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 static const bool pbc_shift_backward = 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(rl2) */
 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 rl2)
 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 < rl2)
 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(rl2);
 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 ncell extra j-cells in the list */
 726 static void check_cell_list_space_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl,
 727                                          int               ncell)
 728 {
 729     int cj_max;
 730
 731     cj_max = nbl->ncj + ncell;
 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 making a pair list of cell ci vs cell cjf-cjl.
1170  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
1171  */
1172 static void make_cluster_list_simple(const nbnxn_grid_t *gridj,
1173                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
1174                                      int ci, int cjf, int cjl,
1175                                      gmx_bool remove_sub_diag,
1176                                      const real *x_j,
1177                                      real rl2, float rbb2,
1178                                      int *ndistc)
1179 {
1180     const nbnxn_bb_t        *bb_ci;
1181     const real              *x_ci;
1182
1183     gmx_bool                 InRange;
1184     real                     d2;
1185     int                      cjf_gl, cjl_gl;
1186
1187     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
1188     x_ci  = nbl->work->x_ci;
1189
1190     InRange = FALSE;
1191     while (!InRange && cjf <= cjl)
1192     {
1193         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjf, gridj->bb);
1194         *ndistc += 2;
1195
1196         /* Check if the distance is within the distance where
1197          * we use only the bounding box distance rbb,
1198          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
1199          * within the cut-off.
1200          */
1201         if (d2 < rbb2)
1202         {
1203             InRange = TRUE;
1204         }
1205         else if (d2 < rl2)
1206         {
1207             cjf_gl = gridj->cell0 + cjf;
1208             for (int i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
1209             {
1210                 for (int j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
1211                 {
1212                     InRange = InRange ||
1213                         (gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
1214                          gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
1215                          gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
1216                 }
1217             }
1218             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1219         }
1220         if (!InRange)
1221         {
1222             cjf++;
1223         }
1224     }
1225     if (!InRange)
1226     {
1227         return;
1228     }
1229
1230     InRange = FALSE;
1231     while (!InRange && cjl > cjf)
1232     {
1233         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjl, gridj->bb);
1234         *ndistc += 2;
1235
1236         /* Check if the distance is within the distance where
1237          * we use only the bounding box distance rbb,
1238          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
1239          * within the cut-off.
1240          */
1241         if (d2 < rbb2)
1242         {
1243             InRange = TRUE;
1244         }
1245         else if (d2 < rl2)
1246         {
1247             cjl_gl = gridj->cell0 + cjl;
1248             for (int i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
1249             {
1250                 for (int j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
1251                 {
1252                     InRange = InRange ||
1253                         (gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
1254                          gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
1255                          gmx::square(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
1256                 }
1257             }
1258             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1259         }
1260         if (!InRange)
1261         {
1262             cjl--;
1263         }
1264     }
1265
1266     if (cjf <= cjl)
1267     {
1268         for (int cj = cjf; cj <= cjl; cj++)
1269         {
1270             /* Store cj and the interaction mask */
1271             nbl->cj[nbl->ncj].cj   = gridj->cell0 + cj;
1272             nbl->cj[nbl->ncj].excl = get_imask(remove_sub_diag, ci, cj);
1273             nbl->ncj++;
1274         }
1275         /* Increase the closing index in i super-cell list */
1276         nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end = nbl->ncj;
1277     }
1278 }
1279
1280 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1281 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search_simd_4xn.h"
1282 #endif
1283 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1284 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search_simd_2xnn.h"
1285 #endif
1286
1287 /* Plain C or SIMD4 code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
1288  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
1289  */
1290 static void make_cluster_list_supersub(const nbnxn_grid_t *gridi,
1291                                        const nbnxn_grid_t *gridj,
1292                                        nbnxn_pairlist_t *nbl,
1293                                        int sci, int scj,
1294                                        gmx_bool sci_equals_scj,
1295                                        int stride, const real *x,
1296                                        real rl2, float rbb2,
1297                                        int *ndistc)
1298 {
1299     nbnxn_list_work_t *work   = nbl->work;
1300
1301 #if NBNXN_BBXXXX
1302     const float       *pbb_ci = work->pbb_ci;
1303 #else
1304     const nbnxn_bb_t  *bb_ci  = work->bb_ci;
1305 #endif
1306
1307     assert(c_nbnxnGpuClusterSize == gridi->na_c);
1308     assert(c_nbnxnGpuClusterSize == gridj->na_c);
1309
1310     /* We generate the pairlist mainly based on bounding-box distances
1311      * and do atom pair distance based pruning on the GPU.
1312      * Only if a j-group contains a single cluster-pair, we try to prune
1313      * that pair based on atom distances on the CPU to avoid empty j-groups.
1314      */
1315 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE 1
1316 #define PRUNE_LIST_CPU_ALL 0
1317
1318 #if PRUNE_LIST_CPU_ONE
1319     int  ci_last = -1;
1320 #endif
1321
1322     float *d2l = work->d2;
1323
1324     for (int subc = 0; subc < gridj->nsubc[scj]; subc++)
1325     {
1326         int          cj4_ind   = nbl->work->cj_ind/c_nbnxnGpuJgroupSize;
1327         int          cj_offset = nbl->work->cj_ind - cj4_ind*c_nbnxnGpuJgroupSize;
1328         nbnxn_cj4_t *cj4       = &nbl->cj4[cj4_ind];
1329
1330         int          cj        = scj*c_gpuNumClusterPerCell + subc;
1331
1332         int          cj_gl     = gridj->cell0*c_gpuNumClusterPerCell + cj;
1333
1334         /* Initialize this j-subcell i-subcell list */
1335         cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
1336
1337         int ci1;
1338         if (sci_equals_scj)
1339         {
1340             ci1 = subc + 1;
1341         }
1342         else
1343         {
1344             ci1 = gridi->nsubc[sci];
1345         }
1346
1347 #if NBNXN_BBXXXX
1348         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SIMD4 */
1349         subc_bb_dist2_simd4_xxxx(gridj->pbb+(cj>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX+(cj & (STRIDE_PBB-1)),
1350                                  ci1, pbb_ci, d2l);
1351         *ndistc += c_nbnxnGpuClusterSize*2;
1352 #endif
1353
1354         int          npair = 0;
1355         unsigned int imask = 0;
1356         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
1357         for (int ci = 0; ci < c_gpuNumClusterPerCell; ci++)
1358         {
1359             if (ci == ci1)
1360             {
1361                 break;
1362             }
1363
1364 #if !NBNXN_BBXXXX
1365             /* Determine the bb distance between ci and cj */
1366             d2l[ci]  = subc_bb_dist2(ci, bb_ci, cj, gridj->bb);
1367             *ndistc += 2;
1368 #endif
1369             float d2 = d2l[ci];
1370
1371 #if PRUNE_LIST_CPU_ALL
1372             /* Check if the distance is within the distance where
1373              * we use only the bounding box distance rbb,
1374              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
1375              * within the cut-off. This check is very costly.
1376              */
1377             *ndistc += c_nbnxnGpuClusterSize*c_nbnxnGpuClusterSize;
1378             if (d2 < rbb2 ||
1379                 (d2 < rl2 &&
1380                  clusterpair_in_range(work, ci, cj_gl, stride, x, rl2)))
1381 #else
1382             /* Check if the distance between the two bounding boxes
1383              * in within the pair-list cut-off.
1384              */
1385             if (d2 < rl2)
1386 #endif
1387             {
1388                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
1389                 imask |= (1U << (cj_offset*c_gpuNumClusterPerCell + ci));
1390
1391 #if PRUNE_LIST_CPU_ONE
1392                 ci_last = ci;
1393 #endif
1394
1395                 npair++;
1396             }
1397         }
1398
1399 #if PRUNE_LIST_CPU_ONE
1400         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
1401          * within the cut-off, so we could get rid of it.
1402          */
1403         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2 &&
1404             !clusterpair_in_range(work, ci_last, cj_gl, stride, x, rl2))
1405         {
1406             imask &= ~(1U << (cj_offset*c_gpuNumClusterPerCell + ci_last));
1407             npair--;
1408         }
1409 #endif
1410
1411         if (npair > 0)
1412         {
1413             /* We have a useful sj entry, close it now */
1414
1415             /* Set the exclusions for the ci==sj entry.
1416              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
1417              * as it will nearly always be in the list.
1418              */
1419             if (sci_equals_scj)
1420             {
1421                 set_self_and_newton_excls_supersub(nbl, cj4_ind, cj_offset, subc);
1422             }
1423
1424             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
1425             for (int w = 0; w < c_nbnxnGpuClusterpairSplit; w++)
1426             {
1427                 cj4->imei[w].imask |= imask;
1428             }
1429
1430             nbl->work->cj_ind++;
1431
1432             /* Keep the count */
1433             nbl->nci_tot += npair;
1434
1435             /* Increase the closing index in i super-cell list */
1436             nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end =
1437                 (nbl->work->cj_ind + c_nbnxnGpuJgroupSize - 1)/c_nbnxnGpuJgroupSize;
1438         }
1439     }
1440 }
1441
1442 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
1443  * as masks in the pair-list for simple list i-entry nbl_ci
1444  */
1445 static void set_ci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
1446                              nbnxn_pairlist_t    *nbl,
1447                              gmx_bool             diagRemoved,
1448                              int                  na_ci_2log,
1449                              int                  na_cj_2log,
1450                              const nbnxn_ci_t    *nbl_ci,
1451                              const t_blocka      *excl)
1452 {
1453     const int    *cell;
1454     int           ci;
1455     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
1456     int           cj_first, cj_last;
1457     int           ndirect;
1458     int           ai, aj, si, ge, se;
1459     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
1460     int           cj_m;
1461     int           inner_i, inner_e;
1462
1463     cell = nbs->cell;
1464
1465     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
1466     {
1467         /* Empty list */
1468         return;
1469     }
1470
1471     ci = nbl_ci->ci;
1472
1473     cj_ind_first = nbl_ci->cj_ind_start;
1474     cj_ind_last  = nbl->ncj - 1;
1475
1476     cj_first = nbl->cj[cj_ind_first].cj;
1477     cj_last  = nbl->cj[cj_ind_last].cj;
1478
1479     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
1480      * from the first i-cell. This number can be used to directly
1481      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
1482      */
1483     ndirect = 0;
1484     if (na_ci_2log == na_cj_2log)
1485     {
1486         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
1487                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci + ndirect)
1488         {
1489             ndirect++;
1490         }
1491     }
1492 #if NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
1493     else
1494     {
1495         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
1496                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci_to_cj(ci, na_cj_2log) + ndirect)
1497         {
1498             ndirect++;
1499         }
1500     }
1501 #endif
1502
1503     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
1504     for (int i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
1505     {
1506         ai = nbs->a[ci*nbl->na_sc+i];
1507         if (ai >= 0)
1508         {
1509             si  = (i>>na_ci_2log);
1510
1511             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
1512             for (int eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
1513             {
1514                 aj = excl->a[eind];
1515
1516                 if (aj == ai)
1517                 {
1518                     /* The self exclusion are already set, save some time */
1519                     continue;
1520                 }
1521
1522                 ge = cell[aj];
1523
1524                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
1525                  * for one-way pair-lists.
1526                  */
1527                 if (diagRemoved && ge <= ci*nbl->na_sc + i)
1528                 {
1529                     continue;
1530                 }
1531
1532                 se = (ge >> na_cj_2log);
1533
1534                 /* Could the cluster se be in our list? */
1535                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
1536                 {
1537                     if (se < cj_first + ndirect)
1538                     {
1539                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
1540                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
1541                     }
1542                     else
1543                     {
1544                         /* Search for se using bisection */
1545                         found    = -1;
1546                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
1547                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
1548                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
1549                         {
1550                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
1551
1552                             cj_m = nbl->cj[cj_ind_m].cj;
1553
1554                             if (se == cj_m)
1555                             {
1556                                 found = cj_ind_m;
1557                             }
1558                             else if (se < cj_m)
1559                             {
1560                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
1561                             }
1562                             else
1563                             {
1564                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
1565                             }
1566                         }
1567                     }
1568
1569                     if (found >= 0)
1570                     {
1571                         inner_i = i  - (si << na_ci_2log);
1572                         inner_e = ge - (se << na_cj_2log);
1573
1574                         nbl->cj[found].excl &= ~(1U<<((inner_i<<na_cj_2log) + inner_e));
1575                     }
1576                 }
1577             }
1578         }
1579     }
1580 }
1581
1582 /* Add a new i-entry to the FEP list and copy the i-properties */
1583 static gmx_inline void fep_list_new_nri_copy(t_nblist *nlist)
1584 {
1585     /* Add a new i-entry */
1586     nlist->nri++;
1587
1588     assert(nlist->nri < nlist->maxnri);
1589
1590     /* Duplicate the last i-entry, except for jindex, which continues */
1591     nlist->iinr[nlist->nri]   = nlist->iinr[nlist->nri-1];
1592     nlist->shift[nlist->nri]  = nlist->shift[nlist->nri-1];
1593     nlist->gid[nlist->nri]    = nlist->gid[nlist->nri-1];
1594     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
1595 }
1596
1597 /* For load balancing of the free-energy lists over threads, we set
1598  * the maximum nrj size of an i-entry to 40. This leads to good
1599  * load balancing in the worst case scenario of a single perturbed
1600  * particle on 16 threads, while not introducing significant overhead.
1601  * Note that half of the perturbed pairs will anyhow end up in very small lists,
1602  * since non perturbed i-particles will see few perturbed j-particles).
1603  */
1604 const int max_nrj_fep = 40;
1605
1606 /* Exclude the perturbed pairs from the Verlet list. This is only done to avoid
1607  * singularities for overlapping particles (0/0), since the charges and
1608  * LJ parameters have been zeroed in the nbnxn data structure.
1609  * Simultaneously make a group pair list for the perturbed pairs.
1610  */
1611 static void make_fep_list(const nbnxn_search_t    nbs,
1612                           const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1613                           nbnxn_pairlist_t       *nbl,
1614                           gmx_bool                bDiagRemoved,
1615                           nbnxn_ci_t             *nbl_ci,
1616                           const nbnxn_grid_t     *gridi,
1617                           const nbnxn_grid_t     *gridj,
1618                           t_nblist               *nlist)
1619 {
1620     int      ci, cj_ind_start, cj_ind_end, cja, cjr;
1621     int      nri_max;
1622     int      ngid, gid_i = 0, gid_j, gid;
1623     int      egp_shift, egp_mask;
1624     int      gid_cj = 0;
1625     int      ind_i, ind_j, ai, aj;
1626     int      nri;
1627     gmx_bool bFEP_i, bFEP_i_all;
1628
1629     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
1630     {
1631         /* Empty list */
1632         return;
1633     }
1634
1635     ci = nbl_ci->ci;
1636
1637     cj_ind_start = nbl_ci->cj_ind_start;
1638     cj_ind_end   = nbl_ci->cj_ind_end;
1639
1640     /* In worst case we have alternating energy groups
1641      * and create #atom-pair lists, which means we need the size
1642      * of a cluster pair (na_ci*na_cj) times the number of cj's.
1643      */
1644     nri_max = nbl->na_ci*nbl->na_cj*(cj_ind_end - cj_ind_start);
1645     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
1646     {
1647         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
1648         reallocate_nblist(nlist);
1649     }
1650
1651     ngid = nbat->nenergrp;
1652
1653     if (static_cast<std::size_t>(ngid*gridj->na_cj) > sizeof(gid_cj)*8)
1654     {
1655         gmx_fatal(FARGS, "The Verlet scheme with %dx%d kernels and free-energy only supports up to %d energy groups",
1656                   gridi->na_c, gridj->na_cj, (sizeof(gid_cj)*8)/gridj->na_cj);
1657     }
1658
1659     egp_shift = nbat->neg_2log;
1660     egp_mask  = (1<<nbat->neg_2log) - 1;
1661
1662     /* Loop over the atoms in the i sub-cell */
1663     bFEP_i_all = TRUE;
1664     for (int i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
1665     {
1666         ind_i = ci*nbl->na_ci + i;
1667         ai    = nbs->a[ind_i];
1668         if (ai >= 0)
1669         {
1670             nri                  = nlist->nri;
1671             nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
1672             nlist->iinr[nri]     = ai;
1673             /* The actual energy group pair index is set later */
1674             nlist->gid[nri]      = 0;
1675             nlist->shift[nri]    = nbl_ci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
1676
1677             bFEP_i = gridi->fep[ci - gridi->cell0] & (1 << i);
1678
1679             bFEP_i_all = bFEP_i_all && bFEP_i;
1680
1681             if (nlist->nrj + (cj_ind_end - cj_ind_start)*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
1682             {
1683                 nlist->maxnrj = over_alloc_small(nlist->nrj + (cj_ind_end - cj_ind_start)*nbl->na_cj);
1684                 srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
1685                 srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
1686             }
1687
1688             if (ngid > 1)
1689             {
1690                 gid_i = (nbat->energrp[ci] >> (egp_shift*i)) & egp_mask;
1691             }
1692
1693             for (int cj_ind = cj_ind_start; cj_ind < cj_ind_end; cj_ind++)
1694             {
1695                 unsigned int fep_cj;
1696
1697                 cja = nbl->cj[cj_ind].cj;
1698
1699                 if (gridj->na_cj == gridj->na_c)
1700                 {
1701                     cjr    = cja - gridj->cell0;
1702                     fep_cj = gridj->fep[cjr];
1703                     if (ngid > 1)
1704                     {
1705                         gid_cj = nbat->energrp[cja];
1706                     }
1707                 }
1708                 else if (2*gridj->na_cj == gridj->na_c)
1709                 {
1710                     cjr    = cja - gridj->cell0*2;
1711                     /* Extract half of the ci fep/energrp mask */
1712                     fep_cj = (gridj->fep[cjr>>1] >> ((cjr&1)*gridj->na_cj)) & ((1<<gridj->na_cj) - 1);
1713                     if (ngid > 1)
1714                     {
1715                         gid_cj = nbat->energrp[cja>>1] >> ((cja&1)*gridj->na_cj*egp_shift) & ((1<<(gridj->na_cj*egp_shift)) - 1);
1716                     }
1717                 }
1718                 else
1719                 {
1720                     cjr    = cja - (gridj->cell0>>1);
1721                     /* Combine two ci fep masks/energrp */
1722                     fep_cj = gridj->fep[cjr*2] + (gridj->fep[cjr*2+1] << gridj->na_c);
1723                     if (ngid > 1)
1724                     {
1725                         gid_cj = nbat->energrp[cja*2] + (nbat->energrp[cja*2+1] << (gridj->na_c*egp_shift));
1726                     }
1727                 }
1728
1729                 if (bFEP_i || fep_cj != 0)
1730                 {
1731                     for (int j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
1732                     {
1733                         /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
1734                         ind_j = cja*nbl->na_cj + j;
1735                         aj    = nbs->a[ind_j];
1736                         if (aj >= 0 &&
1737                             (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
1738                             (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
1739                         {
1740                             if (ngid > 1)
1741                             {
1742                                 gid_j = (gid_cj >> (j*egp_shift)) & egp_mask;
1743                                 gid   = GID(gid_i, gid_j, ngid);
1744
1745                                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri] &&
1746                                     nlist->gid[nri] != gid)
1747                                 {
1748                                     /* Energy group pair changed: new list */
1749                                     fep_list_new_nri_copy(nlist);
1750                                     nri = nlist->nri;
1751                                 }
1752                                 nlist->gid[nri] = gid;
1753                             }
1754
1755                             if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
1756                             {
1757                                 fep_list_new_nri_copy(nlist);
1758                                 nri = nlist->nri;
1759                             }
1760
1761                             /* Add it to the FEP list */
1762                             nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
1763                             nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (nbl->cj[cj_ind].excl >> (i*nbl->na_cj + j)) & 1;
1764                             nlist->nrj++;
1765
1766                             /* Exclude it from the normal list.
1767                              * Note that the charge has been set to zero,
1768                              * but we need to avoid 0/0, as perturbed atoms
1769                              * can be on top of each other.
1770                              */
1771                             nbl->cj[cj_ind].excl &= ~(1U << (i*nbl->na_cj + j));
1772                         }
1773                     }
1774                 }
1775             }
1776
1777             if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
1778             {
1779                 /* Actually add this new, non-empty, list */
1780                 nlist->nri++;
1781                 nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
1782             }
1783         }
1784     }
1785
1786     if (bFEP_i_all)
1787     {
1788         /* All interactions are perturbed, we can skip this entry */
1789         nbl_ci->cj_ind_end = cj_ind_start;
1790         nbl->ncjInUse     -= cj_ind_end - cj_ind_start;
1791     }
1792 }
1793
1794 /* Return the index of atom a within a cluster */
1795 static gmx_inline int cj_mod_cj4(int cj)
1796 {
1797     return cj & (c_nbnxnGpuJgroupSize - 1);
1798 }
1799
1800 /* Convert a j-cluster to a cj4 group */
1801 static gmx_inline int cj_to_cj4(int cj)
1802 {
1803     return cj/c_nbnxnGpuJgroupSize;
1804 }
1805
1806 /* Return the index of an j-atom within a warp */
1807 static gmx_inline int a_mod_wj(int a)
1808 {
1809     return a & (c_nbnxnGpuClusterSize/c_nbnxnGpuClusterpairSplit - 1);
1810 }
1811
1812 /* As make_fep_list above, but for super/sub lists. */
1813 static void make_fep_list_supersub(const nbnxn_search_t    nbs,
1814                                    const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1815                                    nbnxn_pairlist_t       *nbl,
1816                                    gmx_bool                bDiagRemoved,
1817                                    const nbnxn_sci_t      *nbl_sci,
1818                                    real                    shx,
1819                                    real                    shy,
1820                                    real                    shz,
1821                                    real                    rlist_fep2,
1822                                    const nbnxn_grid_t     *gridi,
1823                                    const nbnxn_grid_t     *gridj,
1824                                    t_nblist               *nlist)
1825 {
1826     int                sci, cj4_ind_start, cj4_ind_end, cjr;
1827     int                nri_max;
1828     int                c_abs;
1829     int                ind_i, ind_j, ai, aj;
1830     int                nri;
1831     gmx_bool           bFEP_i;
1832     real               xi, yi, zi;
1833     const nbnxn_cj4_t *cj4;
1834
1835     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
1836     {
1837         /* Empty list */
1838         return;
1839     }
1840
1841     sci = nbl_sci->sci;
1842
1843     cj4_ind_start = nbl_sci->cj4_ind_start;
1844     cj4_ind_end   = nbl_sci->cj4_ind_end;
1845
1846     /* Here we process one super-cell, max #atoms na_sc, versus a list
1847      * cj4 entries, each with max c_nbnxnGpuJgroupSize cj's, each
1848      * of size na_cj atoms.
1849      * On the GPU we don't support energy groups (yet).
1850      * So for each of the na_sc i-atoms, we need max one FEP list
1851      * for each max_nrj_fep j-atoms.
1852      */
1853     nri_max = nbl->na_sc*nbl->na_cj*(1 + ((cj4_ind_end - cj4_ind_start)*c_nbnxnGpuJgroupSize)/max_nrj_fep);
1854     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
1855     {
1856         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
1857         reallocate_nblist(nlist);
1858     }
1859
1860     /* Loop over the atoms in the i super-cluster */
1861     for (int c = 0; c < c_gpuNumClusterPerCell; c++)
1862     {
1863         c_abs = sci*c_gpuNumClusterPerCell + c;
1864
1865         for (int i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
1866         {
1867             ind_i = c_abs*nbl->na_ci + i;
1868             ai    = nbs->a[ind_i];
1869             if (ai >= 0)
1870             {
1871                 nri                  = nlist->nri;
1872                 nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
1873                 nlist->iinr[nri]     = ai;
1874                 /* With GPUs, energy groups are not supported */
1875                 nlist->gid[nri]      = 0;
1876                 nlist->shift[nri]    = nbl_sci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
1877
1878                 bFEP_i = (gridi->fep[c_abs - gridi->cell0*c_gpuNumClusterPerCell] & (1 << i));
1879
1880                 xi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+XX] + shx;
1881                 yi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+YY] + shy;
1882                 zi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+ZZ] + shz;
1883
1884                 if ((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*c_nbnxnGpuJgroupSize*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
1885                 {
1886                     nlist->maxnrj = over_alloc_small((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*c_nbnxnGpuJgroupSize*nbl->na_cj);
1887                     srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
1888                     srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
1889                 }
1890
1891                 for (int cj4_ind = cj4_ind_start; cj4_ind < cj4_ind_end; cj4_ind++)
1892                 {
1893                     cj4 = &nbl->cj4[cj4_ind];
1894
1895                     for (int gcj = 0; gcj < c_nbnxnGpuJgroupSize; gcj++)
1896                     {
1897                         unsigned int fep_cj;
1898
1899                         if ((cj4->imei[0].imask & (1U << (gcj*c_gpuNumClusterPerCell + c))) == 0)
1900                         {
1901                             /* Skip this ci for this cj */
1902                             continue;
1903                         }
1904
1905                         cjr = cj4->cj[gcj] - gridj->cell0*c_gpuNumClusterPerCell;
1906
1907                         fep_cj = gridj->fep[cjr];
1908
1909                         if (bFEP_i || fep_cj != 0)
1910                         {
1911                             for (int j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
1912                             {
1913                                 /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
1914                                 ind_j = (gridj->cell0*c_gpuNumClusterPerCell + cjr)*nbl->na_cj + j;
1915                                 aj    = nbs->a[ind_j];
1916                                 if (aj >= 0 &&
1917                                     (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
1918                                     (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
1919                                 {
1920                                     nbnxn_excl_t *excl;
1921                                     int           excl_pair;
1922                                     unsigned int  excl_bit;
1923                                     real          dx, dy, dz;
1924
1925                                     get_nbl_exclusions_1(nbl, cj4_ind, j>>2, &excl);
1926
1927                                     excl_pair = a_mod_wj(j)*nbl->na_ci + i;
1928                                     excl_bit  = (1U << (gcj*c_gpuNumClusterPerCell + c));
1929
1930                                     dx = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+XX] - xi;
1931                                     dy = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+YY] - yi;
1932                                     dz = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+ZZ] - zi;
1933
1934                                     /* The unpruned GPU list has more than 2/3
1935                                      * of the atom pairs beyond rlist. Using
1936                                      * this list will cause a lot of overhead
1937                                      * in the CPU FEP kernels, especially
1938                                      * relative to the fast GPU kernels.
1939                                      * So we prune the FEP list here.
1940                                      */
1941                                     if (dx*dx + dy*dy + dz*dz < rlist_fep2)
1942                                     {
1943                                         if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
1944                                         {
1945                                             fep_list_new_nri_copy(nlist);
1946                                             nri = nlist->nri;
1947                                         }
1948
1949                                         /* Add it to the FEP list */
1950                                         nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
1951                                         nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (excl->pair[excl_pair] & excl_bit) ? 1 : 0;
1952                                         nlist->nrj++;
1953                                     }
1954
1955                                     /* Exclude it from the normal list.
1956                                      * Note that the charge and LJ parameters have
1957                                      * been set to zero, but we need to avoid 0/0,
1958                                      * as perturbed atoms can be on top of each other.
1959                                      */
1960                                     excl->pair[excl_pair] &= ~excl_bit;
1961                                 }
1962                             }
1963
1964                             /* Note that we could mask out this pair in imask
1965                              * if all i- and/or all j-particles are perturbed.
1966                              * But since the perturbed pairs on the CPU will
1967                              * take an order of magnitude more time, the GPU
1968                              * will finish before the CPU and there is no gain.
1969                              */
1970                         }
1971                     }
1972                 }
1973
1974                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
1975                 {
1976                     /* Actually add this new, non-empty, list */
1977                     nlist->nri++;
1978                     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
1979                 }
1980             }
1981         }
1982     }
1983 }
1984
1985 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
1986  * as masks in the pair-list for i-super-cell entry nbl_sci
1987  */
1988 static void set_sci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
1989                               nbnxn_pairlist_t    *nbl,
1990                               gmx_bool             diagRemoved,
1991                               int                  na_c_2log,
1992                               const nbnxn_sci_t   *nbl_sci,
1993                               const t_blocka      *excl)
1994 {
1995     const int    *cell;
1996     int           na_c;
1997     int           sci;
1998     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
1999     int           cj_first, cj_last;
2000     int           ndirect;
2001     int           ai, aj, si, ge, se;
2002     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
2003     int           cj_m;
2004     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
2005     int           inner_i, inner_e, w;
2006
2007     cell = nbs->cell;
2008
2009     na_c = nbl->na_ci;
2010
2011     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
2012     {
2013         /* Empty list */
2014         return;
2015     }
2016
2017     sci = nbl_sci->sci;
2018
2019     cj_ind_first = nbl_sci->cj4_ind_start*c_nbnxnGpuJgroupSize;
2020     cj_ind_last  = nbl->work->cj_ind - 1;
2021
2022     cj_first = nbl->cj4[nbl_sci->cj4_ind_start].cj[0];
2023     cj_last  = nbl_cj(nbl, cj_ind_last);
2024
2025     /* Determine how many contiguous j-clusters we have starting
2026      * from the first i-cluster. This number can be used to directly
2027      * calculate j-cluster indices for excluded atoms.
2028      */
2029     ndirect = 0;
2030     while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
2031            nbl_cj(nbl, cj_ind_first+ndirect) == sci*c_gpuNumClusterPerCell + ndirect)
2032     {
2033         ndirect++;
2034     }
2035
2036     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
2037     for (int i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
2038     {
2039         ai = nbs->a[sci*nbl->na_sc+i];
2040         if (ai >= 0)
2041         {
2042             si  = (i>>na_c_2log);
2043
2044             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
2045             for (int eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
2046             {
2047                 aj = excl->a[eind];
2048
2049                 if (aj == ai)
2050                 {
2051                     /* The self exclusion are already set, save some time */
2052                     continue;
2053                 }
2054
2055                 ge = cell[aj];
2056
2057                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
2058                  * for one-way pair-lists.
2059                  */
2060                 if (diagRemoved && ge <= sci*nbl->na_sc + i)
2061                 {
2062                     continue;
2063                 }
2064
2065                 se = ge>>na_c_2log;
2066                 /* Could the cluster se be in our list? */
2067                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
2068                 {
2069                     if (se < cj_first + ndirect)
2070                     {
2071                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
2072                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
2073                     }
2074                     else
2075                     {
2076                         /* Search for se using bisection */
2077                         found    = -1;
2078                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
2079                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
2080                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
2081                         {
2082                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
2083
2084                             cj_m = nbl_cj(nbl, cj_ind_m);
2085
2086                             if (se == cj_m)
2087                             {
2088                                 found = cj_ind_m;
2089                             }
2090                             else if (se < cj_m)
2091                             {
2092                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
2093                             }
2094                             else
2095                             {
2096                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
2097                             }
2098                         }
2099                     }
2100
2101                     if (found >= 0)
2102                     {
2103                         inner_i = i  - si*na_c;
2104                         inner_e = ge - se*na_c;
2105
2106                         if (nbl_imask0(nbl, found) & (1U << (cj_mod_cj4(found)*c_gpuNumClusterPerCell + si)))
2107                         {
2108                             w       = (inner_e >> 2);
2109
2110                             get_nbl_exclusions_1(nbl, cj_to_cj4(found), w, &nbl_excl);
2111
2112                             nbl_excl->pair[a_mod_wj(inner_e)*nbl->na_ci+inner_i] &=
2113                                 ~(1U << (cj_mod_cj4(found)*c_gpuNumClusterPerCell + si));
2114                         }
2115                     }
2116                 }
2117             }
2118         }
2119     }
2120 }
2121
2122 /* Reallocate the simple ci list for at least n entries */
2123 static void nb_realloc_ci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
2124 {
2125     nbl->ci_nalloc = over_alloc_small(n);
2126     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->ci,
2127                        nbl->nci*sizeof(*nbl->ci),
2128                        nbl->ci_nalloc*sizeof(*nbl->ci),
2129                        nbl->alloc, nbl->free);
2130 }
2131
2132 /* Reallocate the super-cell sci list for at least n entries */
2133 static void nb_realloc_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
2134 {
2135     nbl->sci_nalloc = over_alloc_small(n);
2136     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->sci,
2137                        nbl->nsci*sizeof(*nbl->sci),
2138                        nbl->sci_nalloc*sizeof(*nbl->sci),
2139                        nbl->alloc, nbl->free);
2140 }
2141
2142 /* Make a new ci entry at index nbl->nci */
2143 static void new_ci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int ci, int shift, int flags)
2144 {
2145     if (nbl->nci + 1 > nbl->ci_nalloc)
2146     {
2147         nb_realloc_ci(nbl, nbl->nci+1);
2148     }
2149     nbl->ci[nbl->nci].ci            = ci;
2150     nbl->ci[nbl->nci].shift         = shift;
2151     /* Store the interaction flags along with the shift */
2152     nbl->ci[nbl->nci].shift        |= flags;
2153     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start  = nbl->ncj;
2154     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end    = nbl->ncj;
2155 }
2156
2157 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
2158 static void new_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int sci, int shift)
2159 {
2160     if (nbl->nsci + 1 > nbl->sci_nalloc)
2161     {
2162         nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
2163     }
2164     nbl->sci[nbl->nsci].sci           = sci;
2165     nbl->sci[nbl->nsci].shift         = shift;
2166     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start = nbl->ncj4;
2167     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end   = nbl->ncj4;
2168 }
2169
2170 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
2171  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
2172  */
2173 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t *cj, int ncj,
2174                          nbnxn_list_work_t *work)
2175 {
2176     int jnew;
2177
2178     if (ncj > work->cj_nalloc)
2179     {
2180         work->cj_nalloc = over_alloc_large(ncj);
2181         srenew(work->cj, work->cj_nalloc);
2182     }
2183
2184     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
2185     jnew = 0;
2186     for (int j = 0; j < ncj; j++)
2187     {
2188         if (cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2189         {
2190             work->cj[jnew++] = cj[j];
2191         }
2192     }
2193     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
2194     if (!((jnew == 0) ||
2195           (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)))
2196     {
2197         for (int j = 0; j < ncj; j++)
2198         {
2199             if (cj[j].excl == NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2200             {
2201                 work->cj[jnew++] = cj[j];
2202             }
2203         }
2204         for (int j = 0; j < ncj; j++)
2205         {
2206             cj[j] = work->cj[j];
2207         }
2208     }
2209 }
2210
2211 /* Close this simple list i entry */
2212 static void close_ci_entry_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl)
2213 {
2214     int jlen;
2215
2216     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
2217      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
2218      */
2219     jlen = nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end - nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start;
2220     if (jlen > 0)
2221     {
2222         sort_cj_excl(nbl->cj+nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start, jlen, nbl->work);
2223
2224         /* The counts below are used for non-bonded pair/flop counts
2225          * and should therefore match the available kernel setups.
2226          */
2227         if (!(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
2228         {
2229             nbl->work->ncj_noq += jlen;
2230         }
2231         else if ((nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0)) ||
2232                  !(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_LJ(0)))
2233         {
2234             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
2235         }
2236
2237         nbl->nci++;
2238     }
2239 }
2240
2241 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
2242  * Splitting ensures we have enough lists to fully utilize the whole GPU.
2243  * With progBal we generate progressively smaller lists, which improves
2244  * load balancing. As we only know the current count on our own thread,
2245  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
2246  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
2247  * both on nthread and our own thread index.
2248  */
2249 static void split_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2250                             int nsp_target_av,
2251                             gmx_bool progBal, float nsp_tot_est,
2252                             int thread, int nthread)
2253 {
2254     int nsp_max;
2255     int cj4_start, cj4_end, j4len;
2256     int sci;
2257     int nsp, nsp_sci, nsp_cj4, nsp_cj4_e, nsp_cj4_p;
2258
2259     if (progBal)
2260     {
2261         float nsp_est;
2262
2263         /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
2264          * over all threads using the target number of ci's.
2265          */
2266         nsp_est = (nsp_tot_est*thread)/nthread + nbl->nci_tot;
2267
2268         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
2269          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
2270          * The factor 3/2 makes the first block 3/2 times the target average
2271          * and ensures that the total number of blocks end up equal to
2272          * that of equally sized blocks of size nsp_target_av.
2273          */
2274         nsp_max = static_cast<int>(nsp_target_av*(nsp_tot_est*1.5/(nsp_est + nsp_tot_est)));
2275     }
2276     else
2277     {
2278         nsp_max = nsp_target_av;
2279     }
2280
2281     cj4_start = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_start;
2282     cj4_end   = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_end;
2283     j4len     = cj4_end - cj4_start;
2284
2285     if (j4len > 1 && j4len*c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuJgroupSize > nsp_max)
2286     {
2287         /* Remove the last ci entry and process the cj4's again */
2288         nbl->nsci -= 1;
2289
2290         sci        = nbl->nsci;
2291         nsp        = 0;
2292         nsp_sci    = 0;
2293         nsp_cj4_e  = 0;
2294         nsp_cj4    = 0;
2295         for (int cj4 = cj4_start; cj4 < cj4_end; cj4++)
2296         {
2297             nsp_cj4_p = nsp_cj4;
2298             /* Count the number of cluster pairs in this cj4 group */
2299             nsp_cj4   = 0;
2300             for (int p = 0; p < c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuJgroupSize; p++)
2301             {
2302                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
2303             }
2304
2305             /* If adding the current cj4 with nsp_cj4 pairs get us further
2306              * away from our target nsp_max, split the list before this cj4.
2307              */
2308             if (nsp > 0 && nsp_max - nsp < nsp + nsp_cj4 - nsp_max)
2309             {
2310                 /* Split the list at cj4 */
2311                 nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4;
2312                 /* Create a new sci entry */
2313                 sci++;
2314                 nbl->nsci++;
2315                 if (nbl->nsci+1 > nbl->sci_nalloc)
2316                 {
2317                     nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
2318                 }
2319                 nbl->sci[sci].sci           = nbl->sci[nbl->nsci-1].sci;
2320                 nbl->sci[sci].shift         = nbl->sci[nbl->nsci-1].shift;
2321                 nbl->sci[sci].cj4_ind_start = cj4;
2322                 nsp_sci                     = nsp;
2323                 nsp_cj4_e                   = nsp_cj4_p;
2324                 nsp                         = 0;
2325             }
2326             nsp += nsp_cj4;
2327         }
2328
2329         /* Put the remaining cj4's in the last sci entry */
2330         nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4_end;
2331
2332         /* Possibly balance out the last two sci's
2333          * by moving the last cj4 of the second last sci.
2334          */
2335         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
2336         {
2337             nbl->sci[sci-1].cj4_ind_end--;
2338             nbl->sci[sci].cj4_ind_start--;
2339         }
2340
2341         nbl->nsci++;
2342     }
2343 }
2344
2345 /* Clost this super/sub list i entry */
2346 static void close_ci_entry_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2347                                     int nsp_max_av,
2348                                     gmx_bool progBal, float nsp_tot_est,
2349                                     int thread, int nthread)
2350 {
2351     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
2352      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
2353      */
2354     int j4len = nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end - nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start;
2355     if (j4len > 0)
2356     {
2357         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
2358          * so round the count up before closing.
2359          */
2360         nbl->ncj4         = (nbl->work->cj_ind + c_nbnxnGpuJgroupSize - 1)/c_nbnxnGpuJgroupSize;
2361         nbl->work->cj_ind = nbl->ncj4*c_nbnxnGpuJgroupSize;
2362
2363         nbl->nsci++;
2364
2365         if (nsp_max_av > 0)
2366         {
2367             /* Measure the size of the new entry and potentially split it */
2368             split_sci_entry(nbl, nsp_max_av, progBal, nsp_tot_est,
2369                             thread, nthread);
2370         }
2371     }
2372 }
2373
2374 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the list */
2375 static void sync_work(nbnxn_pairlist_t *nbl)
2376 {
2377     if (!nbl->bSimple)
2378     {
2379         nbl->work->cj_ind   = nbl->ncj4*c_nbnxnGpuJgroupSize;
2380         nbl->work->cj4_init = nbl->ncj4;
2381     }
2382 }
2383
2384 /* Clears an nbnxn_pairlist_t data structure */
2385 static void clear_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl)
2386 {
2387     nbl->nci           = 0;
2388     nbl->nsci          = 0;
2389     nbl->ncj           = 0;
2390     nbl->ncjInUse      = 0;
2391     nbl->ncj4          = 0;
2392     nbl->nci_tot       = 0;
2393     nbl->nexcl         = 1;
2394
2395     nbl->work->ncj_noq = 0;
2396     nbl->work->ncj_hlj = 0;
2397 }
2398
2399 /* Clears a group scheme pair list */
2400 static void clear_pairlist_fep(t_nblist *nl)
2401 {
2402     nl->nri = 0;
2403     nl->nrj = 0;
2404     if (nl->jindex == nullptr)
2405     {
2406         snew(nl->jindex, 1);
2407     }
2408     nl->jindex[0] = 0;
2409 }
2410
2411 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
2412 static gmx_inline void set_icell_bb_simple(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
2413                                            real shx, real shy, real shz,
2414                                            nbnxn_bb_t *bb_ci)
2415 {
2416     bb_ci->lower[BB_X] = bb[ci].lower[BB_X] + shx;
2417     bb_ci->lower[BB_Y] = bb[ci].lower[BB_Y] + shy;
2418     bb_ci->lower[BB_Z] = bb[ci].lower[BB_Z] + shz;
2419     bb_ci->upper[BB_X] = bb[ci].upper[BB_X] + shx;
2420     bb_ci->upper[BB_Y] = bb[ci].upper[BB_Y] + shy;
2421     bb_ci->upper[BB_Z] = bb[ci].upper[BB_Z] + shz;
2422 }
2423
2424 #if NBNXN_BBXXXX
2425 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
2426 static void set_icell_bbxxxx_supersub(const float *bb, int ci,
2427                                       real shx, real shy, real shz,
2428                                       float *bb_ci)
2429 {
2430     int ia = ci*(c_gpuNumClusterPerCell >> STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX;
2431     for (int m = 0; m < (c_gpuNumClusterPerCell >> STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX; m += NNBSBB_XXXX)
2432     {
2433         for (int i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
2434         {
2435             bb_ci[m+0*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+0*STRIDE_PBB+i] + shx;
2436             bb_ci[m+1*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+1*STRIDE_PBB+i] + shy;
2437             bb_ci[m+2*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+2*STRIDE_PBB+i] + shz;
2438             bb_ci[m+3*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+3*STRIDE_PBB+i] + shx;
2439             bb_ci[m+4*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+4*STRIDE_PBB+i] + shy;
2440             bb_ci[m+5*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+5*STRIDE_PBB+i] + shz;
2441         }
2442     }
2443 }
2444 #endif
2445
2446 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
2447 static void set_icell_bb_supersub(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
2448                                   real shx, real shy, real shz,
2449                                   nbnxn_bb_t *bb_ci)
2450 {
2451     for (int i = 0; i < c_gpuNumClusterPerCell; i++)
2452     {
2453         set_icell_bb_simple(bb, ci*c_gpuNumClusterPerCell+i,
2454                             shx, shy, shz,
2455                             &bb_ci[i]);
2456     }
2457 }
2458
2459 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
2460 static void icell_set_x_simple(int ci,
2461                                real shx, real shy, real shz,
2462                                int stride, const real *x,
2463                                nbnxn_list_work_t *work)
2464 {
2465     int ia = ci*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2466
2467     for (int i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; i++)
2468     {
2469         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] = x[(ia+i)*stride+XX] + shx;
2470         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] = x[(ia+i)*stride+YY] + shy;
2471         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] = x[(ia+i)*stride+ZZ] + shz;
2472     }
2473 }
2474
2475 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
2476 static void icell_set_x_supersub(int ci,
2477                                  real shx, real shy, real shz,
2478                                  int stride, const real *x,
2479                                  nbnxn_list_work_t *work)
2480 {
2481 #if !GMX_SIMD4_HAVE_REAL
2482
2483     real * x_ci = work->x_ci;
2484
2485     int    ia = ci*c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuClusterSize;
2486     for (int i = 0; i < c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuClusterSize; i++)
2487     {
2488         x_ci[i*DIM + XX] = x[(ia+i)*stride + XX] + shx;
2489         x_ci[i*DIM + YY] = x[(ia+i)*stride + YY] + shy;
2490         x_ci[i*DIM + ZZ] = x[(ia+i)*stride + ZZ] + shz;
2491     }
2492
2493 #else /* !GMX_SIMD4_HAVE_REAL */
2494
2495     real * x_ci = work->x_ci_simd;
2496
2497     for (int si = 0; si < c_gpuNumClusterPerCell; si++)
2498     {
2499         for (int i = 0; i < c_nbnxnGpuClusterSize; i += GMX_SIMD4_WIDTH)
2500         {
2501             int io = si*c_nbnxnGpuClusterSize + i;
2502             int ia = ci*c_gpuNumClusterPerCell*c_nbnxnGpuClusterSize + io;
2503             for (int j = 0; j < GMX_SIMD4_WIDTH; j++)
2504             {
2505                 x_ci[io*DIM + j + XX*GMX_SIMD4_WIDTH] = x[(ia + j)*stride + XX] + shx;
2506                 x_ci[io*DIM + j + YY*GMX_SIMD4_WIDTH] = x[(ia + j)*stride + YY] + shy;
2507                 x_ci[io*DIM + j + ZZ*GMX_SIMD4_WIDTH] = x[(ia + j)*stride + ZZ] + shz;
2508             }
2509         }
2510     }
2511
2512 #endif /* !GMX_SIMD4_HAVE_REAL */
2513 }
2514
2515 static real minimum_subgrid_size_xy(const nbnxn_grid_t *grid)
2516 {
2517     if (grid->bSimple)
2518     {
2519         return std::min(grid->sx, grid->sy);
2520     }
2521     else
2522     {
2523         return std::min(grid->sx/c_gpuNumClusterPerCellX,
2524                         grid->sy/c_gpuNumClusterPerCellY);
2525     }
2526 }
2527
2528 static real effective_buffer_1x1_vs_MxN(const nbnxn_grid_t *gridi,
2529                                         const nbnxn_grid_t *gridj)
2530 {
2531     const real eff_1x1_buffer_fac_overest = 0.1;
2532
2533     /* Determine an atom-pair list cut-off buffer size for atom pairs,
2534      * to be added to rlist (including buffer) used for MxN.
2535      * This is for converting an MxN list to a 1x1 list. This means we can't
2536      * use the normal buffer estimate, as we have an MxN list in which
2537      * some atom pairs beyond rlist are missing. We want to capture
2538      * the beneficial effect of buffering by extra pairs just outside rlist,
2539      * while removing the useless pairs that are further away from rlist.
2540      * (Also the buffer could have been set manually not using the estimate.)
2541      * This buffer size is an overestimate.
2542      * We add 10% of the smallest grid sub-cell dimensions.
2543      * Note that the z-size differs per cell and we don't use this,
2544      * so we overestimate.
2545      * With PME, the 10% value gives a buffer that is somewhat larger
2546      * than the effective buffer with a tolerance of 0.005 kJ/mol/ps.
2547      * Smaller tolerances or using RF lead to a smaller effective buffer,
2548      * so 10% gives a safe overestimate.
2549      */
2550     return eff_1x1_buffer_fac_overest*(minimum_subgrid_size_xy(gridi) +
2551                                        minimum_subgrid_size_xy(gridj));
2552 }
2553
2554 /* Clusters at the cut-off only increase rlist by 60% of their size */
2555 static real nbnxn_rlist_inc_outside_fac = 0.6;
2556
2557 /* Due to the cluster size the effective pair-list is longer than
2558  * that of a simple atom pair-list. This function gives the extra distance.
2559  */
2560 real nbnxn_get_rlist_effective_inc(int cluster_size_j, real atom_density)
2561 {
2562     int  cluster_size_i;
2563     real vol_inc_i, vol_inc_j;
2564
2565     /* We should get this from the setup, but currently it's the same for
2566      * all setups, including GPUs.
2567      */
2568     cluster_size_i = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2569
2570     vol_inc_i = (cluster_size_i - 1)/atom_density;
2571     vol_inc_j = (cluster_size_j - 1)/atom_density;
2572
2573     return nbnxn_rlist_inc_outside_fac*std::cbrt(vol_inc_i + vol_inc_j);
2574 }
2575
2576 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
2577 static real nonlocal_vol2(const struct gmx_domdec_zones_t *zones, rvec ls, real r)
2578 {
2579     real cl, ca, za;
2580     real vold_est;
2581     real vol2_est_tot;
2582
2583     vol2_est_tot = 0;
2584
2585     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
2586      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
2587      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
2588      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
2589      * as small parts as possible.
2590      */
2591
2592     for (int z = 0; z < zones->n; z++)
2593     {
2594         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
2595         {
2596             cl = 0;
2597             ca = 1;
2598             za = 1;
2599             for (int d = 0; d < DIM; d++)
2600             {
2601                 if (zones->shift[z][d] == 0)
2602                 {
2603                     cl += 0.5*ls[d];
2604                     ca *= ls[d];
2605                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
2606                 }
2607             }
2608
2609             /* 4 octants of a sphere */
2610             vold_est  = 0.25*M_PI*r*r*r*r;
2611             /* 4 quarter pie slices on the edges */
2612             vold_est += 4*cl*M_PI/6.0*r*r*r;
2613             /* One rectangular volume on a face */
2614             vold_est += ca*0.5*r*r;
2615
2616             vol2_est_tot += vold_est*za;
2617         }
2618     }
2619
2620     return vol2_est_tot;
2621 }
2622
2623 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
2624 static void get_nsubpair_target(const nbnxn_search_t  nbs,
2625                                 int                   iloc,
2626                                 real                  rlist,
2627                                 int                   min_ci_balanced,
2628                                 int                  *nsubpair_target,
2629                                 float                *nsubpair_tot_est)
2630 {
2631     /* The target value of 36 seems to be the optimum for Kepler.
2632      * Maxwell is less sensitive to the exact value.
2633      */
2634     const int           nsubpair_target_min = 36;
2635     const nbnxn_grid_t *grid;
2636     rvec                ls;
2637     real                r_eff_sup, vol_est, nsp_est, nsp_est_nl;
2638
2639     grid = &nbs->grid[0];
2640
2641     /* We don't need to balance list sizes if:
2642      * - We didn't request balancing.
2643      * - The number of grid cells >= the number of lists requested,
2644      *   since we will always generate at least #cells lists.
2645      * - We don't have any cells, since then there won't be any lists.
2646      */
2647     if (min_ci_balanced <= 0 || grid->nc >= min_ci_balanced || grid->nc == 0)
2648     {
2649         /* nsubpair_target==0 signals no balancing */
2650         *nsubpair_target  = 0;
2651         *nsubpair_tot_est = 0;
2652
2653         return;
2654     }
2655
2656     ls[XX] = (grid->c1[XX] - grid->c0[XX])/(grid->ncx*c_gpuNumClusterPerCellX);
2657     ls[YY] = (grid->c1[YY] - grid->c0[YY])/(grid->ncy*c_gpuNumClusterPerCellY);
2658     ls[ZZ] = grid->na_c/(grid->atom_density*ls[XX]*ls[YY]);
2659
2660     /* The average length of the diagonal of a sub cell */
2661     real diagonal = std::sqrt(ls[XX]*ls[XX] + ls[YY]*ls[YY] + ls[ZZ]*ls[ZZ]);
2662
2663     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
2664     r_eff_sup = rlist + nbnxn_rlist_inc_outside_fac*gmx::square((grid->na_c - 1.0)/grid->na_c)*0.5*diagonal;
2665
2666     if (!nbs->DomDec || nbs->zones->n == 1)
2667     {
2668         nsp_est_nl = 0;
2669     }
2670     else
2671     {
2672         nsp_est_nl =
2673             gmx::square(grid->atom_density/grid->na_c)*
2674             nonlocal_vol2(nbs->zones, ls, r_eff_sup);
2675     }
2676
2677     if (LOCAL_I(iloc))
2678     {
2679         /* Sub-cell interacts with itself */
2680         vol_est  = ls[XX]*ls[YY]*ls[ZZ];
2681         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
2682         vol_est += (ls[XX]*ls[YY] + ls[XX]*ls[ZZ] + ls[YY]*ls[ZZ])*r_eff_sup;
2683         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
2684         vol_est += 2*(ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ])*0.25*M_PI*gmx::square(r_eff_sup);
2685         /* 4 octants of a sphere */
2686         vol_est += 0.5*4.0/3.0*M_PI*gmx::power3(r_eff_sup);
2687
2688         /* Estimate the number of cluster pairs as the local number of
2689          * clusters times the volume they interact with times the density.
2690          */
2691         nsp_est = grid->nsubc_tot*vol_est*grid->atom_density/grid->na_c;
2692
2693         /* Subtract the non-local pair count */
2694         nsp_est -= nsp_est_nl;
2695
2696         /* For small cut-offs nsp_est will be an underesimate.
2697          * With DD nsp_est_nl is an overestimate so nsp_est can get negative.
2698          * So to avoid too small or negative nsp_est we set a minimum of
2699          * all cells interacting with all 3^3 direct neighbors (3^3-1)/2+1=14.
2700          * This might be a slight overestimate for small non-periodic groups of
2701          * atoms as will occur for a local domain with DD, but for small
2702          * groups of atoms we'll anyhow be limited by nsubpair_target_min,
2703          * so this overestimation will not matter.
2704          */
2705         nsp_est = std::max(nsp_est, grid->nsubc_tot*static_cast<real>(14));
2706
2707         if (debug)
2708         {
2709             fprintf(debug, "nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n",
2710                     nsp_est, nsp_est_nl);
2711         }
2712     }
2713     else
2714     {
2715         nsp_est = nsp_est_nl;
2716     }
2717
2718     /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows.
2719      * Since there is overhead, we shouldn't make the lists too small
2720      * (and we can't chop up j-groups) so we use a minimum target size of 36.
2721      */
2722     *nsubpair_target  = std::max(nsubpair_target_min,
2723                                  static_cast<int>(nsp_est/min_ci_balanced + 0.5));
2724     *nsubpair_tot_est = static_cast<int>(nsp_est);
2725
2726     if (debug)
2727     {
2728         fprintf(debug, "nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_target %d\n",
2729                 nsp_est, *nsubpair_target);
2730     }
2731 }
2732
2733 /* Debug list print function */
2734 static void print_nblist_ci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
2735 {
2736     for (int i = 0; i < nbl->nci; i++)
2737     {
2738         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n",
2739                 nbl->ci[i].ci, nbl->ci[i].shift,
2740                 nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start);
2741
2742         for (int j = nbl->ci[i].cj_ind_start; j < nbl->ci[i].cj_ind_end; j++)
2743         {
2744             fprintf(fp, "  cj %5d  imask %x\n",
2745                     nbl->cj[j].cj,
2746                     nbl->cj[j].excl);
2747         }
2748     }
2749 }
2750
2751 /* Debug list print function */
2752 static void print_nblist_sci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
2753 {
2754     for (int i = 0; i < nbl->nsci; i++)
2755     {
2756         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n",
2757                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
2758                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start);
2759
2760         int ncp = 0;
2761         for (int j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
2762         {
2763             for (int j = 0; j < c_nbnxnGpuJgroupSize; j++)
2764             {
2765                 fprintf(fp, "  sj %5d  imask %x\n",
2766                         nbl->cj4[j4].cj[j],
2767                         nbl->cj4[j4].imei[0].imask);
2768                 for (int si = 0; si < c_gpuNumClusterPerCell; si++)
2769                 {
2770                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*c_gpuNumClusterPerCell + si)))
2771                     {
2772                         ncp++;
2773                     }
2774                 }
2775             }
2776         }
2777         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d ncp %3d\n",
2778                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
2779                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start,
2780                 ncp);
2781     }
2782 }
2783
2784 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
2785 static void combine_nblists(int nnbl, nbnxn_pairlist_t **nbl,
2786                             nbnxn_pairlist_t *nblc)
2787 {
2788     int nsci, ncj4, nexcl;
2789
2790     if (nblc->bSimple)
2791     {
2792         gmx_incons("combine_nblists does not support simple lists");
2793     }
2794
2795     nsci  = nblc->nsci;
2796     ncj4  = nblc->ncj4;
2797     nexcl = nblc->nexcl;
2798     for (int i = 0; i < nnbl; i++)
2799     {
2800         nsci  += nbl[i]->nsci;
2801         ncj4  += nbl[i]->ncj4;
2802         nexcl += nbl[i]->nexcl;
2803     }
2804
2805     if (nsci > nblc->sci_nalloc)
2806     {
2807         nb_realloc_sci(nblc, nsci);
2808     }
2809     if (ncj4 > nblc->cj4_nalloc)
2810     {
2811         nblc->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4);
2812         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->cj4,
2813                            nblc->ncj4*sizeof(*nblc->cj4),
2814                            nblc->cj4_nalloc*sizeof(*nblc->cj4),
2815                            nblc->alloc, nblc->free);
2816     }
2817     if (nexcl > nblc->excl_nalloc)
2818     {
2819         nblc->excl_nalloc = over_alloc_small(nexcl);
2820         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->excl,
2821                            nblc->nexcl*sizeof(*nblc->excl),
2822                            nblc->excl_nalloc*sizeof(*nblc->excl),
2823                            nblc->alloc, nblc->free);
2824     }
2825
2826     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
2827      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
2828      */
2829 #if GMX_OPENMP && !(defined __clang_analyzer__)
2830     // cppcheck-suppress unreadVariable
2831     int nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
2832 #endif
2833
2834 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
2835     for (int n = 0; n < nnbl; n++)
2836     {
2837         try
2838         {
2839             int                     sci_offset;
2840             int                     cj4_offset;
2841             int                     excl_offset;
2842             const nbnxn_pairlist_t *nbli;
2843
2844             /* Determine the offset in the combined data for our thread */
2845             sci_offset  = nblc->nsci;
2846             cj4_offset  = nblc->ncj4;
2847             excl_offset = nblc->nexcl;
2848
2849             for (int i = 0; i < n; i++)
2850             {
2851                 sci_offset  += nbl[i]->nsci;
2852                 cj4_offset  += nbl[i]->ncj4;
2853                 excl_offset += nbl[i]->nexcl;
2854             }
2855
2856             nbli = nbl[n];
2857
2858             for (int i = 0; i < nbli->nsci; i++)
2859             {
2860                 nblc->sci[sci_offset+i]                = nbli->sci[i];
2861                 nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_start += cj4_offset;
2862                 nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_end   += cj4_offset;
2863             }
2864
2865             for (int j4 = 0; j4 < nbli->ncj4; j4++)
2866             {
2867                 nblc->cj4[cj4_offset+j4]                   = nbli->cj4[j4];
2868                 nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
2869                 nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
2870             }
2871
2872             for (int j4 = 0; j4 < nbli->nexcl; j4++)
2873             {
2874                 nblc->excl[excl_offset+j4] = nbli->excl[j4];
2875             }
2876         }
2877         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
2878     }
2879
2880     for (int n = 0; n < nnbl; n++)
2881     {
2882         nblc->nsci    += nbl[n]->nsci;
2883         nblc->ncj4    += nbl[n]->ncj4;
2884         nblc->nci_tot += nbl[n]->nci_tot;
2885         nblc->nexcl   += nbl[n]->nexcl;
2886     }
2887 }
2888
2889 static void balance_fep_lists(const nbnxn_search_t  nbs,
2890                               nbnxn_pairlist_set_t *nbl_lists)
2891 {
2892     int       nnbl;
2893     int       nri_tot, nrj_tot, nrj_target;
2894     int       th_dest;
2895     t_nblist *nbld;
2896
2897     nnbl = nbl_lists->nnbl;
2898
2899     if (nnbl == 1)
2900     {
2901         /* Nothing to balance */
2902         return;
2903     }
2904
2905     /* Count the total i-lists and pairs */
2906     nri_tot = 0;
2907     nrj_tot = 0;
2908     for (int th = 0; th < nnbl; th++)
2909     {
2910         nri_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nri;
2911         nrj_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj;
2912     }
2913
2914     nrj_target = (nrj_tot + nnbl - 1)/nnbl;
2915
2916     assert(gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) == nnbl);
2917
2918 #pragma omp parallel for schedule(static) num_threads(nnbl)
2919     for (int th = 0; th < nnbl; th++)
2920     {
2921         try
2922         {
2923             t_nblist *nbl;
2924
2925             nbl = nbs->work[th].nbl_fep;
2926
2927             /* Note that here we allocate for the total size, instead of
2928              * a per-thread esimate (which is hard to obtain).
2929              */
2930             if (nri_tot > nbl->maxnri)
2931             {
2932                 nbl->maxnri = over_alloc_large(nri_tot);
2933                 reallocate_nblist(nbl);
2934             }
2935             if (nri_tot > nbl->maxnri || nrj_tot > nbl->maxnrj)
2936             {
2937                 nbl->maxnrj = over_alloc_small(nrj_tot);
2938                 srenew(nbl->jjnr, nbl->maxnrj);
2939                 srenew(nbl->excl_fep, nbl->maxnrj);
2940             }
2941
2942             clear_pairlist_fep(nbl);
2943         }
2944         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
2945     }
2946
2947     /* Loop over the source lists and assign and copy i-entries */
2948     th_dest = 0;
2949     nbld    = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
2950     for (int th = 0; th < nnbl; th++)
2951     {
2952         t_nblist *nbls;
2953
2954         nbls = nbl_lists->nbl_fep[th];
2955
2956         for (int i = 0; i < nbls->nri; i++)
2957         {
2958             int nrj;
2959
2960             /* The number of pairs in this i-entry */
2961             nrj = nbls->jindex[i+1] - nbls->jindex[i];
2962
2963             /* Decide if list th_dest is too large and we should procede
2964              * to the next destination list.
2965              */
2966             if (th_dest+1 < nnbl && nbld->nrj > 0 &&
2967                 nbld->nrj + nrj - nrj_target > nrj_target - nbld->nrj)
2968             {
2969                 th_dest++;
2970                 nbld = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
2971             }
2972
2973             nbld->iinr[nbld->nri]  = nbls->iinr[i];
2974             nbld->gid[nbld->nri]   = nbls->gid[i];
2975             nbld->shift[nbld->nri] = nbls->shift[i];
2976
2977             for (int j = nbls->jindex[i]; j < nbls->jindex[i+1]; j++)
2978             {
2979                 nbld->jjnr[nbld->nrj]     = nbls->jjnr[j];
2980                 nbld->excl_fep[nbld->nrj] = nbls->excl_fep[j];
2981                 nbld->nrj++;
2982             }
2983             nbld->nri++;
2984             nbld->jindex[nbld->nri] = nbld->nrj;
2985         }
2986     }
2987
2988     /* Swap the list pointers */
2989     for (int th = 0; th < nnbl; th++)
2990     {
2991         t_nblist *nbl_tmp;
2992
2993         nbl_tmp                = nbl_lists->nbl_fep[th];
2994         nbl_lists->nbl_fep[th] = nbs->work[th].nbl_fep;
2995         nbs->work[th].nbl_fep  = nbl_tmp;
2996
2997         if (debug)
2998         {
2999             fprintf(debug, "nbl_fep[%d] nri %4d nrj %4d\n",
3000                     th,
3001                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nri,
3002                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj);
3003         }
3004     }
3005 }
3006
3007 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
3008 static gmx_bool next_ci(const nbnxn_grid_t *grid,
3009                         int conv,
3010                         int nth, int ci_block,
3011                         int *ci_x, int *ci_y,
3012                         int *ci_b, int *ci)
3013 {
3014     (*ci_b)++;
3015     (*ci)++;
3016
3017     if (*ci_b == ci_block)
3018     {
3019         /* Jump to the next block assigned to this task */
3020         *ci   += (nth - 1)*ci_block;
3021         *ci_b  = 0;
3022     }
3023
3024     if (*ci >= grid->nc*conv)
3025     {
3026         return FALSE;
3027     }
3028
3029     while (*ci >= grid->cxy_ind[*ci_x*grid->ncy + *ci_y + 1]*conv)
3030     {
3031         *ci_y += 1;
3032         if (*ci_y == grid->ncy)
3033         {
3034             *ci_x += 1;
3035             *ci_y  = 0;
3036         }
3037     }
3038
3039     return TRUE;
3040 }
3041
3042 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
3043  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
3044  */
3045 static float boundingbox_only_distance2(const nbnxn_grid_t *gridi,
3046                                         const nbnxn_grid_t *gridj,
3047                                         real                rlist,
3048                                         gmx_bool            simple)
3049 {
3050     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
3051      * than this distance, do not check the distance between
3052      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
3053      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
3054      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
3055      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
3056      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
3057      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
3058      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
3059      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
3060      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
3061      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
3062      */
3063     real bbx, bby;
3064     real rbb2;
3065
3066     bbx = 0.5*(gridi->sx + gridj->sx);
3067     bby = 0.5*(gridi->sy + gridj->sy);
3068     if (!simple)
3069     {
3070         bbx /= c_gpuNumClusterPerCellX;
3071         bby /= c_gpuNumClusterPerCellY;
3072     }
3073
3074     rbb2 = std::max(0.0, rlist - 0.5*std::sqrt(bbx*bbx + bby*bby));
3075     rbb2 = rbb2 * rbb2;
3076
3077 #if !GMX_DOUBLE
3078     return rbb2;
3079 #else
3080     return (float)((1+GMX_FLOAT_EPS)*rbb2);
3081 #endif
3082 }
3083
3084 static int get_ci_block_size(const nbnxn_grid_t *gridi,
3085                              gmx_bool bDomDec, int nth)
3086 {
3087     const int ci_block_enum      = 5;
3088     const int ci_block_denom     = 11;
3089     const int ci_block_min_atoms = 16;
3090     int       ci_block;
3091
3092     /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
3093      * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
3094      * a multiple of the number of threads, which would lead to some
3095      * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
3096      * which in turns will lead to load imbalance between threads.
3097      * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
3098      * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
3099      * of the grid parts of the different thread along all three grid
3100      * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
3101      * the blocks will not become too small.
3102      */
3103     ci_block = (gridi->nc*ci_block_enum)/(ci_block_denom*gridi->ncx*nth);
3104
3105     /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
3106     if (ci_block*gridi->na_sc < ci_block_min_atoms)
3107     {
3108         ci_block = (ci_block_min_atoms + gridi->na_sc - 1)/gridi->na_sc;
3109     }
3110
3111     /* Without domain decomposition
3112      * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
3113      */
3114     if (!bDomDec || nth*3*ci_block > gridi->nc)
3115     {
3116         ci_block = (gridi->nc + nth - 1)/nth;
3117     }
3118
3119     if (ci_block > 1 && (nth - 1)*ci_block >= gridi->nc)
3120     {
3121         /* Some threads have no work. Although reducing the block size
3122          * does not decrease the block count on the first few threads,
3123          * with GPUs better mixing of "upper" cells that have more empty
3124          * clusters results in a somewhat lower max load over all threads.
3125          * Without GPUs the regime of so few atoms per thread is less
3126          * performance relevant, but with 8-wide SIMD the same reasoning
3127          * applies, since the pair list uses 4 i-atom "sub-clusters".
3128          */
3129         ci_block--;
3130     }
3131
3132     return ci_block;
3133 }
3134
3135 /* Returns the number of bits to right-shift a cluster index to obtain
3136  * the corresponding force buffer flag index.
3137  */
3138 static int getBufferFlagShift(int numAtomsPerCluster)
3139 {
3140     int bufferFlagShift = 0;
3141     while ((numAtomsPerCluster << bufferFlagShift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
3142     {
3143         bufferFlagShift++;
3144     }
3145
3146     return bufferFlagShift;
3147 }
3148
3149 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
3150 static void nbnxn_make_pairlist_part(const nbnxn_search_t nbs,
3151                                      const nbnxn_grid_t *gridi,
3152                                      const nbnxn_grid_t *gridj,
3153                                      nbnxn_search_work_t *work,
3154                                      const nbnxn_atomdata_t *nbat,
3155                                      const t_blocka *excl,
3156                                      real rlist,
3157                                      int nb_kernel_type,
3158                                      int ci_block,
3159                                      gmx_bool bFBufferFlag,
3160                                      int nsubpair_max,
3161                                      gmx_bool progBal,
3162                                      float nsubpair_tot_est,
3163                                      int th, int nth,
3164                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
3165                                      t_nblist *nbl_fep)
3166 {
3167     int               na_cj_2log;
3168     matrix            box;
3169     real              rl2, rl_fep2 = 0;
3170     float             rbb2;
3171     int               ci_b, ci, ci_x, ci_y, ci_xy, cj;
3172     ivec              shp;
3173     int               shift;
3174     real              shx, shy, shz;
3175     int               conv_i, cell0_i;
3176     const nbnxn_bb_t *bb_i = nullptr;
3177 #if NBNXN_BBXXXX
3178     const float      *pbb_i = nullptr;
3179 #endif
3180     const float      *bbcz_i, *bbcz_j;
3181     const int        *flags_i;
3182     real              bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1;
3183     real              bz1_frac;
3184     real              d2cx, d2z, d2z_cx, d2z_cy, d2zx, d2zxy, d2xy;
3185     int               cxf, cxl, cyf, cyf_x, cyl;
3186     int               c0, c1, cs, cf, cl;
3187     int               ndistc;
3188     int               ncpcheck;
3189     int               gridi_flag_shift = 0, gridj_flag_shift = 0;
3190     gmx_bitmask_t    *gridj_flag       = nullptr;
3191     int               ncj_old_i, ncj_old_j;
3192
3193     nbs_cycle_start(&work->cc[enbsCCsearch]);
3194
3195     if (gridj->bSimple != nbl->bSimple)
3196     {
3197         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
3198     }
3199
3200     sync_work(nbl);
3201     nbl->na_sc = gridj->na_sc;
3202     nbl->na_ci = gridj->na_c;
3203     nbl->na_cj = nbnxn_kernel_to_cluster_j_size(nb_kernel_type);
3204     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
3205
3206     nbl->rlist  = rlist;
3207
3208     if (bFBufferFlag)
3209     {
3210         /* Determine conversion of clusters to flag blocks */
3211         gridi_flag_shift = getBufferFlagShift(nbl->na_ci);
3212         gridj_flag_shift = getBufferFlagShift(nbl->na_cj);
3213
3214         gridj_flag       = work->buffer_flags.flag;
3215     }
3216
3217     copy_mat(nbs->box, box);
3218
3219     rl2 = nbl->rlist*nbl->rlist;
3220
3221     if (nbs->bFEP && !nbl->bSimple)
3222     {
3223         /* Determine an atom-pair list cut-off distance for FEP atom pairs.
3224          * We should not simply use rlist, since then we would not have
3225          * the small, effective buffering of the NxN lists.
3226          * The buffer is on overestimate, but the resulting cost for pairs
3227          * beyond rlist is neglible compared to the FEP pairs within rlist.
3228          */
3229         rl_fep2 = nbl->rlist + effective_buffer_1x1_vs_MxN(gridi, gridj);
3230
3231         if (debug)
3232         {
3233             fprintf(debug, "nbl_fep atom-pair rlist %f\n", rl_fep2);
3234         }
3235         rl_fep2 = rl_fep2*rl_fep2;
3236     }
3237
3238     rbb2 = boundingbox_only_distance2(gridi, gridj, nbl->rlist, nbl->bSimple);
3239
3240     if (debug)
3241     {
3242         fprintf(debug, "nbl bounding box only distance %f\n", std::sqrt(rbb2));
3243     }
3244
3245     /* Set the shift range */
3246     for (int d = 0; d < DIM; d++)
3247     {
3248         /* Check if we need periodicity shifts.
3249          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
3250          */
3251         if (d >= ePBC2npbcdim(nbs->ePBC) || nbs->dd_dim[d])
3252         {
3253             shp[d] = 0;
3254         }
3255         else
3256         {
3257             if (d == XX &&
3258                 box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < std::sqrt(rl2))
3259             {
3260                 shp[d] = 2;
3261             }
3262             else
3263             {
3264                 shp[d] = 1;
3265             }
3266         }
3267     }
3268
3269     if (nbl->bSimple && !gridi->bSimple)
3270     {
3271         conv_i  = gridi->na_sc/gridj->na_sc;
3272         bb_i    = gridi->bb_simple;
3273         bbcz_i  = gridi->bbcz_simple;
3274         flags_i = gridi->flags_simple;
3275     }
3276     else
3277     {
3278         conv_i  = 1;
3279 #if NBNXN_BBXXXX
3280         if (gridi->bSimple)
3281         {
3282             bb_i  = gridi->bb;
3283         }
3284         else
3285         {
3286             pbb_i = gridi->pbb;
3287         }
3288 #else
3289         /* We use the normal bounding box format for both grid types */
3290         bb_i  = gridi->bb;
3291 #endif
3292         bbcz_i  = gridi->bbcz;
3293         flags_i = gridi->flags;
3294     }
3295     cell0_i = gridi->cell0*conv_i;
3296
3297     bbcz_j = gridj->bbcz;
3298
3299     if (conv_i != 1)
3300     {
3301         /* Blocks of the conversion factor - 1 give a large repeat count
3302          * combined with a small block size. This should result in good
3303          * load balancing for both small and large domains.
3304          */
3305         ci_block = conv_i - 1;
3306     }
3307     if (debug)
3308     {
3309         fprintf(debug, "nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n",
3310                 gridi->nc, gridi->nc/(double)(gridi->ncx*gridi->ncy), ci_block);
3311     }
3312
3313     ndistc   = 0;
3314     ncpcheck = 0;
3315
3316     /* Initially ci_b and ci to 1 before where we want them to start,
3317      * as they will both be incremented in next_ci.
3318      */
3319     ci_b = -1;
3320     ci   = th*ci_block - 1;
3321     ci_x = 0;
3322     ci_y = 0;
3323     while (next_ci(gridi, conv_i, nth, ci_block, &ci_x, &ci_y, &ci_b, &ci))
3324     {
3325         if (nbl->bSimple && flags_i[ci] == 0)
3326         {
3327             continue;
3328         }
3329
3330         ncj_old_i = nbl->ncj;
3331
3332         d2cx = 0;
3333         if (gridj != gridi && shp[XX] == 0)
3334         {
3335             if (nbl->bSimple)
3336             {
3337                 bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X];
3338             }
3339             else
3340             {
3341                 bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx;
3342             }
3343             if (bx1 < gridj->c0[XX])
3344             {
3345                 d2cx = gmx::square(gridj->c0[XX] - bx1);
3346
3347                 if (d2cx >= rl2)
3348                 {
3349                     continue;
3350                 }
3351             }
3352         }
3353
3354         ci_xy = ci_x*gridi->ncy + ci_y;
3355
3356         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
3357         for (int tz = -shp[ZZ]; tz <= shp[ZZ]; tz++)
3358         {
3359             shz = tz*box[ZZ][ZZ];
3360
3361             bz0 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D  ] + shz;
3362             bz1 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D+1] + shz;
3363
3364             if (tz == 0)
3365             {
3366                 d2z = 0;
3367             }
3368             else if (tz < 0)
3369             {
3370                 d2z = gmx::square(bz1);
3371             }
3372             else
3373             {
3374                 d2z = gmx::square(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
3375             }
3376
3377             d2z_cx = d2z + d2cx;
3378
3379             if (d2z_cx >= rl2)
3380             {
3381                 continue;
3382             }
3383
3384             bz1_frac = bz1/(gridi->cxy_ind[ci_xy+1] - gridi->cxy_ind[ci_xy]);
3385             if (bz1_frac < 0)
3386             {
3387                 bz1_frac = 0;
3388             }
3389             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
3390
3391             for (int ty = -shp[YY]; ty <= shp[YY]; ty++)
3392             {
3393                 shy = ty*box[YY][YY] + tz*box[ZZ][YY];
3394
3395                 if (nbl->bSimple)
3396                 {
3397                     by0 = bb_i[ci].lower[BB_Y] + shy;
3398                     by1 = bb_i[ci].upper[BB_Y] + shy;
3399                 }
3400                 else
3401                 {
3402                     by0 = gridi->c0[YY] + (ci_y  )*gridi->sy + shy;
3403                     by1 = gridi->c0[YY] + (ci_y+1)*gridi->sy + shy;
3404                 }
3405
3406                 get_cell_range(by0, by1,
3407                                gridj->ncy, gridj->c0[YY], gridj->sy, gridj->inv_sy,
3408                                d2z_cx, rl2,
3409                                &cyf, &cyl);
3410
3411                 if (cyf > cyl)
3412                 {
3413                     continue;
3414                 }
3415
3416                 d2z_cy = d2z;
3417                 if (by1 < gridj->c0[YY])
3418                 {
3419                     d2z_cy += gmx::square(gridj->c0[YY] - by1);
3420                 }
3421                 else if (by0 > gridj->c1[YY])
3422                 {
3423                     d2z_cy += gmx::square(by0 - gridj->c1[YY]);
3424                 }
3425
3426                 for (int tx = -shp[XX]; tx <= shp[XX]; tx++)
3427                 {
3428                     shift = XYZ2IS(tx, ty, tz);
3429
3430                     if (pbc_shift_backward && gridi == gridj && shift > CENTRAL)
3431                     {
3432                         continue;
3433                     }
3434
3435                     shx = tx*box[XX][XX] + ty*box[YY][XX] + tz*box[ZZ][XX];
3436
3437                     if (nbl->bSimple)
3438                     {
3439                         bx0 = bb_i[ci].lower[BB_X] + shx;
3440                         bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X] + shx;
3441                     }
3442                     else
3443                     {
3444                         bx0 = gridi->c0[XX] + (ci_x  )*gridi->sx + shx;
3445                         bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx + shx;
3446                     }
3447
3448                     get_cell_range(bx0, bx1,
3449                                    gridj->ncx, gridj->c0[XX], gridj->sx, gridj->inv_sx,
3450                                    d2z_cy, rl2,
3451                                    &cxf, &cxl);
3452
3453                     if (cxf > cxl)
3454                     {
3455                         continue;
3456                     }
3457
3458                     if (nbl->bSimple)
3459                     {
3460                         new_ci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci]);
3461                     }
3462                     else
3463                     {
3464                         new_sci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift);
3465                     }
3466
3467                     if ((!pbc_shift_backward || (shift == CENTRAL &&
3468                                                  gridi == gridj)) &&
3469                         cxf < ci_x)
3470                     {
3471                         /* Leave the pairs with i > j.
3472                          * x is the major index, so skip half of it.
3473                          */
3474                         cxf = ci_x;
3475                     }
3476
3477                     if (nbl->bSimple)
3478                     {
3479                         set_icell_bb_simple(bb_i, ci, shx, shy, shz,
3480                                             nbl->work->bb_ci);
3481                     }
3482                     else
3483                     {
3484 #if NBNXN_BBXXXX
3485                         set_icell_bbxxxx_supersub(pbb_i, ci, shx, shy, shz,
3486                                                   nbl->work->pbb_ci);
3487 #else
3488                         set_icell_bb_supersub(bb_i, ci, shx, shy, shz,
3489                                               nbl->work->bb_ci);
3490 #endif
3491                     }
3492
3493                     nbs->icell_set_x(cell0_i+ci, shx, shy, shz,
3494                                      nbat->xstride, nbat->x,
3495                                      nbl->work);
3496
3497                     for (int cx = cxf; cx <= cxl; cx++)
3498                     {
3499                         d2zx = d2z;
3500                         if (gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx > bx1)
3501                         {
3502                             d2zx += gmx::square(gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx - bx1);
3503                         }
3504                         else if (gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx < bx0)
3505                         {
3506                             d2zx += gmx::square(gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx - bx0);
3507                         }
3508
3509                         if (gridi == gridj &&
3510                             cx == 0 &&
3511                             (!pbc_shift_backward || shift == CENTRAL) &&
3512                             cyf < ci_y)
3513                         {
3514                             /* Leave the pairs with i > j.
3515                              * Skip half of y when i and j have the same x.
3516                              */
3517                             cyf_x = ci_y;
3518                         }
3519                         else
3520                         {
3521                             cyf_x = cyf;
3522                         }
3523
3524                         for (int cy = cyf_x; cy <= cyl; cy++)
3525                         {
3526                             c0 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy];
3527                             c1 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy+1];
3528
3529                             if (pbc_shift_backward &&
3530                                 gridi == gridj &&
3531                                 shift == CENTRAL && c0 < ci)
3532                             {
3533                                 c0 = ci;
3534                             }
3535
3536                             d2zxy = d2zx;
3537                             if (gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy > by1)
3538                             {
3539                                 d2zxy += gmx::square(gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy - by1);
3540                             }
3541                             else if (gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy < by0)
3542                             {
3543                                 d2zxy += gmx::square(gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy - by0);
3544                             }
3545                             if (c1 > c0 && d2zxy < rl2)
3546                             {
3547                                 cs = c0 + static_cast<int>(bz1_frac*(c1 - c0));
3548                                 if (cs >= c1)
3549                                 {
3550                                     cs = c1 - 1;
3551                                 }
3552
3553                                 d2xy = d2zxy - d2z;
3554
3555                                 /* Find the lowest cell that can possibly
3556                                  * be within range.
3557                                  */
3558                                 cf = cs;
3559                                 while (cf > c0 &&
3560                                        (bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] >= bz0 ||
3561                                         d2xy + gmx::square(bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] - bz0) < rl2))
3562                                 {
3563                                     cf--;
3564                                 }
3565
3566                                 /* Find the highest cell that can possibly
3567                                  * be within range.
3568                                  */
3569                                 cl = cs;
3570                                 while (cl < c1-1 &&
3571                                        (bbcz_j[cl*NNBSBB_D] <= bz1 ||
3572                                         d2xy + gmx::square(bbcz_j[cl*NNBSBB_D] - bz1) < rl2))
3573                                 {
3574                                     cl++;
3575                                 }
3576
3577 #ifdef NBNXN_REFCODE
3578                                 {
3579                                     /* Simple reference code, for debugging,
3580                                      * overrides the more complex code above.
3581                                      */
3582                                     cf = c1;
3583                                     cl = -1;
3584                                     for (int k = c0; k < c1; k++)
3585                                     {
3586                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
3587                                             k < cf)
3588                                         {
3589                                             cf = k;
3590                                         }
3591                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
3592                                             k > cl)
3593                                         {
3594                                             cl = k;
3595                                         }
3596                                     }
3597                                 }
3598 #endif
3599
3600                                 if (gridi == gridj)
3601                                 {
3602                                     /* We want each atom/cell pair only once,
3603                                      * only use cj >= ci.
3604                                      */
3605                                     if (!pbc_shift_backward || shift == CENTRAL)
3606                                     {
3607                                         cf = std::max(cf, ci);
3608                                     }
3609                                 }
3610
3611                                 if (cf <= cl)
3612                                 {
3613                                     /* For f buffer flags with simple lists */
3614                                     ncj_old_j = nbl->ncj;
3615
3616                                     switch (nb_kernel_type)
3617                                     {
3618                                         case nbnxnk4x4_PlainC:
3619                                             check_cell_list_space_simple(nbl, cl-cf+1);
3620
3621                                             make_cluster_list_simple(gridj,
3622                                                                      nbl, ci, cf, cl,
3623                                                                      (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
3624                                                                      nbat->x,
3625                                                                      rl2, rbb2,
3626                                                                      &ndistc);
3627                                             break;
3628 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
3629                                         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
3630                                             check_cell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj_simd_4xn(cl - cf) + 2);
3631                                             make_cluster_list_simd_4xn(gridj,
3632                                                                        nbl, ci, cf, cl,
3633                                                                        (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
3634                                                                        nbat->x,
3635                                                                        rl2, rbb2,
3636                                                                        &ndistc);
3637                                             break;
3638 #endif
3639 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
3640                                         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
3641                                             check_cell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj_simd_2xnn(cl - cf) + 2);
3642                                             make_cluster_list_simd_2xnn(gridj,
3643                                                                         nbl, ci, cf, cl,
3644                                                                         (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
3645                                                                         nbat->x,
3646                                                                         rl2, rbb2,
3647                                                                         &ndistc);
3648                                             break;
3649 #endif
3650                                         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
3651                                         case nbnxnk8x8x8_GPU:
3652                                             check_cell_list_space_supersub(nbl, cl-cf+1);
3653                                             for (cj = cf; cj <= cl; cj++)
3654                                             {
3655                                                 make_cluster_list_supersub(gridi, gridj,
3656                                                                            nbl, ci, cj,
3657                                                                            (gridi == gridj && shift == CENTRAL && ci == cj),
3658                                                                            nbat->xstride, nbat->x,
3659                                                                            rl2, rbb2,
3660                                                                            &ndistc);
3661                                             }
3662                                             break;
3663                                     }
3664                                     ncpcheck += cl - cf + 1;
3665
3666                                     if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_j)
3667                                     {
3668                                         int cbf = nbl->cj[ncj_old_j].cj >> gridj_flag_shift;
3669                                         int cbl = nbl->cj[nbl->ncj-1].cj >> gridj_flag_shift;
3670                                         for (int cb = cbf; cb <= cbl; cb++)
3671                                         {
3672                                             bitmask_init_bit(&gridj_flag[cb], th);
3673                                         }
3674                                     }
3675
3676                                     nbl->ncjInUse += nbl->ncj - ncj_old_j;
3677                                 }
3678                             }
3679                         }
3680                     }
3681
3682                     /* Set the exclusions for this ci list */
3683                     if (nbl->bSimple)
3684                     {
3685                         set_ci_top_excls(nbs,
3686                                          nbl,
3687                                          shift == CENTRAL && gridi == gridj,
3688                                          gridj->na_c_2log,
3689                                          na_cj_2log,
3690                                          &(nbl->ci[nbl->nci]),
3691                                          excl);
3692
3693                         if (nbs->bFEP)
3694                         {
3695                             make_fep_list(nbs, nbat, nbl,
3696                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
3697                                           &(nbl->ci[nbl->nci]),
3698                                           gridi, gridj, nbl_fep);
3699                         }
3700                     }
3701                     else
3702                     {
3703                         set_sci_top_excls(nbs,
3704                                           nbl,
3705                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
3706                                           gridj->na_c_2log,
3707                                           &(nbl->sci[nbl->nsci]),
3708                                           excl);
3709
3710                         if (nbs->bFEP)
3711                         {
3712                             make_fep_list_supersub(nbs, nbat, nbl,
3713                                                    shift == CENTRAL && gridi == gridj,
3714                                                    &(nbl->sci[nbl->nsci]),
3715                                                    shx, shy, shz,
3716                                                    rl_fep2,
3717                                                    gridi, gridj, nbl_fep);
3718                         }
3719                     }
3720
3721                     /* Close this ci list */
3722                     if (nbl->bSimple)
3723                     {
3724                         close_ci_entry_simple(nbl);
3725                     }
3726                     else
3727                     {
3728                         close_ci_entry_supersub(nbl,
3729                                                 nsubpair_max,
3730                                                 progBal, nsubpair_tot_est,
3731                                                 th, nth);
3732                     }
3733                 }
3734             }
3735         }
3736
3737         if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_i)
3738         {
3739             bitmask_init_bit(&(work->buffer_flags.flag[(gridi->cell0+ci)>>gridi_flag_shift]), th);
3740         }
3741     }
3742
3743     work->ndistc = ndistc;
3744
3745     nbs_cycle_stop(&work->cc[enbsCCsearch]);
3746
3747     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");
3748
3749     if (debug)
3750     {
3751         fprintf(debug, "number of distance checks %d\n", ndistc);
3752         fprintf(debug, "ncpcheck %s %d\n", gridi == gridj ? "local" : "non-local",
3753                 ncpcheck);
3754
3755         if (nbl->bSimple)
3756         {
3757             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl, nbs, rlist);
3758         }
3759         else
3760         {
3761             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl, nbs, rlist);
3762         }
3763
3764         if (nbs->bFEP)
3765         {
3766             fprintf(debug, "nbl FEP list pairs: %d\n", nbl_fep->nrj);
3767         }
3768     }
3769 }
3770
3771 static void reduce_buffer_flags(const nbnxn_search_t        nbs,
3772                                 int                         nsrc,
3773                                 const nbnxn_buffer_flags_t *dest)
3774 {
3775     for (int s = 0; s < nsrc; s++)
3776     {
3777         gmx_bitmask_t * flag = nbs->work[s].buffer_flags.flag;
3778
3779         for (int b = 0; b < dest->nflag; b++)
3780         {
3781             bitmask_union(&(dest->flag[b]), flag[b]);
3782         }
3783     }
3784 }
3785
3786 static void print_reduction_cost(const nbnxn_buffer_flags_t *flags, int nout)
3787 {
3788     int           nelem, nkeep, ncopy, nred, out;
3789     gmx_bitmask_t mask_0;
3790
3791     nelem = 0;
3792     nkeep = 0;
3793     ncopy = 0;
3794     nred  = 0;
3795     bitmask_init_bit(&mask_0, 0);
3796     for (int b = 0; b < flags->nflag; b++)
3797     {
3798         if (bitmask_is_equal(flags->flag[b], mask_0))
3799         {
3800             /* Only flag 0 is set, no copy of reduction required */
3801             nelem++;
3802             nkeep++;
3803         }
3804         else if (!bitmask_is_zero(flags->flag[b]))
3805         {
3806             int c = 0;
3807             for (out = 0; out < nout; out++)
3808             {
3809                 if (bitmask_is_set(flags->flag[b], out))
3810                 {
3811                     c++;
3812                 }
3813             }
3814             nelem += c;
3815             if (c == 1)
3816             {
3817                 ncopy++;
3818             }
3819             else
3820             {
3821                 nred += c;
3822             }
3823         }
3824     }
3825
3826     fprintf(debug, "nbnxn reduction: #flag %d #list %d elem %4.2f, keep %4.2f copy %4.2f red %4.2f\n",
3827             flags->nflag, nout,
3828             nelem/(double)(flags->nflag),
3829             nkeep/(double)(flags->nflag),
3830             ncopy/(double)(flags->nflag),
3831             nred/(double)(flags->nflag));
3832 }
3833
3834 /* Copies the list entries from src to dest when cjStart <= *cjGlobal < cjEnd.
3835  * *cjGlobal is updated with the cj count in src.
3836  * When setFlags==true, flag bit t is set in flag for all i and j clusters.
3837  */
3838 template<bool setFlags>
3839 static void copySelectedListRange(const nbnxn_ci_t * gmx_restrict srcCi,
3840                                   const nbnxn_pairlist_t * gmx_restrict src,
3841                                   nbnxn_pairlist_t * gmx_restrict dest,
3842                                   gmx_bitmask_t *flag,
3843                                   int iFlagShift, int jFlagShift, int t)
3844 {
3845     int ncj = srcCi->cj_ind_end - srcCi->cj_ind_start;
3846
3847     if (dest->nci + 1 >= dest->ci_nalloc)
3848     {
3849         nb_realloc_ci(dest, dest->nci + 1);
3850     }
3851     check_cell_list_space_simple(dest, ncj);
3852
3853     dest->ci[dest->nci]              = *srcCi;
3854     dest->ci[dest->nci].cj_ind_start = dest->ncj;
3855     dest->ci[dest->nci].cj_ind_end   = dest->ncj + ncj;
3856
3857     if (setFlags)
3858     {
3859         bitmask_init_bit(&flag[srcCi->ci >> iFlagShift], t);
3860     }
3861
3862     for (int j = srcCi->cj_ind_start; j < srcCi->cj_ind_end; j++)
3863     {
3864         dest->cj[dest->ncj++] = src->cj[j];
3865
3866         if (setFlags)
3867         {
3868             /* NOTE: This is relatively expensive, since this
3869              * operation is done for all elements in the list,
3870              * whereas at list generation this is done only
3871              * once for each flag entry.
3872              */
3873             bitmask_init_bit(&flag[src->cj[j].cj >> jFlagShift], t);
3874         }
3875     }
3876
3877     dest->nci++;
3878 }
3879
3880 /* This routine re-balances the pairlists such that all are nearly equally
3881  * sized. Only whole i-entries are moved between lists. These are moved
3882  * between the ends of the lists, such that the buffer reduction cost should
3883  * not change significantly.
3884  * Note that all original reduction flags are currently kept. This can lead
3885  * to reduction of parts of the force buffer that could be avoided. But since
3886  * the original lists are quite balanced, this will only give minor overhead.
3887  */
3888 static void rebalanceSimpleLists(int                              numLists,
3889                                  nbnxn_pairlist_t * const * const srcSet,
3890                                  nbnxn_pairlist_t               **destSet,
3891                                  nbnxn_search_work_t             *searchWork)
3892 {
3893     int ncjTotal = 0;
3894     for (int s = 0; s < numLists; s++)
3895     {
3896         ncjTotal += srcSet[s]->ncjInUse;
3897     }
3898     int ncjTarget = (ncjTotal + numLists - 1)/numLists;
3899
3900 #pragma omp parallel num_threads(numLists)
3901     {
3902         int t       = gmx_omp_get_thread_num();
3903
3904         int cjStart = ncjTarget* t;
3905         int cjEnd   = ncjTarget*(t + 1);
3906
3907         /* The destination pair-list for task/thread t */
3908         nbnxn_pairlist_t *dest = destSet[t];
3909
3910         clear_pairlist(dest);
3911         dest->bSimple = srcSet[0]->bSimple;
3912         dest->na_ci   = srcSet[0]->na_ci;
3913         dest->na_cj   = srcSet[0]->na_cj;
3914
3915         /* Note that the flags in the work struct (still) contain flags
3916          * for all entries that are present in srcSet->nbl[t].
3917          */
3918         gmx_bitmask_t *flag       = searchWork[t].buffer_flags.flag;
3919
3920         int            iFlagShift = getBufferFlagShift(dest->na_ci);
3921         int            jFlagShift = getBufferFlagShift(dest->na_cj);
3922
3923         int            cjGlobal   = 0;
3924         for (int s = 0; s < numLists && cjGlobal < cjEnd; s++)
3925         {
3926             const nbnxn_pairlist_t *src = srcSet[s];
3927
3928             if (cjGlobal + src->ncjInUse > cjStart)
3929             {
3930                 for (int i = 0; i < src->nci && cjGlobal < cjEnd; i++)
3931                 {
3932                     const nbnxn_ci_t *srcCi = &src->ci[i];
3933                     int               ncj   = srcCi->cj_ind_end - srcCi->cj_ind_start;
3934                     if (cjGlobal >= cjStart)
3935                     {
3936                         /* If the source list is not our own, we need to set
3937                          * extra flags (the template bool parameter).
3938                          */
3939                         if (s != t)
3940                         {
3941                             copySelectedListRange
3942                             <true>
3943                                 (srcCi, src, dest,
3944                                 flag, iFlagShift, jFlagShift, t);
3945                         }
3946                         else
3947                         {
3948                             copySelectedListRange
3949                             <false>
3950                                 (srcCi, src,
3951                                 dest, flag, iFlagShift, jFlagShift, t);
3952                         }
3953                     }
3954                     cjGlobal += ncj;
3955                 }
3956             }
3957             else
3958             {
3959                 cjGlobal += src->ncjInUse;
3960             }
3961         }
3962
3963         dest->ncjInUse = dest->ncj;
3964     }
3965
3966 #ifndef NDEBUG
3967     int ncjTotalNew = 0;
3968     for (int s = 0; s < numLists; s++)
3969     {
3970         ncjTotalNew += destSet[s]->ncjInUse;
3971     }
3972     GMX_RELEASE_ASSERT(ncjTotalNew == ncjTotal, "The total size of the lists before and after rebalancing should match");
3973 #endif
3974 }
3975
3976 /* Returns if the pairlists are so imbalanced that it is worth rebalancing. */
3977 static bool checkRebalanceSimpleLists(const nbnxn_pairlist_set_t *listSet)
3978 {
3979     int numLists = listSet->nnbl;
3980     int ncjMax   = 0;
3981     int ncjTotal = 0;
3982     for (int s = 0; s < numLists; s++)
3983     {
3984         ncjMax    = std::max(ncjMax, listSet->nbl[s]->ncjInUse);
3985         ncjTotal += listSet->nbl[s]->ncjInUse;
3986     }
3987     if (debug)
3988     {
3989         fprintf(debug, "Pair-list ncjMax %d ncjTotal %d\n", ncjMax, ncjTotal);
3990     }
3991     /* The rebalancing adds 3% extra time to the search. Heuristically we
3992      * determined that under common conditions the non-bonded kernel balance
3993      * improvement will outweigh this when the imbalance is more than 3%.
3994      * But this will, obviously, depend on search vs kernel time and nstlist.
3995      */
3996     const real rebalanceTolerance = 1.03;
3997
3998     return numLists*ncjMax > ncjTotal*rebalanceTolerance;
3999 }
4000
4001 /* Perform a count (linear) sort to sort the smaller lists to the end.
4002  * This avoids load imbalance on the GPU, as large lists will be
4003  * scheduled and executed first and the smaller lists later.
4004  * Load balancing between multi-processors only happens at the end
4005  * and there smaller lists lead to more effective load balancing.
4006  * The sorting is done on the cj4 count, not on the actual pair counts.
4007  * Not only does this make the sort faster, but it also results in
4008  * better load balancing than using a list sorted on exact load.
4009  * This function swaps the pointer in the pair list to avoid a copy operation.
4010  */
4011 static void sort_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4012 {
4013     nbnxn_list_work_t *work;
4014     int                m, s0, s1;
4015     nbnxn_sci_t       *sci_sort;
4016
4017     if (nbl->ncj4 <= nbl->nsci)
4018     {
4019         /* nsci = 0 or all sci have size 1, sorting won't change the order */
4020         return;
4021     }
4022
4023     work = nbl->work;
4024
4025     /* We will distinguish differences up to double the average */
4026     m = (2*nbl->ncj4)/nbl->nsci;
4027
4028     if (m + 1 > work->sort_nalloc)
4029     {
4030         work->sort_nalloc = over_alloc_large(m + 1);
4031         srenew(work->sort, work->sort_nalloc);
4032     }
4033
4034     if (work->sci_sort_nalloc != nbl->sci_nalloc)
4035     {
4036         work->sci_sort_nalloc = nbl->sci_nalloc;
4037         nbnxn_realloc_void((void **)&work->sci_sort,
4038                            0,
4039                            work->sci_sort_nalloc*sizeof(*work->sci_sort),
4040                            nbl->alloc, nbl->free);
4041     }
4042
4043     /* Count the entries of each size */
4044     for (int i = 0; i <= m; i++)
4045     {
4046         work->sort[i] = 0;
4047     }
4048     for (int s = 0; s < nbl->nsci; s++)
4049     {
4050         int i = std::min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
4051         work->sort[i]++;
4052     }
4053     /* Calculate the offset for each count */
4054     s0            = work->sort[m];
4055     work->sort[m] = 0;
4056     for (int i = m - 1; i >= 0; i--)
4057     {
4058         s1            = work->sort[i];
4059         work->sort[i] = work->sort[i + 1] + s0;
4060         s0            = s1;
4061     }
4062
4063     /* Sort entries directly into place */
4064     sci_sort = work->sci_sort;
4065     for (int s = 0; s < nbl->nsci; s++)
4066     {
4067         int i = std::min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
4068         sci_sort[work->sort[i]++] = nbl->sci[s];
4069     }
4070
4071     /* Swap the sci pointers so we use the new, sorted list */
4072     work->sci_sort = nbl->sci;
4073     nbl->sci       = sci_sort;
4074 }
4075
4076 /* Make a local or non-local pair-list, depending on iloc */
4077 void nbnxn_make_pairlist(const nbnxn_search_t  nbs,
4078                          nbnxn_atomdata_t     *nbat,
4079                          const t_blocka       *excl,
4080                          real                  rlist,
4081                          int                   min_ci_balanced,
4082                          nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
4083                          int                   iloc,
4084                          int                   nb_kernel_type,
4085                          t_nrnb               *nrnb)
4086 {
4087     nbnxn_grid_t      *gridi, *gridj;
4088     gmx_bool           bGPUCPU;
4089     int                nzi, zj0, zj1;
4090     int                nsubpair_target;
4091     float              nsubpair_tot_est;
4092     int                nnbl;
4093     nbnxn_pairlist_t **nbl;
4094     int                ci_block;
4095     gmx_bool           CombineNBLists;
4096     gmx_bool           progBal;
4097     int                np_tot, np_noq, np_hlj, nap;
4098
4099     /* Check if we are running hybrid GPU + CPU nbnxn mode */
4100     bGPUCPU = (!nbs->grid[0].bSimple && nbl_list->bSimple);
4101
4102     nnbl            = nbl_list->nnbl;
4103     nbl             = nbl_list->nbl;
4104     CombineNBLists  = nbl_list->bCombined;
4105
4106     if (debug)
4107     {
4108         fprintf(debug, "ns making %d nblists\n", nnbl);
4109     }
4110
4111     nbat->bUseBufferFlags = (nbat->nout > 1);
4112     /* We should re-init the flags before making the first list */
4113     if (nbat->bUseBufferFlags && (LOCAL_I(iloc) || bGPUCPU))
4114     {
4115         init_buffer_flags(&nbat->buffer_flags, nbat->natoms);
4116     }
4117
4118     if (nbl_list->bSimple)
4119     {
4120 #if GMX_SIMD
4121         switch (nb_kernel_type)
4122         {
4123 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
4124             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
4125                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_4xn;
4126                 break;
4127 #endif
4128 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
4129             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
4130                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_2xnn;
4131                 break;
4132 #endif
4133             default:
4134                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
4135                 break;
4136         }
4137 #else   // GMX_SIMD
4138         /* MSVC 2013 complains about switch statements without case */
4139         nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
4140 #endif  // GMX_SIMD
4141     }
4142     else
4143     {
4144         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub;
4145     }
4146
4147     if (LOCAL_I(iloc))
4148     {
4149         /* Only zone (grid) 0 vs 0 */
4150         nzi = 1;
4151         zj0 = 0;
4152         zj1 = 1;
4153     }
4154     else
4155     {
4156         nzi = nbs->zones->nizone;
4157     }
4158
4159     if (!nbl_list->bSimple && min_ci_balanced > 0)
4160     {
4161         get_nsubpair_target(nbs, iloc, rlist, min_ci_balanced,
4162                             &nsubpair_target, &nsubpair_tot_est);
4163     }
4164     else
4165     {
4166         nsubpair_target  = 0;
4167         nsubpair_tot_est = 0;
4168     }
4169
4170     /* Clear all pair-lists */
4171     for (int th = 0; th < nnbl; th++)
4172     {
4173         clear_pairlist(nbl[th]);
4174
4175         if (nbs->bFEP)
4176         {
4177             clear_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[th]);
4178         }
4179     }
4180
4181     for (int zi = 0; zi < nzi; zi++)
4182     {
4183         gridi = &nbs->grid[zi];
4184
4185         if (NONLOCAL_I(iloc))
4186         {
4187             zj0 = nbs->zones->izone[zi].j0;
4188             zj1 = nbs->zones->izone[zi].j1;
4189             if (zi == 0)
4190             {
4191                 zj0++;
4192             }
4193         }
4194         for (int zj = zj0; zj < zj1; zj++)
4195         {
4196             gridj = &nbs->grid[zj];
4197
4198             if (debug)
4199             {
4200                 fprintf(debug, "ns search grid %d vs %d\n", zi, zj);
4201             }
4202
4203             nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
4204
4205             if (nbl[0]->bSimple && !gridi->bSimple)
4206             {
4207                 /* Hybrid list, determine blocking later */
4208                 ci_block = 0;
4209             }
4210             else
4211             {
4212                 ci_block = get_ci_block_size(gridi, nbs->DomDec, nnbl);
4213             }
4214
4215             /* With GPU: generate progressively smaller lists for
4216              * load balancing for local only or non-local with 2 zones.
4217              */
4218             progBal = (LOCAL_I(iloc) || nbs->zones->n <= 2);
4219
4220 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
4221             for (int th = 0; th < nnbl; th++)
4222             {
4223                 try
4224                 {
4225                     /* Re-init the thread-local work flag data before making
4226                      * the first list (not an elegant conditional).
4227                      */
4228                     if (nbat->bUseBufferFlags && ((zi == 0 && zj == 0) ||
4229                                                   (bGPUCPU && zi == 0 && zj == 1)))
4230                     {
4231                         init_buffer_flags(&nbs->work[th].buffer_flags, nbat->natoms);
4232                     }
4233
4234                     if (CombineNBLists && th > 0)
4235                     {
4236                         clear_pairlist(nbl[th]);
4237                     }
4238
4239                     /* Divide the i super cell equally over the nblists */
4240                     nbnxn_make_pairlist_part(nbs, gridi, gridj,
4241                                              &nbs->work[th], nbat, excl,
4242                                              rlist,
4243                                              nb_kernel_type,
4244                                              ci_block,
4245                                              nbat->bUseBufferFlags,
4246                                              nsubpair_target,
4247                                              progBal, nsubpair_tot_est,
4248                                              th, nnbl,
4249                                              nbl[th],
4250                                              nbl_list->nbl_fep[th]);
4251                 }
4252                 GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
4253             }
4254             nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
4255
4256             np_tot = 0;
4257             np_noq = 0;
4258             np_hlj = 0;
4259             for (int th = 0; th < nnbl; th++)
4260             {
4261                 inc_nrnb(nrnb, eNR_NBNXN_DIST2, nbs->work[th].ndistc);
4262
4263                 if (nbl_list->bSimple)
4264                 {
4265                     np_tot += nbl[th]->ncj;
4266                     np_noq += nbl[th]->work->ncj_noq;
4267                     np_hlj += nbl[th]->work->ncj_hlj;
4268                 }
4269                 else
4270                 {
4271                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
4272                     np_tot += nbl[th]->nci_tot;
4273                 }
4274             }
4275             nap                   = nbl[0]->na_ci*nbl[0]->na_cj;
4276             nbl_list->natpair_ljq = (np_tot - np_noq)*nap - np_hlj*nap/2;
4277             nbl_list->natpair_lj  = np_noq*nap;
4278             nbl_list->natpair_q   = np_hlj*nap/2;
4279
4280             if (CombineNBLists && nnbl > 1)
4281             {
4282                 nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
4283
4284                 combine_nblists(nnbl-1, nbl+1, nbl[0]);
4285
4286                 nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
4287             }
4288         }
4289     }
4290
4291     if (nbl_list->bSimple)
4292     {
4293         if (nnbl > 1 && checkRebalanceSimpleLists(nbl_list))
4294         {
4295             rebalanceSimpleLists(nbl_list->nnbl, nbl_list->nbl, nbl_list->nbl_work, nbs->work);
4296
4297             /* Swap the pointer of the sets of pair lists */
4298             nbnxn_pairlist_t **tmp = nbl_list->nbl;
4299             nbl_list->nbl          = nbl_list->nbl_work;
4300             nbl_list->nbl_work     = tmp;
4301         }
4302     }
4303     else
4304     {
4305         /* Sort the entries on size, large ones first */
4306         if (CombineNBLists || nnbl == 1)
4307         {
4308             sort_sci(nbl[0]);
4309         }
4310         else
4311         {
4312 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
4313             for (int th = 0; th < nnbl; th++)
4314             {
4315                 try
4316                 {
4317                     sort_sci(nbl[th]);
4318                 }
4319                 GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
4320             }
4321         }
4322     }
4323
4324     if (nbat->bUseBufferFlags)
4325     {
4326         reduce_buffer_flags(nbs, nbl_list->nnbl, &nbat->buffer_flags);
4327     }
4328
4329     if (nbs->bFEP)
4330     {
4331         /* Balance the free-energy lists over all the threads */
4332         balance_fep_lists(nbs, nbl_list);
4333     }
4334
4335     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
4336     if (LOCAL_I(iloc))
4337     {
4338         nbs->search_count++;
4339     }
4340     if (nbs->print_cycles &&
4341         (!nbs->DomDec || !LOCAL_I(iloc)) &&
4342         nbs->search_count % 100 == 0)
4343     {
4344         nbs_cycle_print(stderr, nbs);
4345     }
4346
4347     /* If we have more than one list, they either got rebalancing (CPU)
4348      * or combined (GPU), so we should dump the final result to debug.
4349      */
4350     if (debug && nbl_list->nnbl > 1)
4351     {
4352         if (nbl_list->bSimple)
4353         {
4354             for (int t = 0; t < nbl_list->nnbl; t++)
4355             {
4356                 print_nblist_statistics_simple(debug, nbl_list->nbl[t], nbs, rlist);
4357             }
4358         }
4359         else
4360         {
4361             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl_list->nbl[0], nbs, rlist);
4362         }
4363     }
4364
4365     if (debug)
4366     {
4367         if (gmx_debug_at)
4368         {
4369             if (nbl_list->bSimple)
4370             {
4371                 for (int t = 0; t < nbl_list->nnbl; t++)
4372                 {
4373                     print_nblist_ci_cj(debug, nbl_list->nbl[t]);
4374                 }
4375             }
4376             else
4377             {
4378                 print_nblist_sci_cj(debug, nbl_list->nbl[0]);
4379             }
4380         }
4381
4382         if (nbat->bUseBufferFlags)
4383         {
4384             print_reduction_cost(&nbat->buffer_flags, nbl_list->nnbl);
4385         }
4386     }
4387 }