL)
3437                     {
3438                         continue;
3439                     }
3440
3441                     shx = tx*box[XX][XX] + ty*box[YY][XX] + tz*box[ZZ][XX];
3442
3443                     if (nbl->bSimple)
3444                     {
3445                         bx0 = bb_i[ci].lower[BB_X] + shx;
3446                         bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X] + shx;
3447                     }
3448                     else
3449                     {
3450                         bx0 = gridi->c0[XX] + (ci_x  )*gridi->sx + shx;
3451                         bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx + shx;
3452                     }
3453
3454                     get_cell_range(bx0, bx1,
3455                                    gridj->ncx, gridj->c0[XX], gridj->sx, gridj->inv_sx,
3456                                    d2z_cy, rlist2,
3457                                    &cxf, &cxl);
3458
3459                     if (cxf > cxl)
3460                     {
3461                         continue;
3462                     }
3463
3464                     if (nbl->bSimple)
3465                     {
3466                         new_ci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci]);
3467                     }
3468                     else
3469                     {
3470                         new_sci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift);
3471                     }
3472
3473                     if ((!c_pbcShiftBackward || (shift == CENTRAL &&
3474                                                  gridi == gridj)) &&
3475                         cxf < ci_x)
3476                     {
3477                         /* Leave the pairs with i > j.
3478                          * x is the major index, so skip half of it.
3479                          */
3480                         cxf = ci_x;
3481                     }
3482
3483                     if (nbl->bSimple)
3484                     {
3485                         set_icell_bb_simple(bb_i, ci, shx, shy, shz,
3486                                             nbl->work->bb_ci);
3487                     }
3488                     else
3489                     {
3490 #if NBNXN_BBXXXX
3491                         set_icell_bbxxxx_supersub(pbb_i, ci, shx, shy, shz,
3492                                                   nbl->work->pbb_ci);
3493 #else
3494                         set_icell_bb_supersub(bb_i, ci, shx, shy, shz,
3495                                               nbl->work->bb_ci);
3496 #endif
3497                     }
3498
3499                     nbs->icell_set_x(cell0_i+ci, shx, shy, shz,
3500                                      nbat->xstride, nbat->x,
3501                                      nbl->work);
3502
3503                     for (int cx = cxf; cx <= cxl; cx++)
3504                     {
3505                         d2zx = d2z;
3506                         if (gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx > bx1)
3507                         {
3508                             d2zx += gmx::square(gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx - bx1);
3509                         }
3510                         else if (gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx < bx0)
3511                         {
3512                             d2zx += gmx::square(gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx - bx0);
3513                         }
3514
3515                         if (gridi == gridj &&
3516                             cx == 0 &&
3517                             (!c_pbcShiftBackward || shift == CENTRAL) &&
3518                             cyf < ci_y)
3519                         {
3520                             /* Leave the pairs with i > j.
3521                              * Skip half of y when i and j have the same x.
3522                              */
3523                             cyf_x = ci_y;
3524                         }
3525                         else
3526                         {
3527                             cyf_x = cyf;
3528                         }
3529
3530                         for (int cy = cyf_x; cy <= cyl; cy++)
3531                         {
3532                             const int columnStart = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy + cy];
3533                             const int columnEnd   = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy + cy + 1];
3534
3535                             d2zxy = d2zx;
3536                             if (gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy > by1)
3537                             {
3538                                 d2zxy += gmx::square(gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy - by1);
3539                             }
3540                             else if (gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy < by0)
3541                             {
3542                                 d2zxy += gmx::square(gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy - by0);
3543                             }
3544                             if (columnStart < columnEnd && d2zxy < rlist2)
3545                             {
3546                                 /* To improve efficiency in the common case
3547                                  * of a homogeneous particle distribution,
3548                                  * we estimate the index of the middle cell
3549                                  * in range (midCell). We search down and up
3550                                  * starting from this index.
3551                                  *
3552                                  * Note that the bbcz_j array contains bounds
3553                                  * for i-clusters, thus for clusters of 4 atoms.
3554                                  * For the common case where the j-cluster size
3555                                  * is 8, we could step with a stride of 2,
3556                                  * but we do not do this because it would
3557                                  * complicate this code even more.
3558                                  */
3559                                 int midCell = columnStart + static_cast<int>(bz1_frac*(columnEnd - columnStart));
3560                                 if (midCell >= columnEnd)
3561                                 {
3562                                     midCell = columnEnd - 1;
3563                                 }
3564
3565                                 d2xy = d2zxy - d2z;
3566
3567                                 /* Find the lowest cell that can possibly
3568                                  * be within range.
3569                                  * Check if we hit the bottom of the grid,
3570                                  * if the j-cell is below the i-cell and if so,
3571                                  * if it is within range.
3572                                  */
3573                                 int firstCell = midCell;
3574                                 while (firstCell > columnStart &&
3575                                        (bbcz_j[firstCell*NNBSBB_D + 1] >= bz0 ||
3576                                         d2xy + gmx::square(bbcz_j[firstCell*NNBSBB_D + 1] - bz0) < rlist2))
3577                                 {
3578                                     firstCell--;
3579                                 }
3580
3581                                 /* Find the highest cell that can possibly
3582                                  * be within range.
3583                                  * Check if we hit the top of the grid,
3584                                  * if the j-cell is above the i-cell and if so,
3585                                  * if it is within range.
3586                                  */
3587                                 int lastCell = midCell;
3588                                 while (lastCell < columnEnd - 1 &&
3589                                        (bbcz_j[lastCell*NNBSBB_D] <= bz1 ||
3590                                         d2xy + gmx::square(bbcz_j[lastCell*NNBSBB_D] - bz1) < rlist2))
3591                                 {
3592                                     lastCell++;
3593                                 }
3594
3595 #define NBNXN_REFCODE 0
3596 #if NBNXN_REFCODE
3597                                 {
3598                                     /* Simple reference code, for debugging,
3599                                      * overrides the more complex code above.
3600                                      */
3601                                     firstCell = columnEnd;
3602                                     lastCell  = -1;
3603                                     for (int k = columnStart; k < columnEnd; k++)
3604                                     {
3605                                         if (d2xy + gmx::square(bbcz_j[k*NNBSBB_D + 1] - bz0) < rlist2 &&
3606                                             k < firstCell)
3607                                         {
3608                                             firstCell = k;
3609                                         }
3610                                         if (d2xy + gmx::square(bbcz_j[k*NNBSBB_D] - bz1) < rlist2 &&
3611                                             k > lastCell)
3612                                         {
3613                                             lastCell = k;
3614                                         }
3615                                     }
3616                                 }
3617 #endif
3618
3619                                 if (gridi == gridj)
3620                                 {
3621                                     /* We want each atom/cell pair only once,
3622                                      * only use cj >= ci.
3623                                      */
3624                                     if (!c_pbcShiftBackward || shift == CENTRAL)
3625                                     {
3626                                         firstCell = std::max(firstCell, ci);
3627                                     }
3628                                 }
3629
3630                                 if (firstCell <= lastCell)
3631                                 {
3632                                     GMX_ASSERT(firstCell >= columnStart && lastCell < columnEnd, "The range should reside within the current grid column");
3633
3634                                     /* For f buffer flags with simple lists */
3635                                     ncj_old_j = nbl->ncj;
3636
3637                                     if (nbl->bSimple)
3638                                     {
3639                                         /* We have a maximum of 2 j-clusters
3640                                          * per i-cluster sized cell.
3641                                          */
3642                                         check_cell_list_space_simple(nbl, 2*(lastCell - firstCell + 1));
3643                                     }
3644                                     else
3645                                     {
3646                                         check_cell_list_space_supersub(nbl, lastCell - firstCell + 1);
3647                                     }
3648
3649                                     switch (nb_kernel_type)
3650                                     {
3651                                         case nbnxnk4x4_PlainC:
3652                                             makeClusterListSimple(gridj,
3653                                                                   nbl, ci, firstCell, lastCell,
3654                                                                   (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
3655                                                                   nbat->x,
3656                                                                   rlist2, rbb2,
3657                                                                   &numDistanceChecks);
3658                                             break;
3659 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
3660                                         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
3661                                             makeClusterListSimd4xn(gridj,
3662                                                                    nbl, ci, firstCell, lastCell,
3663                                                                    (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
3664                                                                    nbat->x,
3665                                                                    rlist2, rbb2,
3666                                                                    &numDistanceChecks);
3667                                             break;
3668 #endif
3669 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
3670                                         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
3671                                             makeClusterListSimd2xnn(gridj,
3672                                                                     nbl, ci, firstCell, lastCell,
3673                                                                     (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
3674                                                                     nbat->x,
3675                                                                     rlist2, rbb2,
3676                                                                     &numDistanceChecks);
3677                                             break;
3678 #endif
3679                                         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
3680                                         case nbnxnk8x8x8_GPU:
3681                                             for (cj = firstCell; cj <= lastCell; cj++)
3682                                             {
3683                                                 make_cluster_list_supersub(gridi, gridj,
3684                                                                            nbl, ci, cj,
3685                                                                            (gridi == gridj && shift == CENTRAL && ci == cj),
3686                                                                            nbat->xstride, nbat->x,
3687                                                                            rlist2, rbb2,
3688                                                                            &numDistanceChecks);
3689                                             }
3690                                             break;
3691                                     }
3692
3693                                     if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_j)
3694                                     {
3695                                         int cbf = nbl->cj[ncj_old_j].cj >> gridj_flag_shift;
3696                                         int cbl = nbl->cj[nbl->ncj-1].cj >> gridj_flag_shift;
3697                                         for (int cb = cbf; cb <= cbl; cb++)
3698                                         {
3699                                             bitmask_init_bit(&gridj_flag[cb], th);
3700                                         }
3701                                     }
3702
3703                                     nbl->ncjInUse += nbl->ncj - ncj_old_j;
3704                                 }
3705                             }
3706                         }
3707                     }
3708
3709                     /* Set the exclusions for this ci list */
3710                     if (nbl->bSimple)
3711                     {
3712                         set_ci_top_excls(nbs,
3713                                          nbl,
3714                                          shift == CENTRAL && gridi == gridj,
3715                                          gridj->na_c_2log,
3716                                          na_cj_2log,
3717                                          &(nbl->ci[nbl->nci]),
3718                                          excl);
3719
3720                         if (nbs->bFEP)
3721                         {
3722                             make_fep_list(nbs, nbat, nbl,
3723                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
3724                                           &(nbl->ci[nbl->nci]),
3725                                           gridi, gridj, nbl_fep);
3726                         }
3727                     }
3728                     else
3729                     {
3730                         set_sci_top_excls(nbs,
3731                                           nbl,
3732                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
3733                                           gridj->na_c_2log,
3734                                           &(nbl->sci[nbl->nsci]),
3735                                           excl);
3736
3737                         if (nbs->bFEP)
3738                         {
3739                             make_fep_list_supersub(nbs, nbat, nbl,
3740                                                    shift == CENTRAL && gridi == gridj,
3741                                                    &(nbl->sci[nbl->nsci]),
3742                                                    shx, shy, shz,
3743                                                    rl_fep2,
3744                                                    gridi, gridj, nbl_fep);
3745                         }
3746                     }
3747
3748                     /* Close this ci list */
3749                     if (nbl->bSimple)
3750                     {
3751                         close_ci_entry_simple(nbl);
3752                     }
3753                     else
3754                     {
3755                         close_ci_entry_supersub(nbl,
3756                                                 nsubpair_max,
3757                                                 progBal, nsubpair_tot_est,
3758                                                 th, nth);
3759                     }
3760                 }
3761             }
3762         }
3763
3764         if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_i)
3765         {
3766             bitmask_init_bit(&(work->buffer_flags.flag[(gridi->cell0+ci)>>gridi_flag_shift]), th);
3767         }
3768     }
3769
3770     work->ndistc = numDistanceChecks;
3771
3772     nbs_cycle_stop(&work->cc[enbsCCsearch]);
3773
3774     GMX_ASSERT(nbl->ncjInUse == nbl->ncj || nbs->bFEP, "Without free-energy all cj pair-list entries should be in use. Note that subsequent code does not make use of the equality, this check is only here to catch bugs");
3775
3776     if (debug)
3777     {
3778         fprintf(debug, "number of distance checks %d\n", numDistanceChecks);
3779
3780         if (nbl->bSimple)
3781         {
3782             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl, nbs, rlist);
3783         }
3784         else
3785         {
3786             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl, nbs, rlist);
3787         }
3788
3789         if (nbs->bFEP)
3790         {
3791             fprintf(debug, "nbl FEP list pairs: %d\n", nbl_fep->nrj);
3792         }
3793     }
3794 }
3795
3796 static void reduce_buffer_flags(const nbnxn_search_t        nbs,
3797                                 int                         nsrc,
3798                                 const nbnxn_buffer_flags_t *dest)
3799 {
3800     for (int s = 0; s < nsrc; s++)
3801     {
3802         gmx_bitmask_t * flag = nbs->work[s].buffer_flags.flag;
3803
3804         for (int b = 0; b < dest->nflag; b++)
3805         {
3806             bitmask_union(&(dest->flag[b]), flag[b]);
3807         }
3808     }
3809 }
3810
3811 static void print_reduction_cost(const nbnxn_buffer_flags_t *flags, int nout)
3812 {
3813     int           nelem, nkeep, ncopy, nred, out;
3814     gmx_bitmask_t mask_0;
3815
3816     nelem = 0;
3817     nkeep = 0;
3818     ncopy = 0;
3819     nred  = 0;
3820     bitmask_init_bit(&mask_0, 0);
3821     for (int b = 0; b < flags->nflag; b++)
3822     {
3823         if (bitmask_is_equal(flags->flag[b], mask_0))
3824         {
3825             /* Only flag 0 is set, no copy of reduction required */
3826             nelem++;
3827             nkeep++;
3828         }
3829         else if (!bitmask_is_zero(flags->flag[b]))
3830         {
3831             int c = 0;
3832             for (out = 0; out < nout; out++)
3833             {
3834                 if (bitmask_is_set(flags->flag[b], out))
3835                 {
3836                     c++;
3837                 }
3838             }
3839             nelem += c;
3840             if (c == 1)
3841             {
3842                 ncopy++;
3843             }
3844             else
3845             {
3846                 nred += c;
3847             }
3848         }
3849     }
3850
3851     fprintf(debug, "nbnxn reduction: #flag %d #list %d elem %4.2f, keep %4.2f copy %4.2f red %4.2f\n",
3852             flags->nflag, nout,
3853             nelem/(double)(flags->nflag),
3854             nkeep/(double)(flags->nflag),
3855             ncopy/(double)(flags->nflag),
3856             nred/(double)(flags->nflag));
3857 }
3858
3859 /* Copies the list entries from src to dest when cjStart <= *cjGlobal < cjEnd.
3860  * *cjGlobal is updated with the cj count in src.
3861  * When setFlags==true, flag bit t is set in flag for all i and j clusters.
3862  */
3863 template<bool setFlags>
3864 static void copySelectedListRange(const nbnxn_ci_t * gmx_restrict srcCi,
3865                                   const nbnxn_pairlist_t * gmx_restrict src,
3866                                   nbnxn_pairlist_t * gmx_restrict dest,
3867                                   gmx_bitmask_t *flag,
3868                                   int iFlagShift, int jFlagShift, int t)
3869 {
3870     int ncj = srcCi->cj_ind_end - srcCi->cj_ind_start;
3871
3872     if (dest->nci + 1 >= dest->ci_nalloc)
3873     {
3874         nb_realloc_ci(dest, dest->nci + 1);
3875     }
3876     check_cell_list_space_simple(dest, ncj);
3877
3878     dest->ci[dest->nci]              = *srcCi;
3879     dest->ci[dest->nci].cj_ind_start = dest->ncj;
3880     dest->ci[dest->nci].cj_ind_end   = dest->ncj + ncj;
3881
3882     if (setFlags)
3883     {
3884         bitmask_init_bit(&flag[srcCi->ci >> iFlagShift], t);
3885     }
3886
3887     for (int j = srcCi->cj_ind_start; j < srcCi->cj_ind_end; j++)
3888     {
3889         dest->cj[dest->ncj++] = src->cj[j];
3890
3891         if (setFlags)
3892         {
3893             /* NOTE: This is relatively expensive, since this
3894              * operation is done for all elements in the list,
3895              * whereas at list generation this is done only
3896              * once for each flag entry.
3897              */
3898             bitmask_init_bit(&flag[src->cj[j].cj >> jFlagShift], t);
3899         }
3900     }
3901
3902     dest->nci++;
3903 }
3904
3905 /* This routine re-balances the pairlists such that all are nearly equally
3906  * sized. Only whole i-entries are moved between lists. These are moved
3907  * between the ends of the lists, such that the buffer reduction cost should
3908  * not change significantly.
3909  * Note that all original reduction flags are currently kept. This can lead
3910  * to reduction of parts of the force buffer that could be avoided. But since
3911  * the original lists are quite balanced, this will only give minor overhead.
3912  */
3913 static void rebalanceSimpleLists(int                              numLists,
3914                                  nbnxn_pairlist_t * const * const srcSet,
3915                                  nbnxn_pairlist_t               **destSet,
3916                                  nbnxn_search_work_t             *searchWork)
3917 {
3918     int ncjTotal = 0;
3919     for (int s = 0; s < numLists; s++)
3920     {
3921         ncjTotal += srcSet[s]->ncjInUse;
3922     }
3923     int ncjTarget = (ncjTotal + numLists - 1)/numLists;
3924
3925 #pragma omp parallel num_threads(numLists)
3926     {
3927         int t       = gmx_omp_get_thread_num();
3928
3929         int cjStart = ncjTarget* t;
3930         int cjEnd   = ncjTarget*(t + 1);
3931
3932         /* The destination pair-list for task/thread t */
3933         nbnxn_pairlist_t *dest = destSet[t];
3934
3935         clear_pairlist(dest);
3936         dest->bSimple = srcSet[0]->bSimple;
3937         dest->na_ci   = srcSet[0]->na_ci;
3938         dest->na_cj   = srcSet[0]->na_cj;
3939
3940         /* Note that the flags in the work struct (still) contain flags
3941          * for all entries that are present in srcSet->nbl[t].
3942          */
3943         gmx_bitmask_t *flag       = searchWork[t].buffer_flags.flag;
3944
3945         int            iFlagShift = getBufferFlagShift(dest->na_ci);
3946         int            jFlagShift = getBufferFlagShift(dest->na_cj);
3947
3948         int            cjGlobal   = 0;
3949         for (int s = 0; s < numLists && cjGlobal < cjEnd; s++)
3950         {
3951             const nbnxn_pairlist_t *src = srcSet[s];
3952
3953             if (cjGlobal + src->ncjInUse > cjStart)
3954             {
3955                 for (int i = 0; i < src->nci && cjGlobal < cjEnd; i++)
3956                 {
3957                     const nbnxn_ci_t *srcCi = &src->ci[i];
3958                     int               ncj   = srcCi->cj_ind_end - srcCi->cj_ind_start;
3959                     if (cjGlobal >= cjStart)
3960                     {
3961                         /* If the source list is not our own, we need to set
3962                          * extra flags (the template bool parameter).
3963                          */
3964                         if (s != t)
3965                         {
3966                             copySelectedListRange
3967                             <true>
3968                                 (srcCi, src, dest,
3969                                 flag, iFlagShift, jFlagShift, t);
3970                         }
3971                         else
3972                         {
3973                             copySelectedListRange
3974                             <false>
3975                                 (srcCi, src,
3976                                 dest, flag, iFlagShift, jFlagShift, t);
3977                         }
3978                     }
3979                     cjGlobal += ncj;
3980                 }
3981             }
3982             else
3983             {
3984                 cjGlobal += src->ncjInUse;
3985             }
3986         }
3987
3988         dest->ncjInUse = dest->ncj;
3989     }
3990
3991 #ifndef NDEBUG
3992     int ncjTotalNew = 0;
3993     for (int s = 0; s < numLists; s++)
3994     {
3995         ncjTotalNew += destSet[s]->ncjInUse;
3996     }
3997     GMX_RELEASE_ASSERT(ncjTotalNew == ncjTotal, "The total size of the lists before and after rebalancing should match");
3998 #endif
3999 }
4000
4001 /* Returns if the pairlists are so imbalanced that it is worth rebalancing. */
4002 static bool checkRebalanceSimpleLists(const nbnxn_pairlist_set_t *listSet)
4003 {
4004     int numLists = listSet->nnbl;
4005     int ncjMax   = 0;
4006     int ncjTotal = 0;
4007     for (int s = 0; s < numLists; s++)
4008     {
4009         ncjMax    = std::max(ncjMax, listSet->nbl[s]->ncjInUse);
4010         ncjTotal += listSet->nbl[s]->ncjInUse;
4011     }
4012     if (debug)
4013     {
4014         fprintf(debug, "Pair-list ncjMax %d ncjTotal %d\n", ncjMax, ncjTotal);
4015     }
4016     /* The rebalancing adds 3% extra time to the search. Heuristically we
4017      * determined that under common conditions the non-bonded kernel balance
4018      * improvement will outweigh this when the imbalance is more than 3%.
4019      * But this will, obviously, depend on search vs kernel time and nstlist.
4020      */
4021     const real rebalanceTolerance = 1.03;
4022
4023     return numLists*ncjMax > ncjTotal*rebalanceTolerance;
4024 }
4025
4026 /* Perform a count (linear) sort to sort the smaller lists to the end.
4027  * This avoids load imbalance on the GPU, as large lists will be
4028  * scheduled and executed first and the smaller lists later.
4029  * Load balancing between multi-processors only happens at the end
4030  * and there smaller lists lead to more effective load balancing.
4031  * The sorting is done on the cj4 count, not on the actual pair counts.
4032  * Not only does this make the sort faster, but it also results in
4033  * better load balancing than using a list sorted on exact load.
4034  * This function swaps the pointer in the pair list to avoid a copy operation.
4035  */
4036 static void sort_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4037 {
4038     nbnxn_list_work_t *work;
4039     int                m, s0, s1;
4040     nbnxn_sci_t       *sci_sort;
4041
4042     if (nbl->ncj4 <= nbl->nsci)
4043     {
4044         /* nsci = 0 or all sci have size 1, sorting won't change the order */
4045         return;
4046     }
4047
4048     work = nbl->work;
4049
4050     /* We will distinguish differences up to double the average */
4051     m = (2*nbl->ncj4)/nbl->nsci;
4052
4053     if (m + 1 > work->sort_nalloc)
4054     {
4055         work->sort_nalloc = over_alloc_large(m + 1);
4056         srenew(work->sort, work->sort_nalloc);
4057     }
4058
4059     if (work->sci_sort_nalloc != nbl->sci_nalloc)
4060     {
4061         work->sci_sort_nalloc = nbl->sci_nalloc;
4062         nbnxn_realloc_void((void **)&work->sci_sort,
4063                            0,
4064                            work->sci_sort_nalloc*sizeof(*work->sci_sort),
4065                            nbl->alloc, nbl->free);
4066     }
4067
4068     /* Count the entries of each size */
4069     for (int i = 0; i <= m; i++)
4070     {
4071         work->sort[i] = 0;
4072     }
4073     for (int s = 0; s < nbl->nsci; s++)
4074     {
4075         int i = std::min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
4076         work->sort[i]++;
4077     }
4078     /* Calculate the offset for each count */
4079     s0            = work->sort[m];
4080     work->sort[m] = 0;
4081     for (int i = m - 1; i >= 0; i--)
4082     {
4083         s1            = work->sort[i];
4084         work->sort[i] = work->sort[i + 1] + s0;
4085         s0            = s1;
4086     }
4087
4088     /* Sort entries directly into place */
4089     sci_sort = work->sci_sort;
4090     for (int s = 0; s < nbl->nsci; s++)
4091     {
4092         int i = std::min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
4093         sci_sort[work->sort[i]++] = nbl->sci[s];
4094     }
4095
4096     /* Swap the sci pointers so we use the new, sorted list */
4097     work->sci_sort = nbl->sci;
4098     nbl->sci       = sci_sort;
4099 }
4100
4101 /* Make a local or non-local pair-list, depending on iloc */
4102 void nbnxn_make_pairlist(const nbnxn_search_t  nbs,
4103                          nbnxn_atomdata_t     *nbat,
4104                          const t_blocka       *excl,
4105                          real                  rlist,
4106                          int                   min_ci_balanced,
4107                          nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
4108                          int                   iloc,
4109                          int                   nb_kernel_type,
4110                          t_nrnb               *nrnb)
4111 {
4112     nbnxn_grid_t      *gridi, *gridj;
4113     gmx_bool           bGPUCPU;
4114     int                nzi, zj0, zj1;
4115     int                nsubpair_target;
4116     float              nsubpair_tot_est;
4117     int                nnbl;
4118     nbnxn_pairlist_t **nbl;
4119     int                ci_block;
4120     gmx_bool           CombineNBLists;
4121     gmx_bool           progBal;
4122     int                np_tot, np_noq, np_hlj, nap;
4123
4124     /* Check if we are running hybrid GPU + CPU nbnxn mode */
4125     bGPUCPU = (!nbs->grid[0].bSimple && nbl_list->bSimple);
4126
4127     nnbl            = nbl_list->nnbl;
4128     nbl             = nbl_list->nbl;
4129     CombineNBLists  = nbl_list->bCombined;
4130
4131     if (debug)
4132     {
4133         fprintf(debug, "ns making %d nblists\n", nnbl);
4134     }
4135
4136     nbat->bUseBufferFlags = (nbat->nout > 1);
4137     /* We should re-init the flags before making the first list */
4138     if (nbat->bUseBufferFlags && (LOCAL_I(iloc) || bGPUCPU))
4139     {
4140         init_buffer_flags(&nbat->buffer_flags, nbat->natoms);
4141     }
4142
4143     if (nbl_list->bSimple)
4144     {
4145 #if GMX_SIMD
4146         switch (nb_kernel_type)
4147         {
4148 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
4149             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
4150                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_4xn;
4151                 break;
4152 #endif
4153 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
4154             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
4155                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_2xnn;
4156                 break;
4157 #endif
4158             default:
4159                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
4160                 break;
4161         }
4162 #else   // GMX_SIMD
4163         /* MSVC 2013 complains about switch statements without case */
4164         nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
4165 #endif  // GMX_SIMD
4166     }
4167     else
4168     {
4169         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub;
4170     }
4171
4172     if (LOCAL_I(iloc))
4173     {
4174         /* Only zone (grid) 0 vs 0 */
4175         nzi = 1;
4176         zj0 = 0;
4177         zj1 = 1;
4178     }
4179     else
4180     {
4181         nzi = nbs->zones->nizone;
4182     }
4183
4184     if (!nbl_list->bSimple && min_ci_balanced > 0)
4185     {
4186         get_nsubpair_target(nbs, iloc, rlist, min_ci_balanced,
4187                             &nsubpair_target, &nsubpair_tot_est);
4188     }
4189     else
4190     {
4191         nsubpair_target  = 0;
4192         nsubpair_tot_est = 0;
4193     }
4194
4195     /* Clear all pair-lists */
4196     for (int th = 0; th < nnbl; th++)
4197     {
4198         clear_pairlist(nbl[th]);
4199
4200         if (nbs->bFEP)
4201         {
4202             clear_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[th]);
4203         }
4204     }
4205
4206     for (int zi = 0; zi < nzi; zi++)
4207     {
4208         gridi = &nbs->grid[zi];
4209
4210         if (NONLOCAL_I(iloc))
4211         {
4212             zj0 = nbs->zones->izone[zi].j0;
4213             zj1 = nbs->zones->izone[zi].j1;
4214             if (zi == 0)
4215             {
4216                 zj0++;
4217             }
4218         }
4219         for (int zj = zj0; zj < zj1; zj++)
4220         {
4221             gridj = &nbs->grid[zj];
4222
4223             if (debug)
4224             {
4225                 fprintf(debug, "ns search grid %d vs %d\n", zi, zj);
4226             }
4227
4228             nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
4229
4230             if (nbl[0]->bSimple && !gridi->bSimple)
4231             {
4232                 /* Hybrid list, determine blocking later */
4233                 ci_block = 0;
4234             }
4235             else
4236             {
4237                 ci_block = get_ci_block_size(gridi, nbs->DomDec, nnbl);
4238             }
4239
4240             /* With GPU: generate progressively smaller lists for
4241              * load balancing for local only or non-local with 2 zones.
4242              */
4243             progBal = (LOCAL_I(iloc) || nbs->zones->n <= 2);
4244
4245 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
4246             for (int th = 0; th < nnbl; th++)
4247             {
4248                 try
4249                 {
4250                     /* Re-init the thread-local work flag data before making
4251                      * the first list (not an elegant conditional).
4252                      */
4253                     if (nbat->bUseBufferFlags && ((zi == 0 && zj == 0) ||
4254                                                   (bGPUCPU && zi == 0 && zj == 1)))
4255                     {
4256                         init_buffer_flags(&nbs->work[th].buffer_flags, nbat->natoms);
4257                     }
4258
4259                     if (CombineNBLists && th > 0)
4260                     {
4261                         clear_pairlist(nbl[th]);
4262                     }
4263
4264                     /* Divide the i super cell equally over the nblists */
4265                     nbnxn_make_pairlist_part(nbs, gridi, gridj,
4266                                              &nbs->work[th], nbat, excl,
4267                                              rlist,
4268                                              nb_kernel_type,
4269                                              ci_block,
4270                                              nbat->bUseBufferFlags,
4271                                              nsubpair_target,
4272                                              progBal, nsubpair_tot_est,
4273                                              th, nnbl,
4274                                              nbl[th],
4275                                              nbl_list->nbl_fep[th]);
4276                 }
4277                 GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
4278             }
4279             nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
4280
4281             np_tot = 0;
4282             np_noq = 0;
4283             np_hlj = 0;
4284             for (int th = 0; th < nnbl; th++)
4285             {
4286                 inc_nrnb(nrnb, eNR_NBNXN_DIST2, nbs->work[th].ndistc);
4287
4288                 if (nbl_list->bSimple)
4289                 {
4290                     np_tot += nbl[th]->ncj;
4291                     np_noq += nbl[th]->work->ncj_noq;
4292                     np_hlj += nbl[th]->work->ncj_hlj;
4293                 }
4294                 else
4295                 {
4296                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
4297                     np_tot += nbl[th]->nci_tot;
4298                 }
4299             }
4300             nap                   = nbl[0]->na_ci*nbl[0]->na_cj;
4301             nbl_list->natpair_ljq = (np_tot - np_noq)*nap - np_hlj*nap/2;
4302             nbl_list->natpair_lj  = np_noq*nap;
4303             nbl_list->natpair_q   = np_hlj*nap/2;
4304
4305             if (CombineNBLists && nnbl > 1)
4306             {
4307                 nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
4308
4309                 combine_nblists(nnbl-1, nbl+1, nbl[0]);
4310
4311                 nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
4312             }
4313         }
4314     }
4315
4316     if (nbl_list->bSimple)
4317     {
4318         if (nnbl > 1 && checkRebalanceSimpleLists(nbl_list))
4319         {
4320             rebalanceSimpleLists(nbl_list->nnbl, nbl_list->nbl, nbl_list->nbl_work, nbs->work);
4321
4322             /* Swap the pointer of the sets of pair lists */
4323             nbnxn_pairlist_t **tmp = nbl_list->nbl;
4324             nbl_list->nbl          = nbl_list->nbl_work;
4325             nbl_list->nbl_work     = tmp;
4326         }
4327     }
4328     else
4329     {
4330         /* Sort the entries on size, large ones first */
4331         if (CombineNBLists || nnbl == 1)
4332         {
4333             sort_sci(nbl[0]);
4334         }
4335         else
4336         {
4337 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
4338             for (int th = 0; th < nnbl; th++)
4339             {
4340                 try
4341                 {
4342                     sort_sci(nbl[th]);
4343                 }
4344                 GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
4345             }
4346         }
4347     }
4348
4349     if (nbat->bUseBufferFlags)
4350     {
4351         reduce_buffer_flags(nbs, nbl_list->nnbl, &nbat->buffer_flags);
4352     }
4353
4354     if (nbs->bFEP)
4355     {
4356         /* Balance the free-energy lists over all the threads */
4357         balance_fep_lists(nbs, nbl_list);
4358     }
4359
4360     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
4361     if (LOCAL_I(iloc))
4362     {
4363         nbs->search_count++;
4364     }
4365     if (nbs->print_cycles &&
4366         (!nbs->DomDec || !LOCAL_I(iloc)) &&
4367         nbs->search_count % 100 == 0)
4368     {
4369         nbs_cycle_print(stderr, nbs);
4370     }
4371
4372     /* If we have more than one list, they either got rebalancing (CPU)
4373      * or combined (GPU), so we should dump the final result to debug.
4374      */
4375     if (debug && nbl_list->nnbl > 1)
4376     {
4377         if (nbl_list->bSimple)
4378         {
4379             for (int t = 0; t < nbl_list->nnbl; t++)
4380             {
4381                 print_nblist_statistics_simple(debug, nbl_list->nbl[t], nbs, rlist);
4382             }
4383         }
4384         else
4385         {
4386             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl_list->nbl[0], nbs, rlist);
4387         }
4388     }
4389
4390     if (debug)
4391     {
4392         if (gmx_debug_at)
4393         {
4394             if (nbl_list->bSimple)
4395             {
4396                 for (int t = 0; t < nbl_list->nnbl; t++)
4397                 {
4398                     print_nblist_ci_cj(debug, nbl_list->nbl[t]);
4399                 }
4400             }
4401             else
4402             {
4403                 print_nblist_sci_cj(debug, nbl_list->nbl[0]);
4404             }
4405         }
4406
4407         if (nbat->bUseBufferFlags)
4408         {
4409             print_reduction_cost(&nbat->buffer_flags, nbl_list->nnbl);
4410         }
4411     }
4412 }