Merge branch 'origin/release-2020' into merge-release-2020-into-master
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / nbnxm / pairlist.cpp
1 /*
2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3  *
4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015,2016 by the GROMACS development team.
5  * Copyright (c) 2017,2018,2019,2020, by the GROMACS development team, led by
6  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
7  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
8  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
9  *
10  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
11  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
12  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
13  * of the License, or (at your option) any later version.
14  *
15  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
18  * Lesser General Public License for more details.
19  *
20  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
21  * License along with GROMACS; if not, see
22  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
23  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
24  *
25  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
26  * consider that scientific software is very special. Version
27  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
28  * consider code for inclusion in the official distribution, but
29  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
30  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
31  * official version at http://www.gromacs.org.
32  *
33  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
34  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
35  */
36
37 #include "gmxpre.h"
38
39 #include "pairlist.h"
40
41 #include "config.h"
42
43 #include <cassert>
44 #include <cmath>
45 #include <cstring>
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/mdtypes/group.h"
56 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
57 #include "gromacs/mdtypes/nblist.h"
58 #include "gromacs/nbnxm/atomdata.h"
59 #include "gromacs/nbnxm/gpu_data_mgmt.h"
60 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
61 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
62 #include "gromacs/simd/simd.h"
63 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
64 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
65 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
66 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
67 #include "gromacs/utility/listoflists.h"
68 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
69
70 #include "boundingboxes.h"
71 #include "clusterdistancekerneltype.h"
72 #include "gridset.h"
73 #include "nbnxm_geometry.h"
74 #include "nbnxm_simd.h"
75 #include "pairlistset.h"
76 #include "pairlistsets.h"
77 #include "pairlistwork.h"
78 #include "pairsearch.h"
79
80 using namespace gmx; // TODO: Remove when this file is moved into gmx namespace
81
82 using BoundingBox   = Nbnxm::BoundingBox;   // TODO: Remove when refactoring this file
83 using BoundingBox1D = Nbnxm::BoundingBox1D; // TODO: Remove when refactoring this file
84
85 using Grid = Nbnxm::Grid; // TODO: Remove when refactoring this file
86
87 // Convience alias for partial Nbnxn namespace usage
88 using InteractionLocality = gmx::InteractionLocality;
89
90 /* We shift the i-particles backward for PBC.
91  * This leads to more conditionals than shifting forward.
92  * We do this to get more balanced pair lists.
93  */
94 constexpr bool c_pbcShiftBackward = true;
95
96 /* Layout for the nonbonded NxN pair lists */
97 enum class NbnxnLayout
98 {
99     NoSimd4x4, // i-cluster size 4, j-cluster size 4
100     Simd4xN,   // i-cluster size 4, j-cluster size SIMD width
101     Simd2xNN,  // i-cluster size 4, j-cluster size half SIMD width
102     Gpu8x8x8   // i-cluster size 8, j-cluster size 8 + super-clustering
103 };
104
105 #if defined(GMX_NBNXN_SIMD_4XN) || defined(GMX_NBNXN_SIMD_2XNN)
106 /* Returns the j-cluster size */
107 template<NbnxnLayout layout>
108 static constexpr int jClusterSize()
109 {
110     static_assert(layout == NbnxnLayout::NoSimd4x4 || layout == NbnxnLayout::Simd4xN
111                           || layout == NbnxnLayout::Simd2xNN,
112                   "Currently jClusterSize only supports CPU layouts");
113
114     return layout == NbnxnLayout::Simd4xN
115                    ? GMX_SIMD_REAL_WIDTH
116                    : (layout == NbnxnLayout::Simd2xNN ? GMX_SIMD_REAL_WIDTH / 2 : c_nbnxnCpuIClusterSize);
117 }
118
119 /*! \brief Returns the j-cluster index given the i-cluster index.
120  *
121  * \tparam    jClusterSize      The number of atoms in a j-cluster
122  * \tparam    jSubClusterIndex  The j-sub-cluster index (0/1), used when size(j-cluster) <
123  * size(i-cluster) \param[in] ci                The i-cluster index
124  */
125 template<int jClusterSize, int jSubClusterIndex>
126 static inline int cjFromCi(int ci)
127 {
128     static_assert(jClusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize / 2 || jClusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize
129                           || jClusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize * 2,
130                   "Only j-cluster sizes 2, 4 and 8 are currently implemented");
131
132     static_assert(jSubClusterIndex == 0 || jSubClusterIndex == 1,
133                   "Only sub-cluster indices 0 and 1 are supported");
134
135     if (jClusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize / 2)
136     {
137         if (jSubClusterIndex == 0)
138         {
139             return ci << 1;
140         }
141         else
142         {
143             return ((ci + 1) << 1) - 1;
144         }
145     }
146     else if (jClusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize)
147     {
148         return ci;
149     }
150     else
151     {
152         return ci >> 1;
153     }
154 }
155
156 /*! \brief Returns the j-cluster index given the i-cluster index.
157  *
158  * \tparam    layout            The pair-list layout
159  * \tparam    jSubClusterIndex  The j-sub-cluster index (0/1), used when size(j-cluster) <
160  * size(i-cluster) \param[in] ci                The i-cluster index
161  */
162 template<NbnxnLayout layout, int jSubClusterIndex>
163 static inline int cjFromCi(int ci)
164 {
165     constexpr int clusterSize = jClusterSize<layout>();
166
167     return cjFromCi<clusterSize, jSubClusterIndex>(ci);
168 }
169
170 /* Returns the nbnxn coordinate data index given the i-cluster index */
171 template<NbnxnLayout layout>
172 static inline int xIndexFromCi(int ci)
173 {
174     constexpr int clusterSize = jClusterSize<layout>();
175
176     static_assert(clusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize / 2 || clusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize
177                           || clusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize * 2,
178                   "Only j-cluster sizes 2, 4 and 8 are currently implemented");
179
180     if (clusterSize <= c_nbnxnCpuIClusterSize)
181     {
182         /* Coordinates are stored packed in groups of 4 */
183         return ci * STRIDE_P4;
184     }
185     else
186     {
187         /* Coordinates packed in 8, i-cluster size is half the packing width */
188         return (ci >> 1) * STRIDE_P8 + (ci & 1) * (c_packX8 >> 1);
189     }
190 }
191
192 /* Returns the nbnxn coordinate data index given the j-cluster index */
193 template<NbnxnLayout layout>
194 static inline int xIndexFromCj(int cj)
195 {
196     constexpr int clusterSize = jClusterSize<layout>();
197
198     static_assert(clusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize / 2 || clusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize
199                           || clusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize * 2,
200                   "Only j-cluster sizes 2, 4 and 8 are currently implemented");
201
202     if (clusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize / 2)
203     {
204         /* Coordinates are stored packed in groups of 4 */
205         return (cj >> 1) * STRIDE_P4 + (cj & 1) * (c_packX4 >> 1);
206     }
207     else if (clusterSize == c_nbnxnCpuIClusterSize)
208     {
209         /* Coordinates are stored packed in groups of 4 */
210         return cj * STRIDE_P4;
211     }
212     else
213     {
214         /* Coordinates are stored packed in groups of 8 */
215         return cj * STRIDE_P8;
216     }
217 }
218 #endif // defined(GMX_NBNXN_SIMD_4XN) || defined(GMX_NBNXN_SIMD_2XNN)
219
220
221 void nbnxn_init_pairlist_fep(t_nblist* nl)
222 {
223     nl->type      = GMX_NBLIST_INTERACTION_FREE_ENERGY;
224     nl->igeometry = GMX_NBLIST_GEOMETRY_PARTICLE_PARTICLE;
225     /* The interaction functions are set in the free energy kernel fuction */
226     nl->ivdw     = -1;
227     nl->ivdwmod  = -1;
228     nl->ielec    = -1;
229     nl->ielecmod = -1;
230
231     nl->maxnri   = 0;
232     nl->maxnrj   = 0;
233     nl->nri      = 0;
234     nl->nrj      = 0;
235     nl->iinr     = nullptr;
236     nl->gid      = nullptr;
237     nl->shift    = nullptr;
238     nl->jindex   = nullptr;
239     nl->jjnr     = nullptr;
240     nl->excl_fep = nullptr;
241 }
242
243 static constexpr int sizeNeededForBufferFlags(const int numAtoms)
244 {
245     return (numAtoms + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE - 1) / NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE;
246 }
247
248 // Resets current flags to 0 and adds more flags if needed.
249 static void resizeAndZeroBufferFlags(std::vector<gmx_bitmask_t>* flags, const int numAtoms)
250 {
251     flags->clear();
252     flags->resize(sizeNeededForBufferFlags(numAtoms), gmx_bitmask_t{ 0 });
253 }
254
255
256 /* Returns the pair-list cutoff between a bounding box and a grid cell given an atom-to-atom pair-list cutoff
257  *
258  * Given a cutoff distance between atoms, this functions returns the cutoff
259  * distance2 between a bounding box of a group of atoms and a grid cell.
260  * Since atoms can be geometrically outside of the cell they have been
261  * assigned to (when atom groups instead of individual atoms are assigned
262  * to cells), this distance returned can be larger than the input.
263  */
264 static real listRangeForBoundingBoxToGridCell(real rlist, const Grid::Dimensions& gridDims)
265 {
266     return rlist + gridDims.maxAtomGroupRadius;
267 }
268 /* Returns the pair-list cutoff between a grid cells given an atom-to-atom pair-list cutoff
269  *
270  * Given a cutoff distance between atoms, this functions returns the cutoff
271  * distance2 between two grid cells.
272  * Since atoms can be geometrically outside of the cell they have been
273  * assigned to (when atom groups instead of individual atoms are assigned
274  * to cells), this distance returned can be larger than the input.
275  */
276 static real listRangeForGridCellToGridCell(real                    rlist,
277                                            const Grid::Dimensions& iGridDims,
278                                            const Grid::Dimensions& jGridDims)
279 {
280     return rlist + iGridDims.maxAtomGroupRadius + jGridDims.maxAtomGroupRadius;
281 }
282
283 /* Determines the cell range along one dimension that
284  * the bounding box b0 - b1 sees.
285  */
286 template<int dim>
287 static void
288 get_cell_range(real b0, real b1, const Grid::Dimensions& jGridDims, real d2, real rlist, int* cf, int* cl)
289 {
290     real listRangeBBToCell2 = gmx::square(listRangeForBoundingBoxToGridCell(rlist, jGridDims));
291     real distanceInCells    = (b0 - jGridDims.lowerCorner[dim]) * jGridDims.invCellSize[dim];
292     *cf                     = std::max(static_cast<int>(distanceInCells), 0);
293
294     while (*cf > 0
295            && d2 + gmx::square((b0 - jGridDims.lowerCorner[dim]) - (*cf - 1 + 1) * jGridDims.cellSize[dim])
296                       < listRangeBBToCell2)
297     {
298         (*cf)--;
299     }
300
301     *cl = std::min(static_cast<int>((b1 - jGridDims.lowerCorner[dim]) * jGridDims.invCellSize[dim]),
302                    jGridDims.numCells[dim] - 1);
303     while (*cl < jGridDims.numCells[dim] - 1
304            && d2 + gmx::square((*cl + 1) * jGridDims.cellSize[dim] - (b1 - jGridDims.lowerCorner[dim]))
305                       < listRangeBBToCell2)
306     {
307         (*cl)++;
308     }
309 }
310
311 /* Reference code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
312 /*
313    static float box_dist2(float bx0, float bx1, float by0,
314                        float by1, float bz0, float bz1,
315                        const BoundingBox *bb)
316    {
317     float d2;
318     float dl, dh, dm, dm0;
319
320     d2 = 0;
321
322     dl  = bx0 - bb->upper.x;
323     dh  = bb->lower.x - bx1;
324     dm  = std::max(dl, dh);
325     dm0 = std::max(dm, 0.0f);
326     d2 += dm0*dm0;
327
328     dl  = by0 - bb->upper.y;
329     dh  = bb->lower.y - by1;
330     dm  = std::max(dl, dh);
331     dm0 = std::max(dm, 0.0f);
332     d2 += dm0*dm0;
333
334     dl  = bz0 - bb->upper.z;
335     dh  = bb->lower.z - bz1;
336     dm  = std::max(dl, dh);
337     dm0 = std::max(dm, 0.0f);
338     d2 += dm0*dm0;
339
340     return d2;
341    }
342  */
343
344 #if !NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
345
346 /*! \brief Plain C code calculating the distance^2 between two bounding boxes in xyz0 format
347  *
348  * \param[in] bb_i  First bounding box
349  * \param[in] bb_j  Second bounding box
350  */
351 static float clusterBoundingBoxDistance2(const BoundingBox& bb_i, const BoundingBox& bb_j)
352 {
353     float dl  = bb_i.lower.x - bb_j.upper.x;
354     float dh  = bb_j.lower.x - bb_i.upper.x;
355     float dm  = std::max(dl, dh);
356     float dm0 = std::max(dm, 0.0F);
357     float d2  = dm0 * dm0;
358
359     dl  = bb_i.lower.y - bb_j.upper.y;
360     dh  = bb_j.lower.y - bb_i.upper.y;
361     dm  = std::max(dl, dh);
362     dm0 = std::max(dm, 0.0F);
363     d2 += dm0 * dm0;
364
365     dl  = bb_i.lower.z - bb_j.upper.z;
366     dh  = bb_j.lower.z - bb_i.upper.z;
367     dm  = std::max(dl, dh);
368     dm0 = std::max(dm, 0.0F);
369     d2 += dm0 * dm0;
370
371     return d2;
372 }
373
374 #else /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
375
376 /*! \brief 4-wide SIMD code calculating the distance^2 between two bounding boxes in xyz0 format
377  *
378  * \param[in] bb_i  First bounding box, should be aligned for 4-wide SIMD
379  * \param[in] bb_j  Second bounding box, should be aligned for 4-wide SIMD
380  */
381 static float clusterBoundingBoxDistance2(const BoundingBox& bb_i, const BoundingBox& bb_j)
382 {
383     // TODO: During SIMDv2 transition only some archs use namespace (remove when done)
384     using namespace gmx;
385
386     const Simd4Float bb_i_S0 = load4(bb_i.lower.ptr());
387     const Simd4Float bb_i_S1 = load4(bb_i.upper.ptr());
388     const Simd4Float bb_j_S0 = load4(bb_j.lower.ptr());
389     const Simd4Float bb_j_S1 = load4(bb_j.upper.ptr());
390
391     const Simd4Float dl_S = bb_i_S0 - bb_j_S1;
392     const Simd4Float dh_S = bb_j_S0 - bb_i_S1;
393
394     const Simd4Float dm_S  = max(dl_S, dh_S);
395     const Simd4Float dm0_S = max(dm_S, simd4SetZeroF());
396
397     return dotProduct(dm0_S, dm0_S);
398 }
399
400 /* Calculate bb bounding distances of bb_i[si,...,si+3] and store them in d2 */
401 template<int boundingBoxStart>
402 static inline void gmx_simdcall clusterBoundingBoxDistance2_xxxx_simd4_inner(const float*     bb_i,
403                                                                              float*           d2,
404                                                                              const Simd4Float xj_l,
405                                                                              const Simd4Float yj_l,
406                                                                              const Simd4Float zj_l,
407                                                                              const Simd4Float xj_h,
408                                                                              const Simd4Float yj_h,
409                                                                              const Simd4Float zj_h)
410 {
411     constexpr int stride = c_packedBoundingBoxesDimSize;
412
413     const int shi = boundingBoxStart * Nbnxm::c_numBoundingBoxBounds1D * DIM;
414
415     const Simd4Float zero = setZero();
416
417     const Simd4Float xi_l = load4(bb_i + shi + 0 * stride);
418     const Simd4Float yi_l = load4(bb_i + shi + 1 * stride);
419     const Simd4Float zi_l = load4(bb_i + shi + 2 * stride);
420     const Simd4Float xi_h = load4(bb_i + shi + 3 * stride);
421     const Simd4Float yi_h = load4(bb_i + shi + 4 * stride);
422     const Simd4Float zi_h = load4(bb_i + shi + 5 * stride);
423
424     const Simd4Float dx_0 = xi_l - xj_h;
425     const Simd4Float dy_0 = yi_l - yj_h;
426     const Simd4Float dz_0 = zi_l - zj_h;
427
428     const Simd4Float dx_1 = xj_l - xi_h;
429     const Simd4Float dy_1 = yj_l - yi_h;
430     const Simd4Float dz_1 = zj_l - zi_h;
431
432     const Simd4Float mx = max(dx_0, dx_1);
433     const Simd4Float my = max(dy_0, dy_1);
434     const Simd4Float mz = max(dz_0, dz_1);
435
436     const Simd4Float m0x = max(mx, zero);
437     const Simd4Float m0y = max(my, zero);
438     const Simd4Float m0z = max(mz, zero);
439
440     const Simd4Float d2x = m0x * m0x;
441     const Simd4Float d2y = m0y * m0y;
442     const Simd4Float d2z = m0z * m0z;
443
444     const Simd4Float d2s = d2x + d2y;
445     const Simd4Float d2t = d2s + d2z;
446
447     store4(d2 + boundingBoxStart, d2t);
448 }
449
450 /* 4-wide SIMD code for nsi bb distances for bb format xxxxyyyyzzzz */
451 static void clusterBoundingBoxDistance2_xxxx_simd4(const float* bb_j, const int nsi, const float* bb_i, float* d2)
452 {
453     constexpr int stride = c_packedBoundingBoxesDimSize;
454
455     // TODO: During SIMDv2 transition only some archs use namespace (remove when done)
456     using namespace gmx;
457
458     const Simd4Float xj_l = Simd4Float(bb_j[0 * stride]);
459     const Simd4Float yj_l = Simd4Float(bb_j[1 * stride]);
460     const Simd4Float zj_l = Simd4Float(bb_j[2 * stride]);
461     const Simd4Float xj_h = Simd4Float(bb_j[3 * stride]);
462     const Simd4Float yj_h = Simd4Float(bb_j[4 * stride]);
463     const Simd4Float zj_h = Simd4Float(bb_j[5 * stride]);
464
465     /* Here we "loop" over si (0,stride) from 0 to nsi with step stride.
466      * But as we know the number of iterations is 1 or 2, we unroll manually.
467      */
468     clusterBoundingBoxDistance2_xxxx_simd4_inner<0>(bb_i, d2, xj_l, yj_l, zj_l, xj_h, yj_h, zj_h);
469     if (stride < nsi)
470     {
471         clusterBoundingBoxDistance2_xxxx_simd4_inner<stride>(bb_i, d2, xj_l, yj_l, zj_l, xj_h, yj_h, zj_h);
472     }
473 }
474
475 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
476
477
478 /* Returns if any atom pair from two clusters is within distance sqrt(rlist2) */
479 static inline gmx_bool
480 clusterpair_in_range(const NbnxnPairlistGpuWork& work, int si, int csj, int stride, const real* x_j, real rlist2)
481 {
482 #if !GMX_SIMD4_HAVE_REAL
483
484     /* Plain C version.
485      * All coordinates are stored as xyzxyz...
486      */
487
488     const real* x_i = work.iSuperClusterData.x.data();
489
490     for (int i = 0; i < c_nbnxnGpuClusterSize; i++)
491     {
492         int i0 = (si * c_nbnxnGpuClusterSize + i) * DIM;
493         for (int j = 0; j < c_nbnxnGpuClusterSize; j++)
494         {
495             int j0 = (csj * c_nbnxnGpuClusterSize + j) * stride;
496
497             real d2 = gmx::square(x_i[i0] - x_j[j0]) + gmx::square(x_i[i0 + 1] - x_j[j0 + 1])
498                       + gmx::square(x_i[i0 + 2] - x_j[j0 + 2]);
499
500             if (d2 < rlist2)
501             {
502                 return TRUE;
503             }
504         }
505     }
506
507     return FALSE;
508
509 #else /* !GMX_SIMD4_HAVE_REAL */
510
511     /* 4-wide SIMD version.
512      * The coordinates x_i are stored as xxxxyyyy..., x_j is stored xyzxyz...
513      * Using 8-wide AVX(2) is not faster on Intel Sandy Bridge and Haswell.
514      */
515     static_assert(c_nbnxnGpuClusterSize == 8 || c_nbnxnGpuClusterSize == 4,
516                   "A cluster is hard-coded to 4/8 atoms.");
517
518     Simd4Real rc2_S = Simd4Real(rlist2);
519
520     const real* x_i = work.iSuperClusterData.xSimd.data();
521
522     int       dim_stride = c_nbnxnGpuClusterSize * DIM;
523     Simd4Real ix_S0      = load4(x_i + si * dim_stride + 0 * GMX_SIMD4_WIDTH);
524     Simd4Real iy_S0      = load4(x_i + si * dim_stride + 1 * GMX_SIMD4_WIDTH);
525     Simd4Real iz_S0      = load4(x_i + si * dim_stride + 2 * GMX_SIMD4_WIDTH);
526
527     Simd4Real ix_S1, iy_S1, iz_S1;
528     if (c_nbnxnGpuClusterSize == 8)
529     {
530         ix_S1 = load4(x_i + si * dim_stride + 3 * GMX_SIMD4_WIDTH);
531         iy_S1 = load4(x_i + si * dim_stride + 4 * GMX_SIMD4_WIDTH);
532         iz_S1 = load4(x_i + si * dim_stride + 5 * GMX_SIMD4_WIDTH);
533     }
534     /* We loop from the outer to the inner particles to maximize
535      * the chance that we find a pair in range quickly and return.
536      */
537     int j0 = csj * c_nbnxnGpuClusterSize;
538     int j1 = j0 + c_nbnxnGpuClusterSize - 1;
539     while (j0 < j1)
540     {
541         Simd4Real jx0_S, jy0_S, jz0_S;
542         Simd4Real jx1_S, jy1_S, jz1_S;
543
544         Simd4Real dx_S0, dy_S0, dz_S0;
545         Simd4Real dx_S1, dy_S1, dz_S1;
546         Simd4Real dx_S2, dy_S2, dz_S2;
547         Simd4Real dx_S3, dy_S3, dz_S3;
548
549         Simd4Real rsq_S0;
550         Simd4Real rsq_S1;
551         Simd4Real rsq_S2;
552         Simd4Real rsq_S3;
553
554         Simd4Bool wco_S0;
555         Simd4Bool wco_S1;
556         Simd4Bool wco_S2;
557         Simd4Bool wco_S3;
558         Simd4Bool wco_any_S01, wco_any_S23, wco_any_S;
559
560         jx0_S = Simd4Real(x_j[j0 * stride + 0]);
561         jy0_S = Simd4Real(x_j[j0 * stride + 1]);
562         jz0_S = Simd4Real(x_j[j0 * stride + 2]);
563
564         jx1_S = Simd4Real(x_j[j1 * stride + 0]);
565         jy1_S = Simd4Real(x_j[j1 * stride + 1]);
566         jz1_S = Simd4Real(x_j[j1 * stride + 2]);
567
568         /* Calculate distance */
569         dx_S0 = ix_S0 - jx0_S;
570         dy_S0 = iy_S0 - jy0_S;
571         dz_S0 = iz_S0 - jz0_S;
572         dx_S2 = ix_S0 - jx1_S;
573         dy_S2 = iy_S0 - jy1_S;
574         dz_S2 = iz_S0 - jz1_S;
575         if (c_nbnxnGpuClusterSize == 8)
576         {
577             dx_S1 = ix_S1 - jx0_S;
578             dy_S1 = iy_S1 - jy0_S;
579             dz_S1 = iz_S1 - jz0_S;
580             dx_S3 = ix_S1 - jx1_S;
581             dy_S3 = iy_S1 - jy1_S;
582             dz_S3 = iz_S1 - jz1_S;
583         }
584
585         /* rsq = dx*dx+dy*dy+dz*dz */
586         rsq_S0 = norm2(dx_S0, dy_S0, dz_S0);
587         rsq_S2 = norm2(dx_S2, dy_S2, dz_S2);
588         if (c_nbnxnGpuClusterSize == 8)
589         {
590             rsq_S1 = norm2(dx_S1, dy_S1, dz_S1);
591             rsq_S3 = norm2(dx_S3, dy_S3, dz_S3);
592         }
593
594         wco_S0 = (rsq_S0 < rc2_S);
595         wco_S2 = (rsq_S2 < rc2_S);
596         if (c_nbnxnGpuClusterSize == 8)
597         {
598             wco_S1 = (rsq_S1 < rc2_S);
599             wco_S3 = (rsq_S3 < rc2_S);
600         }
601         if (c_nbnxnGpuClusterSize == 8)
602         {
603             wco_any_S01 = wco_S0 || wco_S1;
604             wco_any_S23 = wco_S2 || wco_S3;
605             wco_any_S   = wco_any_S01 || wco_any_S23;
606         }
607         else
608         {
609             wco_any_S = wco_S0 || wco_S2;
610         }
611
612         if (anyTrue(wco_any_S))
613         {
614             return TRUE;
615         }
616
617         j0++;
618         j1--;
619     }
620
621     return FALSE;
622
623 #endif /* !GMX_SIMD4_HAVE_REAL */
624 }
625
626 /* Returns the j-cluster index for index cjIndex in a cj list */
627 static inline int nblCj(gmx::ArrayRef<const nbnxn_cj_t> cjList, int cjIndex)
628 {
629     return cjList[cjIndex].cj;
630 }
631
632 /* Returns the j-cluster index for index cjIndex in a cj4 list */
633 static inline int nblCj(gmx::ArrayRef<const nbnxn_cj4_t> cj4List, int cjIndex)
634 {
635     return cj4List[cjIndex / c_nbnxnGpuJgroupSize].cj[cjIndex & (c_nbnxnGpuJgroupSize - 1)];
636 }
637
638 /* Returns the i-interaction mask of the j sub-cell for index cj_ind */
639 static unsigned int nbl_imask0(const NbnxnPairlistGpu* nbl, int cj_ind)
640 {
641     return nbl->cj4[cj_ind / c_nbnxnGpuJgroupSize].imei[0].imask;
642 }
643
644 NbnxnPairlistCpu::NbnxnPairlistCpu() :
645     na_ci(c_nbnxnCpuIClusterSize),
646     na_cj(0),
647     rlist(0),
648     ncjInUse(0),
649     nci_tot(0),
650     work(std::make_unique<NbnxnPairlistCpuWork>())
651 {
652 }
653
654 NbnxnPairlistGpu::NbnxnPairlistGpu(gmx::PinningPolicy pinningPolicy) :
655     na_ci(c_nbnxnGpuClusterSize),
656     na_cj(c_nbnxnGpuClusterSize),
657     na_sc(c_gpuNumClusterPerCell * c_nbnxnGpuClusterSize),
658     rlist(0),
659     sci({}, { pinningPolicy }),
660     cj4({}, { pinningPolicy }),
661     excl({}, { pinningPolicy }),
662     nci_tot(0),
663     work(std::make_unique<NbnxnPairlistGpuWork>())
664 {
665     static_assert(c_nbnxnGpuNumClusterPerSupercluster == c_gpuNumClusterPerCell,
666                   "The search code assumes that the a super-cluster matches a search grid cell");
667
668     static_assert(sizeof(cj4[0].imei[0].imask) * 8 >= c_nbnxnGpuJgroupSize * c_gpuNumClusterPerCell,
669                   "The i super-cluster cluster interaction mask does not contain a sufficient "
670                   "number of bits");
671
672     static_assert(sizeof(excl[0]) * 8 >= c_nbnxnGpuJgroupSize * c_gpuNumClusterPerCell,
673                   "The GPU exclusion mask does not contain a sufficient number of bits");
674
675     // We always want a first entry without any exclusions
676     excl.resize(1);
677 }
678
679 // TODO: Move to pairlistset.cpp
680 PairlistSet::PairlistSet(const InteractionLocality locality, const PairlistParams& pairlistParams) :
681     locality_(locality),
682     params_(pairlistParams)
683 {
684     isCpuType_ = (params_.pairlistType == PairlistType::Simple4x2
685                   || params_.pairlistType == PairlistType::Simple4x4
686                   || params_.pairlistType == PairlistType::Simple4x8);
687     // Currently GPU lists are always combined
688     combineLists_ = !isCpuType_;
689
690     const int numLists = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
691
692     if (!combineLists_ && numLists > NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS)
693     {
694         gmx_fatal(FARGS,
695                   "%d OpenMP threads were requested. Since the non-bonded force buffer reduction "
696                   "is prohibitively slow with more than %d threads, we do not allow this. Use %d "
697                   "or less OpenMP threads.",
698                   numLists, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS);
699     }
700
701     if (isCpuType_)
702     {
703         cpuLists_.resize(numLists);
704         if (numLists > 1)
705         {
706             cpuListsWork_.resize(numLists);
707         }
708     }
709     else
710     {
711         /* Only list 0 is used on the GPU, use normal allocation for i>0 */
712         gpuLists_.emplace_back(gmx::PinningPolicy::PinnedIfSupported);
713         /* Lists 0 to numLists are use for constructing lists in parallel
714          * on the CPU using numLists threads (and then merged into list 0).
715          */
716         for (int i = 1; i < numLists; i++)
717         {
718             gpuLists_.emplace_back(gmx::PinningPolicy::CannotBePinned);
719         }
720     }
721     if (params_.haveFep)
722     {
723         fepLists_.resize(numLists);
724
725         /* Execute in order to avoid memory interleaving between threads */
726 #pragma omp parallel for num_threads(numLists) schedule(static)
727         for (int i = 0; i < numLists; i++)
728         {
729             try
730             {
731                 /* We used to allocate all normal lists locally on each thread
732                  * as well. The question is if allocating the object on the
733                  * master thread (but all contained list memory thread local)
734                  * impacts performance.
735                  */
736                 fepLists_[i] = std::make_unique<t_nblist>();
737                 nbnxn_init_pairlist_fep(fepLists_[i].get());
738             }
739             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
740         }
741     }
742 }
743
744 /* Print statistics of a pair list, used for debug output */
745 static void print_nblist_statistics(FILE*                   fp,
746                                     const NbnxnPairlistCpu& nbl,
747                                     const Nbnxm::GridSet&   gridSet,
748                                     const real              rl)
749 {
750     const Grid&             grid = gridSet.grids()[0];
751     const Grid::Dimensions& dims = grid.dimensions();
752
753     fprintf(fp, "nbl nci %zu ncj %d\n", nbl.ci.size(), nbl.ncjInUse);
754     const int numAtomsJCluster = grid.geometry().numAtomsJCluster;
755     const double numAtomsPerCell = nbl.ncjInUse / static_cast<double>(grid.numCells()) * numAtomsJCluster;
756     fprintf(fp, "nbl na_cj %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n", nbl.na_cj, rl,
757             nbl.ncjInUse, nbl.ncjInUse / static_cast<double>(grid.numCells()), numAtomsPerCell,
758             numAtomsPerCell
759                     / (0.5 * 4.0 / 3.0 * M_PI * rl * rl * rl * grid.numCells() * numAtomsJCluster
760                        / (dims.gridSize[XX] * dims.gridSize[YY] * dims.gridSize[ZZ])));
761
762     fprintf(fp, "nbl average j cell list length %.1f\n",
763             0.25 * nbl.ncjInUse / std::max(static_cast<double>(nbl.ci.size()), 1.0));
764
765     int cs[SHIFTS] = { 0 };
766     int npexcl     = 0;
767     for (const nbnxn_ci_t& ciEntry : nbl.ci)
768     {
769         cs[ciEntry.shift & NBNXN_CI_SHIFT] += ciEntry.cj_ind_end - ciEntry.cj_ind_start;
770
771         int j = ciEntry.cj_ind_start;
772         while (j < ciEntry.cj_ind_end && nbl.cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
773         {
774             npexcl++;
775             j++;
776         }
777     }
778     fprintf(fp, "nbl cell pairs, total: %zu excl: %d %.1f%%\n", nbl.cj.size(), npexcl,
779             100 * npexcl / std::max(static_cast<double>(nbl.cj.size()), 1.0));
780     for (int s = 0; s < SHIFTS; s++)
781     {
782         if (cs[s] > 0)
783         {
784             fprintf(fp, "nbl shift %2d ncj %3d\n", s, cs[s]);
785         }
786     }
787 }
788
789 /* Print statistics of a pair lists, used for debug output */
790 static void print_nblist_statistics(FILE*                   fp,
791                                     const NbnxnPairlistGpu& nbl,
792                                     const Nbnxm::GridSet&   gridSet,
793                                     const real              rl)
794 {
795     const Grid&             grid = gridSet.grids()[0];
796     const Grid::Dimensions& dims = grid.dimensions();
797
798     fprintf(fp, "nbl nsci %zu ncj4 %zu nsi %d excl4 %zu\n", nbl.sci.size(), nbl.cj4.size(),
799             nbl.nci_tot, nbl.excl.size());
800     const int numAtomsCluster = grid.geometry().numAtomsICluster;
801     const double numAtomsPerCell = nbl.nci_tot / static_cast<double>(grid.numClusters()) * numAtomsCluster;
802     fprintf(fp, "nbl na_c %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n", nbl.na_ci, rl,
803             nbl.nci_tot, nbl.nci_tot / static_cast<double>(grid.numClusters()), numAtomsPerCell,
804             numAtomsPerCell
805                     / (0.5 * 4.0 / 3.0 * M_PI * rl * rl * rl * grid.numClusters() * numAtomsCluster
806                        / (dims.gridSize[XX] * dims.gridSize[YY] * dims.gridSize[ZZ])));
807
808     double sum_nsp                       = 0;
809     double sum_nsp2                      = 0;
810     int    nsp_max                       = 0;
811     int    c[c_gpuNumClusterPerCell + 1] = { 0 };
812     for (const nbnxn_sci_t& sci : nbl.sci)
813     {
814         int nsp = 0;
815         for (int j4 = sci.cj4_ind_start; j4 < sci.cj4_ind_end; j4++)
816         {
817             for (int j = 0; j < c_nbnxnGpuJgroupSize; j++)
818             {
819                 int b = 0;
820                 for (int si = 0; si < c_gpuNumClusterPerCell; si++)
821                 {
822                     if (nbl.cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j * c_gpuNumClusterPerCell + si)))
823                     {
824                         b++;
825                     }
826                 }
827                 nsp += b;
828                 c[b]++;
829             }
830         }
831         sum_nsp += nsp;
832         sum_nsp2 += nsp * nsp;
833         nsp_max = std::max(nsp_max, nsp);
834     }
835     if (!nbl.sci.empty())
836     {
837         sum_nsp /= nbl.sci.size();
838         sum_nsp2 /= nbl.sci.size();
839     }
840     fprintf(fp, "nbl #cluster-pairs: av %.1f stddev %.1f max %d\n", sum_nsp,
841             std::sqrt(sum_nsp2 - sum_nsp * sum_nsp), nsp_max);
842
843     if (!nbl.cj4.empty())
844     {
845         for (int b = 0; b <= c_gpuNumClusterPerCell; b++)
846         {
847             fprintf(fp, "nbl j-list #i-subcell %d %7d %4.1f\n", b, c[b],
848                     100.0 * c[b] / size_t{ nbl.cj4.size() * c_nbnxnGpuJgroupSize });
849         }
850     }
851 }
852
853 /* Returns a reference to the exclusion mask for j-cluster-group \p cj4 and warp \p warp
854  * Generates a new exclusion entry when the j-cluster-group uses
855  * the default all-interaction mask at call time, so the returned mask
856  * can be modified when needed.
857  */
858 static nbnxn_excl_t& get_exclusion_mask(NbnxnPairlistGpu* nbl, int cj4, int warp)
859 {
860     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
861     {
862         /* No exclusions set, make a new list entry */
863         const size_t oldSize = nbl->excl.size();
864         GMX_ASSERT(oldSize >= 1, "We should always have entry [0]");
865         /* Add entry with default values: no exclusions */
866         nbl->excl.resize(oldSize + 1);
867         nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind = oldSize;
868     }
869
870     return nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
871 }
872
873 /* Sets self exclusions and excludes half of the double pairs in the self cluster-pair \p nbl->cj4[cj4Index].cj[jOffsetInGroup]
874  *
875  * \param[in,out] nbl             The cluster pair list
876  * \param[in]     cj4Index        The j-cluster group index into \p nbl->cj4
877  * \param[in]     jOffsetInGroup  The j-entry offset in \p nbl->cj4[cj4Index]
878  * \param[in]     iClusterInCell  The i-cluster index in the cell
879  */
880 static void setSelfAndNewtonExclusionsGpu(NbnxnPairlistGpu* nbl,
881                                           const int         cj4Index,
882                                           const int         jOffsetInGroup,
883                                           const int         iClusterInCell)
884 {
885     constexpr int numJatomsPerPart = c_nbnxnGpuClusterSize / c_nbnxnGpuClusterpairSplit;
886
887     /* The exclusions are stored separately for each part of the split */
888     for (int part = 0; part < c_nbnxnGpuClusterpairSplit; part++)
889     {
890         const int jOffset = part * numJatomsPerPart;
891         /* Make a new exclusion mask entry for each part, if we don't already have one yet */
892         nbnxn_excl_t& excl = get_exclusion_mask(nbl, cj4Index, part);
893
894         /* Set all bits with j-index <= i-index */
895         for (int jIndexInPart = 0; jIndexInPart < numJatomsPerPart; jIndexInPart++)
896         {
897             for (int i = jOffset + jIndexInPart; i < c_nbnxnGpuClusterSize; i++)
898             {
899                 excl.pair[jIndexInPart * c_nbnxnGpuClusterSize + i] &=
900                         ~(1U << (jOffsetInGroup * c_gpuNumClusterPerCell + iClusterInCell));
901             }
902         }
903     }
904 }
905
906 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for plain C lists */
907 static unsigned int get_imask(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
908 {
909     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
910 }
911
912 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=2 */
913 gmx_unused static unsigned int get_imask_simd_j2(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
914 {
915     return (rdiag && ci * 2 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_0
916                                   : (rdiag && ci * 2 + 1 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_1
917                                                                : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
918 }
919
920 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=4 */
921 gmx_unused static unsigned int get_imask_simd_j4(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
922 {
923     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
924 }
925
926 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=8 */
927 gmx_unused static unsigned int get_imask_simd_j8(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
928 {
929     return (rdiag && ci == cj * 2 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_0
930                                   : (rdiag && ci == cj * 2 + 1 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_1
931                                                                : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
932 }
933
934 #if GMX_SIMD
935 #    if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
936 #        define get_imask_simd_4xn get_imask_simd_j2
937 #    endif
938 #    if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 4
939 #        define get_imask_simd_4xn get_imask_simd_j4
940 #    endif
941 #    if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 8
942 #        define get_imask_simd_4xn get_imask_simd_j8
943 #        define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j4
944 #    endif
945 #    if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 16
946 #        define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j8
947 #    endif
948 #endif
949
950 /* Plain C code for checking and adding cluster-pairs to the list.
951  *
952  * \param[in]     gridj               The j-grid
953  * \param[in,out] nbl                 The pair-list to store the cluster pairs in
954  * \param[in]     icluster            The index of the i-cluster
955  * \param[in]     jclusterFirst       The first cluster in the j-range
956  * \param[in]     jclusterLast        The last cluster in the j-range
957  * \param[in]     excludeSubDiagonal  Exclude atom pairs with i-index > j-index
958  * \param[in]     x_j                 Coordinates for the j-atom, in xyz format
959  * \param[in]     rlist2              The squared list cut-off
960  * \param[in]     rbb2                The squared cut-off for putting cluster-pairs in the list based on bounding box distance only
961  * \param[in,out] numDistanceChecks   The number of distance checks performed
962  */
963 static void makeClusterListSimple(const Grid&       jGrid,
964                                   NbnxnPairlistCpu* nbl,
965                                   int               icluster,
966                                   int               jclusterFirst,
967                                   int               jclusterLast,
968                                   bool              excludeSubDiagonal,
969                                   const real* gmx_restrict x_j,
970                                   real                     rlist2,
971                                   float                    rbb2,
972                                   int* gmx_restrict numDistanceChecks)
973 {
974     const BoundingBox* gmx_restrict bb_ci = nbl->work->iClusterData.bb.data();
975     const real* gmx_restrict x_ci         = nbl->work->iClusterData.x.data();
976
977     gmx_bool InRange;
978
979     InRange = FALSE;
980     while (!InRange && jclusterFirst <= jclusterLast)
981     {
982         real d2 = clusterBoundingBoxDistance2(bb_ci[0], jGrid.jBoundingBoxes()[jclusterFirst]);
983         *numDistanceChecks += 2;
984
985         /* Check if the distance is within the distance where
986          * we use only the bounding box distance rbb,
987          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
988          * within the cut-off.
989          */
990         if (d2 < rbb2)
991         {
992             InRange = TRUE;
993         }
994         else if (d2 < rlist2)
995         {
996             int cjf_gl = jGrid.cellOffset() + jclusterFirst;
997             for (int i = 0; i < c_nbnxnCpuIClusterSize && !InRange; i++)
998             {
999                 for (int j = 0; j < c_nbnxnCpuIClusterSize; j++)
1000                 {
1001                     InRange =
1002                             InRange
1003                             || (gmx::square(x_ci[i * STRIDE_XYZ + XX]
1004                                             - x_j[(cjf_gl * c_nbnxnCpuIClusterSize + j) * STRIDE_XYZ + XX])
1005                                         + gmx::square(x_ci[i * STRIDE_XYZ + YY]
1006                                                       - x_j[(cjf_gl * c_nbnxnCpuIClusterSize + j) * STRIDE_XYZ + YY])
1007                                         + gmx::square(x_ci[i * STRIDE_XYZ + ZZ]
1008                                                       - x_j[(cjf_gl * c_nbnxnCpuIClusterSize + j) * STRIDE_XYZ + ZZ])
1009                                 < rlist2);
1010                 }
1011             }
1012             *numDistanceChecks += c_nbnxnCpuIClusterSize * c_nbnxnCpuIClusterSize;
1013         }
1014         if (!InRange)
1015         {
1016             jclusterFirst++;
1017         }
1018     }
1019     if (!InRange)
1020     {
1021         return;
1022     }
1023
1024     InRange = FALSE;
1025     while (!InRange && jclusterLast > jclusterFirst)
1026     {
1027         real d2 = clusterBoundingBoxDistance2(bb_ci[0], jGrid.jBoundingBoxes()[jclusterLast]);
1028         *numDistanceChecks += 2;
1029
1030         /* Check if the distance is within the distance where
1031          * we use only the bounding box distance rbb,
1032          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
1033          * within the cut-off.
1034          */
1035         if (d2 < rbb2)
1036         {
1037             InRange = TRUE;
1038         }
1039         else if (d2 < rlist2)
1040         {
1041             int cjl_gl = jGrid.cellOffset() + jclusterLast;
1042             for (int i = 0; i < c_nbnxnCpuIClusterSize && !InRange; i++)
1043             {
1044                 for (int j = 0; j < c_nbnxnCpuIClusterSize; j++)
1045                 {
1046                     InRange =
1047                             InRange
1048                             || (gmx::square(x_ci[i * STRIDE_XYZ + XX]
1049                                             - x_j[(cjl_gl * c_nbnxnCpuIClusterSize + j) * STRIDE_XYZ + XX])
1050                                         + gmx::square(x_ci[i * STRIDE_XYZ + YY]
1051                                                       - x_j[(cjl_gl * c_nbnxnCpuIClusterSize + j) * STRIDE_XYZ + YY])
1052                                         + gmx::square(x_ci[i * STRIDE_XYZ + ZZ]
1053                                                       - x_j[(cjl_gl * c_nbnxnCpuIClusterSize + j) * STRIDE_XYZ + ZZ])
1054                                 < rlist2);
1055                 }
1056             }
1057             *numDistanceChecks += c_nbnxnCpuIClusterSize * c_nbnxnCpuIClusterSize;
1058         }
1059         if (!InRange)
1060         {
1061             jclusterLast--;
1062         }
1063     }
1064
1065     if (jclusterFirst <= jclusterLast)
1066     {
1067         for (int jcluster = jclusterFirst; jcluster <= jclusterLast; jcluster++)
1068         {
1069             /* Store cj and the interaction mask */
1070             nbnxn_cj_t cjEntry;
1071             cjEntry.cj   = jGrid.cellOffset() + jcluster;
1072             cjEntry.excl = get_imask(excludeSubDiagonal, icluster, jcluster);
1073             nbl->cj.push_back(cjEntry);
1074         }
1075         /* Increase the closing index in the i list */
1076         nbl->ci.back().cj_ind_end = nbl->cj.size();
1077     }
1078 }
1079
1080 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1081 #    include "pairlist_simd_4xm.h"
1082 #endif
1083 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1084 #    include "pairlist_simd_2xmm.h"
1085 #endif
1086
1087 /* Plain C or SIMD4 code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
1088  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
1089  */
1090 static void make_cluster_list_supersub(const Grid&       iGrid,
1091                                        const Grid&       jGrid,
1092                                        NbnxnPairlistGpu* nbl,
1093                                        const int         sci,
1094                                        const int         scj,
1095                                        const bool        excludeSubDiagonal,
1096                                        const int         stride,
1097                                        const real*       x,
1098                                        const real        rlist2,
1099                                        const float       rbb2,
1100                                        int*              numDistanceChecks)
1101 {
1102     NbnxnPairlistGpuWork& work = *nbl->work;
1103
1104 #if NBNXN_BBXXXX
1105     const float* pbb_ci = work.iSuperClusterData.bbPacked.data();
1106 #else
1107     const BoundingBox* bb_ci = work.iSuperClusterData.bb.data();
1108 #endif
1109
1110     assert(c_nbnxnGpuClusterSize == iGrid.geometry().numAtomsICluster);
1111     assert(c_nbnxnGpuClusterSize == jGrid.geometry().numAtomsICluster);
1112
1113     /* We generate the pairlist mainly based on bounding-box distances
1114      * and do atom pair distance based pruning on the GPU.
1115      * Only if a j-group contains a single cluster-pair, we try to prune
1116      * that pair based on atom distances on the CPU to avoid empty j-groups.
1117      */
1118 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE 1
1119 #define PRUNE_LIST_CPU_ALL 0
1120
1121 #if PRUNE_LIST_CPU_ONE
1122     int ci_last = -1;
1123 #endif
1124
1125     float* d2l = work.distanceBuffer.data();
1126
1127     for (int subc = 0; subc < jGrid.numClustersPerCell()[scj]; subc++)
1128     {
1129         const int cj4_ind   = work.cj_ind / c_nbnxnGpuJgroupSize;
1130         const int cj_offset = work.cj_ind - cj4_ind * c_nbnxnGpuJgroupSize;
1131         const int cj        = scj * c_gpuNumClusterPerCell + subc;
1132
1133         const int cj_gl = jGrid.cellOffset() * c_gpuNumClusterPerCell + cj;
1134
1135         int ci1;
1136         if (excludeSubDiagonal && sci == scj)
1137         {
1138             ci1 = subc + 1;
1139         }
1140         else
1141         {
1142             ci1 = iGrid.numClustersPerCell()[sci];
1143         }
1144
1145 #if NBNXN_BBXXXX
1146         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SIMD4 */
1147         const int offset = packedBoundingBoxesIndex(cj) + (cj & (c_packedBoundingBoxesDimSize - 1));
1148         clusterBoundingBoxDistance2_xxxx_simd4(jGrid.packedBoundingBoxes().data() + offset, ci1,
1149                                                pbb_ci, d2l);
1150         *numDistanceChecks += c_nbnxnGpuClusterSize * 2;
1151 #endif
1152
1153         int          npair = 0;
1154         unsigned int imask = 0;
1155         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
1156         for (int ci = 0; ci < c_gpuNumClusterPerCell; ci++)
1157         {
1158             if (ci == ci1)
1159             {
1160                 break;
1161             }
1162
1163 #if !NBNXN_BBXXXX
1164             /* Determine the bb distance between ci and cj */
1165             d2l[ci] = clusterBoundingBoxDistance2(bb_ci[ci], jGrid.jBoundingBoxes()[cj]);
1166             *numDistanceChecks += 2;
1167 #endif
1168             float d2 = d2l[ci];
1169
1170 #if PRUNE_LIST_CPU_ALL
1171             /* Check if the distance is within the distance where
1172              * we use only the bounding box distance rbb,
1173              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
1174              * within the cut-off. This check is very costly.
1175              */
1176             *numDistanceChecks += c_nbnxnGpuClusterSize * c_nbnxnGpuClusterSize;
1177             if (d2 < rbb2 || (d2 < rlist2 && clusterpair_in_range(work, ci, cj_gl, stride, x, rlist2)))
1178 #else
1179             /* Check if the distance between the two bounding boxes
1180              * in within the pair-list cut-off.
1181              */
1182             if (d2 < rlist2)
1183 #endif
1184             {
1185                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
1186                 imask |= (1U << (cj_offset * c_gpuNumClusterPerCell + ci));
1187
1188 #if PRUNE_LIST_CPU_ONE
1189                 ci_last = ci;
1190 #endif
1191
1192                 npair++;
1193             }
1194         }
1195
1196 #if PRUNE_LIST_CPU_ONE
1197         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
1198          * within the cut-off, so we could get rid of it.
1199          */
1200         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2
1201             && !clusterpair_in_range(work, ci_last, cj_gl, stride, x, rlist2))
1202         {
1203             imask &= ~(1U << (cj_offset * c_gpuNumClusterPerCell + ci_last));
1204             npair--;
1205         }
1206 #endif
1207
1208         if (npair > 0)
1209         {
1210             /* We have at least one cluster pair: add a j-entry */
1211             if (static_cast<size_t>(cj4_ind) == nbl->cj4.size())
1212             {
1213                 nbl->cj4.resize(nbl->cj4.size() + 1);
1214             }
1215             nbnxn_cj4_t* cj4 = &nbl->cj4[cj4_ind];
1216
1217             cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
1218
1219             /* Set the exclusions for the ci==sj entry.
1220              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
1221              * as it will nearly always be in the list.
1222              */
1223             if (excludeSubDiagonal && sci == scj)
1224             {
1225                 setSelfAndNewtonExclusionsGpu(nbl, cj4_ind, cj_offset, subc);
1226             }
1227
1228             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
1229             for (int w = 0; w < c_nbnxnGpuClusterpairSplit; w++)
1230             {
1231                 cj4->imei[w].imask |= imask;
1232             }
1233
1234             nbl->work->cj_ind++;
1235
1236             /* Keep the count */
1237             nbl->nci_tot += npair;
1238
1239             /* Increase the closing index in i super-cell list */
1240             nbl->sci.back().cj4_ind_end =
1241                     (nbl->work->cj_ind + c_nbnxnGpuJgroupSize - 1) / c_nbnxnGpuJgroupSize;
1242         }
1243     }
1244 }
1245
1246 /* Returns how many contiguous j-clusters we have starting in the i-list */
1247 template<typename CjListType>
1248 static int numContiguousJClusters(const int                       cjIndexStart,
1249                                   const int                       cjIndexEnd,
1250                                   gmx::ArrayRef<const CjListType> cjList)
1251 {
1252     const int firstJCluster = nblCj(cjList, cjIndexStart);
1253
1254     int numContiguous = 0;
1255
1256     while (cjIndexStart + numContiguous < cjIndexEnd
1257            && nblCj(cjList, cjIndexStart + numContiguous) == firstJCluster + numContiguous)
1258     {
1259         numContiguous++;
1260     }
1261
1262     return numContiguous;
1263 }
1264
1265 /*! \internal
1266  * \brief Helper struct for efficient searching for excluded atoms in a j-list
1267  */
1268 struct JListRanges
1269 {
1270     /*! \brief Constructs a j-list range from \p cjList with the given index range */
1271     template<typename CjListType>
1272     JListRanges(int cjIndexStart, int cjIndexEnd, gmx::ArrayRef<const CjListType> cjList);
1273
1274     int cjIndexStart; //!< The start index in the j-list
1275     int cjIndexEnd;   //!< The end index in the j-list
1276     int cjFirst;      //!< The j-cluster with index cjIndexStart
1277     int cjLast;       //!< The j-cluster with index cjIndexEnd-1
1278     int numDirect; //!< Up to cjIndexStart+numDirect the j-clusters are cjFirst + the index offset
1279 };
1280
1281 #ifndef DOXYGEN
1282 template<typename CjListType>
1283 JListRanges::JListRanges(int cjIndexStart, int cjIndexEnd, gmx::ArrayRef<const CjListType> cjList) :
1284     cjIndexStart(cjIndexStart),
1285     cjIndexEnd(cjIndexEnd)
1286 {
1287     GMX_ASSERT(cjIndexEnd > cjIndexStart, "JListRanges should only be called with non-empty lists");
1288
1289     cjFirst = nblCj(cjList, cjIndexStart);
1290     cjLast  = nblCj(cjList, cjIndexEnd - 1);
1291
1292     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
1293      * from the first i-cell. This number can be used to directly
1294      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
1295      */
1296     numDirect = numContiguousJClusters(cjIndexStart, cjIndexEnd, cjList);
1297 }
1298 #endif // !DOXYGEN
1299
1300 /* Return the index of \p jCluster in the given range or -1 when not present
1301  *
1302  * Note: This code is executed very often and therefore performance is
1303  *       important. It should be inlined and fully optimized.
1304  */
1305 template<typename CjListType>
1306 static inline int findJClusterInJList(int                             jCluster,
1307                                       const JListRanges&              ranges,
1308                                       gmx::ArrayRef<const CjListType> cjList)
1309 {
1310     int index;
1311
1312     if (jCluster < ranges.cjFirst + ranges.numDirect)
1313     {
1314         /* We can calculate the index directly using the offset */
1315         index = ranges.cjIndexStart + jCluster - ranges.cjFirst;
1316     }
1317     else
1318     {
1319         /* Search for jCluster using bisection */
1320         index          = -1;
1321         int rangeStart = ranges.cjIndexStart + ranges.numDirect;
1322         int rangeEnd   = ranges.cjIndexEnd;
1323         int rangeMiddle;
1324         while (index == -1 && rangeStart < rangeEnd)
1325         {
1326             rangeMiddle = (rangeStart + rangeEnd) >> 1;
1327
1328             const int clusterMiddle = nblCj(cjList, rangeMiddle);
1329
1330             if (jCluster == clusterMiddle)
1331             {
1332                 index = rangeMiddle;
1333             }
1334             else if (jCluster < clusterMiddle)
1335             {
1336                 rangeEnd = rangeMiddle;
1337             }
1338             else
1339             {
1340                 rangeStart = rangeMiddle + 1;
1341             }
1342         }
1343     }
1344
1345     return index;
1346 }
1347
1348 // TODO: Get rid of the two functions below by renaming sci to ci (or something better)
1349
1350 /* Return the i-entry in the list we are currently operating on */
1351 static nbnxn_ci_t* getOpenIEntry(NbnxnPairlistCpu* nbl)
1352 {
1353     return &nbl->ci.back();
1354 }
1355
1356 /* Return the i-entry in the list we are currently operating on */
1357 static nbnxn_sci_t* getOpenIEntry(NbnxnPairlistGpu* nbl)
1358 {
1359     return &nbl->sci.back();
1360 }
1361
1362 /* Set all atom-pair exclusions for a simple type list i-entry
1363  *
1364  * Set all atom-pair exclusions from the topology stored in exclusions
1365  * as masks in the pair-list for simple list entry iEntry.
1366  */
1367 static void setExclusionsForIEntry(const Nbnxm::GridSet&   gridSet,
1368                                    NbnxnPairlistCpu*       nbl,
1369                                    gmx_bool                diagRemoved,
1370                                    int                     na_cj_2log,
1371                                    const nbnxn_ci_t&       iEntry,
1372                                    const ListOfLists<int>& exclusions)
1373 {
1374     if (iEntry.cj_ind_end == iEntry.cj_ind_start)
1375     {
1376         /* Empty list: no exclusions */
1377         return;
1378     }
1379
1380     const JListRanges ranges(iEntry.cj_ind_start, iEntry.cj_ind_end, gmx::makeConstArrayRef(nbl->cj));
1381
1382     const int iCluster = iEntry.ci;
1383
1384     gmx::ArrayRef<const int> cell        = gridSet.cells();
1385     gmx::ArrayRef<const int> atomIndices = gridSet.atomIndices();
1386
1387     /* Loop over the atoms in the i-cluster */
1388     for (int i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
1389     {
1390         const int iIndex = iCluster * nbl->na_ci + i;
1391         const int iAtom  = atomIndices[iIndex];
1392         if (iAtom >= 0)
1393         {
1394             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
1395             for (const int jAtom : exclusions[iAtom])
1396             {
1397                 if (jAtom == iAtom)
1398                 {
1399                     /* The self exclusion are already set, save some time */
1400                     continue;
1401                 }
1402
1403                 /* Get the index of the j-atom in the nbnxn atom data */
1404                 const int jIndex = cell[jAtom];
1405
1406                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
1407                  * for one-way pair-lists.
1408                  */
1409                 if (diagRemoved && jIndex <= iIndex)
1410                 {
1411                     continue;
1412                 }
1413
1414                 const int jCluster = (jIndex >> na_cj_2log);
1415
1416                 /* Could the cluster se be in our list? */
1417                 if (jCluster >= ranges.cjFirst && jCluster <= ranges.cjLast)
1418                 {
1419                     const int index =
1420                             findJClusterInJList(jCluster, ranges, gmx::makeConstArrayRef(nbl->cj));
1421
1422                     if (index >= 0)
1423                     {
1424                         /* We found an exclusion, clear the corresponding
1425                          * interaction bit.
1426                          */
1427                         const int innerJ = jIndex - (jCluster << na_cj_2log);
1428
1429                         nbl->cj[index].excl &= ~(1U << ((i << na_cj_2log) + innerJ));
1430                     }
1431                 }
1432             }
1433         }
1434     }
1435 }
1436
1437 /* Add a new i-entry to the FEP list and copy the i-properties */
1438 static inline void fep_list_new_nri_copy(t_nblist* nlist)
1439 {
1440     /* Add a new i-entry */
1441     nlist->nri++;
1442
1443     assert(nlist->nri < nlist->maxnri);
1444
1445     /* Duplicate the last i-entry, except for jindex, which continues */
1446     nlist->iinr[nlist->nri]   = nlist->iinr[nlist->nri - 1];
1447     nlist->shift[nlist->nri]  = nlist->shift[nlist->nri - 1];
1448     nlist->gid[nlist->nri]    = nlist->gid[nlist->nri - 1];
1449     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
1450 }
1451
1452 /* Rellocate FEP list for size nl->maxnri, TODO: replace by C++ */
1453 static void reallocate_nblist(t_nblist* nl)
1454 {
1455     if (gmx_debug_at)
1456     {
1457         fprintf(debug,
1458                 "reallocating neigborlist (ielec=%d, ivdw=%d, igeometry=%d, type=%d), maxnri=%d\n",
1459                 nl->ielec, nl->ivdw, nl->igeometry, nl->type, nl->maxnri);
1460     }
1461     srenew(nl->iinr, nl->maxnri);
1462     srenew(nl->gid, nl->maxnri);
1463     srenew(nl->shift, nl->maxnri);
1464     srenew(nl->jindex, nl->maxnri + 1);
1465 }
1466
1467 /* For load balancing of the free-energy lists over threads, we set
1468  * the maximum nrj size of an i-entry to 40. This leads to good
1469  * load balancing in the worst case scenario of a single perturbed
1470  * particle on 16 threads, while not introducing significant overhead.
1471  * Note that half of the perturbed pairs will anyhow end up in very small lists,
1472  * since non perturbed i-particles will see few perturbed j-particles).
1473  */
1474 const int max_nrj_fep = 40;
1475
1476 /* Exclude the perturbed pairs from the Verlet list. This is only done to avoid
1477  * singularities for overlapping particles (0/0), since the charges and
1478  * LJ parameters have been zeroed in the nbnxn data structure.
1479  * Simultaneously make a group pair list for the perturbed pairs.
1480  */
1481 static void make_fep_list(gmx::ArrayRef<const int> atomIndices,
1482                           const nbnxn_atomdata_t*  nbat,
1483                           NbnxnPairlistCpu*        nbl,
1484                           gmx_bool                 bDiagRemoved,
1485                           nbnxn_ci_t*              nbl_ci,
1486                           real gmx_unused shx,
1487                           real gmx_unused shy,
1488                           real gmx_unused shz,
1489                           real gmx_unused rlist_fep2,
1490                           const Grid&     iGrid,
1491                           const Grid&     jGrid,
1492                           t_nblist*       nlist)
1493 {
1494     int      ci, cj_ind_start, cj_ind_end, cja, cjr;
1495     int      nri_max;
1496     int      gid_i = 0, gid_j, gid;
1497     int      egp_shift, egp_mask;
1498     int      gid_cj = 0;
1499     int      ind_i, ind_j, ai, aj;
1500     int      nri;
1501     gmx_bool bFEP_i, bFEP_i_all;
1502
1503     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
1504     {
1505         /* Empty list */
1506         return;
1507     }
1508
1509     ci = nbl_ci->ci;
1510
1511     cj_ind_start = nbl_ci->cj_ind_start;
1512     cj_ind_end   = nbl_ci->cj_ind_end;
1513
1514     /* In worst case we have alternating energy groups
1515      * and create #atom-pair lists, which means we need the size
1516      * of a cluster pair (na_ci*na_cj) times the number of cj's.
1517      */
1518     nri_max = nbl->na_ci * nbl->na_cj * (cj_ind_end - cj_ind_start);
1519     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
1520     {
1521         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
1522         reallocate_nblist(nlist);
1523     }
1524
1525     const int numAtomsJCluster = jGrid.geometry().numAtomsJCluster;
1526
1527     const nbnxn_atomdata_t::Params& nbatParams = nbat->params();
1528
1529     const int ngid = nbatParams.nenergrp;
1530
1531     /* TODO: Consider adding a check in grompp and changing this to an assert */
1532     const int numBitsInEnergyGroupIdsForAtomsInJCluster = sizeof(gid_cj) * 8;
1533     if (ngid * numAtomsJCluster > numBitsInEnergyGroupIdsForAtomsInJCluster)
1534     {
1535         gmx_fatal(FARGS,
1536                   "The Verlet scheme with %dx%d kernels and free-energy only supports up to %zu "
1537                   "energy groups",
1538                   iGrid.geometry().numAtomsICluster, numAtomsJCluster,
1539                   (sizeof(gid_cj) * 8) / numAtomsJCluster);
1540     }
1541
1542     egp_shift = nbatParams.neg_2log;
1543     egp_mask  = (1 << egp_shift) - 1;
1544
1545     /* Loop over the atoms in the i sub-cell */
1546     bFEP_i_all = TRUE;
1547     for (int i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
1548     {
1549         ind_i = ci * nbl->na_ci + i;
1550         ai    = atomIndices[ind_i];
1551         if (ai >= 0)
1552         {
1553             nri                    = nlist->nri;
1554             nlist->jindex[nri + 1] = nlist->jindex[nri];
1555             nlist->iinr[nri]       = ai;
1556             /* The actual energy group pair index is set later */
1557             nlist->gid[nri]   = 0;
1558             nlist->shift[nri] = nbl_ci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
1559
1560             bFEP_i = iGrid.atomIsPerturbed(ci - iGrid.cellOffset(), i);
1561
1562             bFEP_i_all = bFEP_i_all && bFEP_i;
1563
1564             if (nlist->nrj + (cj_ind_end - cj_ind_start) * nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
1565             {
1566                 nlist->maxnrj = over_alloc_small(nlist->nrj + (cj_ind_end - cj_ind_start) * nbl->na_cj);
1567                 srenew(nlist->jjnr, nlist->maxnrj);
1568                 srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
1569             }
1570
1571             if (ngid > 1)
1572             {
1573                 gid_i = (nbatParams.energrp[ci] >> (egp_shift * i)) & egp_mask;
1574             }
1575
1576             for (int cj_ind = cj_ind_start; cj_ind < cj_ind_end; cj_ind++)
1577             {
1578                 unsigned int fep_cj;
1579
1580                 cja = nbl->cj[cj_ind].cj;
1581
1582                 if (numAtomsJCluster == jGrid.geometry().numAtomsICluster)
1583                 {
1584                     cjr    = cja - jGrid.cellOffset();
1585                     fep_cj = jGrid.fepBits(cjr);
1586                     if (ngid > 1)
1587                     {
1588                         gid_cj = nbatParams.energrp[cja];
1589                     }
1590                 }
1591                 else if (2 * numAtomsJCluster == jGrid.geometry().numAtomsICluster)
1592                 {
1593                     cjr = cja - jGrid.cellOffset() * 2;
1594                     /* Extract half of the ci fep/energrp mask */
1595                     fep_cj = (jGrid.fepBits(cjr >> 1) >> ((cjr & 1) * numAtomsJCluster))
1596                              & ((1 << numAtomsJCluster) - 1);
1597                     if (ngid > 1)
1598                     {
1599                         gid_cj = nbatParams.energrp[cja >> 1] >> ((cja & 1) * numAtomsJCluster * egp_shift)
1600                                  & ((1 << (numAtomsJCluster * egp_shift)) - 1);
1601                     }
1602                 }
1603                 else
1604                 {
1605                     cjr = cja - (jGrid.cellOffset() >> 1);
1606                     /* Combine two ci fep masks/energrp */
1607                     fep_cj = jGrid.fepBits(cjr * 2)
1608                              + (jGrid.fepBits(cjr * 2 + 1) << jGrid.geometry().numAtomsICluster);
1609                     if (ngid > 1)
1610                     {
1611                         gid_cj = nbatParams.energrp[cja * 2]
1612                                  + (nbatParams.energrp[cja * 2 + 1]
1613                                     << (jGrid.geometry().numAtomsICluster * egp_shift));
1614                     }
1615                 }
1616
1617                 if (bFEP_i || fep_cj != 0)
1618                 {
1619                     for (int j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
1620                     {
1621                         /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
1622                         ind_j = cja * nbl->na_cj + j;
1623                         aj    = atomIndices[ind_j];
1624                         if (aj >= 0 && (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) && (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
1625                         {
1626                             if (ngid > 1)
1627                             {
1628                                 gid_j = (gid_cj >> (j * egp_shift)) & egp_mask;
1629                                 gid   = GID(gid_i, gid_j, ngid);
1630
1631                                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri] && nlist->gid[nri] != gid)
1632                                 {
1633                                     /* Energy group pair changed: new list */
1634                                     fep_list_new_nri_copy(nlist);
1635                                     nri = nlist->nri;
1636                                 }
1637                                 nlist->gid[nri] = gid;
1638                             }
1639
1640                             if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
1641                             {
1642                                 fep_list_new_nri_copy(nlist);
1643                                 nri = nlist->nri;
1644                             }
1645
1646                             /* Add it to the FEP list */
1647                             nlist->jjnr[nlist->nrj] = aj;
1648                             nlist->excl_fep[nlist->nrj] =
1649                                     (nbl->cj[cj_ind].excl >> (i * nbl->na_cj + j)) & 1;
1650                             nlist->nrj++;
1651
1652                             /* Exclude it from the normal list.
1653                              * Note that the charge has been set to zero,
1654                              * but we need to avoid 0/0, as perturbed atoms
1655                              * can be on top of each other.
1656                              */
1657                             nbl->cj[cj_ind].excl &= ~(1U << (i * nbl->na_cj + j));
1658                         }
1659                     }
1660                 }
1661             }
1662
1663             if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
1664             {
1665                 /* Actually add this new, non-empty, list */
1666                 nlist->nri++;
1667                 nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
1668             }
1669         }
1670     }
1671
1672     if (bFEP_i_all)
1673     {
1674         /* All interactions are perturbed, we can skip this entry */
1675         nbl_ci->cj_ind_end = cj_ind_start;
1676         nbl->ncjInUse -= cj_ind_end - cj_ind_start;
1677     }
1678 }
1679
1680 /* Return the index of atom a within a cluster */
1681 static inline int cj_mod_cj4(int cj)
1682 {
1683     return cj & (c_nbnxnGpuJgroupSize - 1);
1684 }
1685
1686 /* Convert a j-cluster to a cj4 group */
1687 static inline int cj_to_cj4(int cj)
1688 {
1689     return cj / c_nbnxnGpuJgroupSize;
1690 }
1691
1692 /* Return the index of an j-atom within a warp */
1693 static inline int a_mod_wj(int a)
1694 {
1695     return a & (c_nbnxnGpuClusterSize / c_nbnxnGpuClusterpairSplit - 1);
1696 }
1697
1698 /* As make_fep_list above, but for super/sub lists. */
1699 static void make_fep_list(gmx::ArrayRef<const int> atomIndices,
1700                           const nbnxn_atomdata_t*  nbat,
1701                           NbnxnPairlistGpu*        nbl,
1702                           gmx_bool                 bDiagRemoved,
1703                           const nbnxn_sci_t*       nbl_sci,
1704                           real                     shx,
1705                           real                     shy,
1706                           real                     shz,
1707                           real                     rlist_fep2,
1708                           const Grid&              iGrid,
1709                           const Grid&              jGrid,
1710                           t_nblist*                nlist)
1711 {
1712     int                nri_max;
1713     int                c_abs;
1714     int                ind_i, ind_j, ai, aj;
1715     int                nri;
1716     gmx_bool           bFEP_i;
1717     real               xi, yi, zi;
1718     const nbnxn_cj4_t* cj4;
1719
1720     const int numJClusterGroups = nbl_sci->numJClusterGroups();
1721     if (numJClusterGroups == 0)
1722     {
1723         /* Empty list */
1724         return;
1725     }
1726
1727     const int sci = nbl_sci->sci;
1728
1729     const int cj4_ind_start = nbl_sci->cj4_ind_start;
1730     const int cj4_ind_end   = nbl_sci->cj4_ind_end;
1731
1732     /* Here we process one super-cell, max #atoms na_sc, versus a list
1733      * cj4 entries, each with max c_nbnxnGpuJgroupSize cj's, each
1734      * of size na_cj atoms.
1735      * On the GPU we don't support energy groups (yet).
1736      * So for each of the na_sc i-atoms, we need max one FEP list
1737      * for each max_nrj_fep j-atoms.
1738      */
1739     nri_max = nbl->na_sc * nbl->na_cj * (1 + (numJClusterGroups * c_nbnxnGpuJgroupSize) / max_nrj_fep);
1740     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
1741     {
1742         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
1743         reallocate_nblist(nlist);
1744     }
1745
1746     /* Loop over the atoms in the i super-cluster */
1747     for (int c = 0; c < c_gpuNumClusterPerCell; c++)
1748     {
1749         c_abs = sci * c_gpuNumClusterPerCell + c;
1750
1751         for (int i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
1752         {
1753             ind_i = c_abs * nbl->na_ci + i;
1754             ai    = atomIndices[ind_i];
1755             if (ai >= 0)
1756             {
1757                 nri                    = nlist->nri;
1758                 nlist->jindex[nri + 1] = nlist->jindex[nri];
1759                 nlist->iinr[nri]       = ai;
1760                 /* With GPUs, energy groups are not supported */
1761                 nlist->gid[nri]   = 0;
1762                 nlist->shift[nri] = nbl_sci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
1763
1764                 bFEP_i = iGrid.atomIsPerturbed(c_abs - iGrid.cellOffset() * c_gpuNumClusterPerCell, i);
1765
1766                 xi = nbat->x()[ind_i * nbat->xstride + XX] + shx;
1767                 yi = nbat->x()[ind_i * nbat->xstride + YY] + shy;
1768                 zi = nbat->x()[ind_i * nbat->xstride + ZZ] + shz;
1769
1770                 const int nrjMax = nlist->nrj + numJClusterGroups * c_nbnxnGpuJgroupSize * nbl->na_cj;
1771                 if (nrjMax > nlist->maxnrj)
1772                 {
1773                     nlist->maxnrj = over_alloc_small(nrjMax);
1774                     srenew(nlist->jjnr, nlist->maxnrj);
1775                     srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
1776                 }
1777
1778                 for (int cj4_ind = cj4_ind_start; cj4_ind < cj4_ind_end; cj4_ind++)
1779                 {
1780                     cj4 = &nbl->cj4[cj4_ind];
1781
1782                     for (int gcj = 0; gcj < c_nbnxnGpuJgroupSize; gcj++)
1783                     {
1784                         if ((cj4->imei[0].imask & (1U << (gcj * c_gpuNumClusterPerCell + c))) == 0)
1785                         {
1786                             /* Skip this ci for this cj */
1787                             continue;
1788                         }
1789
1790                         const int cjr = cj4->cj[gcj] - jGrid.cellOffset() * c_gpuNumClusterPerCell;
1791
1792                         if (bFEP_i || jGrid.clusterIsPerturbed(cjr))
1793                         {
1794                             for (int j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
1795                             {
1796                                 /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
1797                                 ind_j = (jGrid.cellOffset() * c_gpuNumClusterPerCell + cjr) * nbl->na_cj + j;
1798                                 aj = atomIndices[ind_j];
1799                                 if (aj >= 0 && (bFEP_i || jGrid.atomIsPerturbed(cjr, j))
1800                                     && (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
1801                                 {
1802                                     int          excl_pair;
1803                                     unsigned int excl_bit;
1804                                     real         dx, dy, dz;
1805
1806                                     const int jHalf =
1807                                             j / (c_nbnxnGpuClusterSize / c_nbnxnGpuClusterpairSplit);
1808                                     nbnxn_excl_t& excl = get_exclusion_mask(nbl, cj4_ind, jHalf);
1809
1810                                     excl_pair = a_mod_wj(j) * nbl->na_ci + i;
1811                                     excl_bit  = (1U << (gcj * c_gpuNumClusterPerCell + c));
1812
1813                                     dx = nbat->x()[ind_j * nbat->xstride + XX] - xi;
1814                                     dy = nbat->x()[ind_j * nbat->xstride + YY] - yi;
1815                                     dz = nbat->x()[ind_j * nbat->xstride + ZZ] - zi;
1816
1817                                     /* The unpruned GPU list has more than 2/3
1818                                      * of the atom pairs beyond rlist. Using
1819                                      * this list will cause a lot of overhead
1820                                      * in the CPU FEP kernels, especially
1821                                      * relative to the fast GPU kernels.
1822                                      * So we prune the FEP list here.
1823                                      */
1824                                     if (dx * dx + dy * dy + dz * dz < rlist_fep2)
1825                                     {
1826                                         if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
1827                                         {
1828                                             fep_list_new_nri_copy(nlist);
1829                                             nri = nlist->nri;
1830                                         }
1831
1832                                         /* Add it to the FEP list */
1833                                         nlist->jjnr[nlist->nrj] = aj;
1834                                         nlist->excl_fep[nlist->nrj] =
1835                                                 (excl.pair[excl_pair] & excl_bit) ? 1 : 0;
1836                                         nlist->nrj++;
1837                                     }
1838
1839                                     /* Exclude it from the normal list.
1840                                      * Note that the charge and LJ parameters have
1841                                      * been set to zero, but we need to avoid 0/0,
1842                                      * as perturbed atoms can be on top of each other.
1843                                      */
1844                                     excl.pair[excl_pair] &= ~excl_bit;
1845                                 }
1846                             }
1847
1848                             /* Note that we could mask out this pair in imask
1849                              * if all i- and/or all j-particles are perturbed.
1850                              * But since the perturbed pairs on the CPU will
1851                              * take an order of magnitude more time, the GPU
1852                              * will finish before the CPU and there is no gain.
1853                              */
1854                         }
1855                     }
1856                 }
1857
1858                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
1859                 {
1860                     /* Actually add this new, non-empty, list */
1861                     nlist->nri++;
1862                     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
1863                 }
1864             }
1865         }
1866     }
1867 }
1868
1869 /* Set all atom-pair exclusions for a GPU type list i-entry
1870  *
1871  * Sets all atom-pair exclusions from the topology stored in exclusions
1872  * as masks in the pair-list for i-super-cluster list entry iEntry.
1873  */
1874 static void setExclusionsForIEntry(const Nbnxm::GridSet& gridSet,
1875                                    NbnxnPairlistGpu*     nbl,
1876                                    gmx_bool              diagRemoved,
1877                                    int gmx_unused          na_cj_2log,
1878                                    const nbnxn_sci_t&      iEntry,
1879                                    const ListOfLists<int>& exclusions)
1880 {
1881     if (iEntry.numJClusterGroups() == 0)
1882     {
1883         /* Empty list */
1884         return;
1885     }
1886
1887     /* Set the search ranges using start and end j-cluster indices.
1888      * Note that here we can not use cj4_ind_end, since the last cj4
1889      * can be only partially filled, so we use cj_ind.
1890      */
1891     const JListRanges ranges(iEntry.cj4_ind_start * c_nbnxnGpuJgroupSize, nbl->work->cj_ind,
1892                              gmx::makeConstArrayRef(nbl->cj4));
1893
1894     GMX_ASSERT(nbl->na_ci == c_nbnxnGpuClusterSize, "na_ci should match the GPU cluster size");
1895     constexpr int c_clusterSize      = c_nbnxnGpuClusterSize;
1896     constexpr int c_superClusterSize = c_nbnxnGpuNumClusterPerSupercluster * c_nbnxnGpuClusterSize;
1897
1898     const int iSuperCluster = iEntry.sci;
1899
1900     gmx::ArrayRef<const int> atomIndices = gridSet.atomIndices();
1901     gmx::ArrayRef<const int> cell        = gridSet.cells();
1902
1903     /* Loop over the atoms in the i super-cluster */
1904     for (int i = 0; i < c_superClusterSize; i++)
1905     {
1906         const int iIndex = iSuperCluster * c_superClusterSize + i;
1907         const int iAtom  = atomIndices[iIndex];
1908         if (iAtom >= 0)
1909         {
1910             const int iCluster = i / c_clusterSize;
1911
1912             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
1913             for (const int jAtom : exclusions[iAtom])
1914             {
1915                 if (jAtom == iAtom)
1916                 {
1917                     /* The self exclusions are already set, save some time */
1918                     continue;
1919                 }
1920
1921                 /* Get the index of the j-atom in the nbnxn atom data */
1922                 const int jIndex = cell[jAtom];
1923
1924                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
1925                  * for one-way pair-lists.
1926                  */
1927                 /* NOTE: We would like to use iIndex on the right hand side,
1928                  * but that makes this routine 25% slower with gcc6/7.
1929                  * Even using c_superClusterSize makes it slower.
1930                  * Either of these changes triggers peeling of the exclIndex
1931                  * loop, which apparently leads to far less efficient code.
1932                  */
1933                 if (diagRemoved && jIndex <= iSuperCluster * nbl->na_sc + i)
1934                 {
1935                     continue;
1936                 }
1937
1938                 const int jCluster = jIndex / c_clusterSize;
1939
1940                 /* Check whether the cluster is in our list? */
1941                 if (jCluster >= ranges.cjFirst && jCluster <= ranges.cjLast)
1942                 {
1943                     const int index =
1944                             findJClusterInJList(jCluster, ranges, gmx::makeConstArrayRef(nbl->cj4));
1945
1946                     if (index >= 0)
1947                     {
1948                         /* We found an exclusion, clear the corresponding
1949                          * interaction bit.
1950                          */
1951                         const unsigned int pairMask =
1952                                 (1U << (cj_mod_cj4(index) * c_gpuNumClusterPerCell + iCluster));
1953                         /* Check if the i-cluster interacts with the j-cluster */
1954                         if (nbl_imask0(nbl, index) & pairMask)
1955                         {
1956                             const int innerI = (i & (c_clusterSize - 1));
1957                             const int innerJ = (jIndex & (c_clusterSize - 1));
1958
1959                             /* Determine which j-half (CUDA warp) we are in */
1960                             const int jHalf = innerJ / (c_clusterSize / c_nbnxnGpuClusterpairSplit);
1961
1962                             nbnxn_excl_t& interactionMask =
1963                                     get_exclusion_mask(nbl, cj_to_cj4(index), jHalf);
1964
1965                             interactionMask.pair[a_mod_wj(innerJ) * c_clusterSize + innerI] &= ~pairMask;
1966                         }
1967                     }
1968                 }
1969             }
1970         }
1971     }
1972 }
1973
1974 /* Make a new ci entry at the back of nbl->ci */
1975 static void addNewIEntry(NbnxnPairlistCpu* nbl, int ci, int shift, int flags)
1976 {
1977     nbnxn_ci_t ciEntry;
1978     ciEntry.ci    = ci;
1979     ciEntry.shift = shift;
1980     /* Store the interaction flags along with the shift */
1981     ciEntry.shift |= flags;
1982     ciEntry.cj_ind_start = nbl->cj.size();
1983     ciEntry.cj_ind_end   = nbl->cj.size();
1984     nbl->ci.push_back(ciEntry);
1985 }
1986
1987 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
1988 static void addNewIEntry(NbnxnPairlistGpu* nbl, int sci, int shift, int gmx_unused flags)
1989 {
1990     nbnxn_sci_t sciEntry;
1991     sciEntry.sci           = sci;
1992     sciEntry.shift         = shift;
1993     sciEntry.cj4_ind_start = nbl->cj4.size();
1994     sciEntry.cj4_ind_end   = nbl->cj4.size();
1995
1996     nbl->sci.push_back(sciEntry);
1997 }
1998
1999 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
2000  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
2001  */
2002 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t* cj, int ncj, NbnxnPairlistCpuWork* work)
2003 {
2004     work->cj.resize(ncj);
2005
2006     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
2007     int jnew = 0;
2008     for (int j = 0; j < ncj; j++)
2009     {
2010         if (cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2011         {
2012             work->cj[jnew++] = cj[j];
2013         }
2014     }
2015     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
2016     if (!((jnew == 0) || (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)))
2017     {
2018         for (int j = 0; j < ncj; j++)
2019         {
2020             if (cj[j].excl == NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2021             {
2022                 work->cj[jnew++] = cj[j];
2023             }
2024         }
2025         for (int j = 0; j < ncj; j++)
2026         {
2027             cj[j] = work->cj[j];
2028         }
2029     }
2030 }
2031
2032 /* Close this simple list i entry */
2033 static void closeIEntry(NbnxnPairlistCpu* nbl,
2034                         int gmx_unused sp_max_av,
2035                         gmx_bool gmx_unused progBal,
2036                         float gmx_unused nsp_tot_est,
2037                         int gmx_unused thread,
2038                         int gmx_unused nthread)
2039 {
2040     nbnxn_ci_t& ciEntry = nbl->ci.back();
2041
2042     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
2043      * we only need to sort and increase counts or remove the entry when empty.
2044      */
2045     const int jlen = ciEntry.cj_ind_end - ciEntry.cj_ind_start;
2046     if (jlen > 0)
2047     {
2048         sort_cj_excl(nbl->cj.data() + ciEntry.cj_ind_start, jlen, nbl->work.get());
2049
2050         /* The counts below are used for non-bonded pair/flop counts
2051          * and should therefore match the available kernel setups.
2052          */
2053         if (!(ciEntry.shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
2054         {
2055             nbl->work->ncj_noq += jlen;
2056         }
2057         else if ((ciEntry.shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0)) || !(ciEntry.shift & NBNXN_CI_DO_LJ(0)))
2058         {
2059             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
2060         }
2061     }
2062     else
2063     {
2064         /* Entry is empty: remove it  */
2065         nbl->ci.pop_back();
2066     }
2067 }
2068
2069 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
2070  * Splitting ensures we have enough lists to fully utilize the whole GPU.
2071  * With progBal we generate progressively smaller lists, which improves
2072  * load balancing. As we only know the current count on our own thread,
2073  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
2074  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
2075  * both on nthread and our own thread index.
2076  */
2077 static void split_sci_entry(NbnxnPairlistGpu* nbl,
2078                             int               nsp_target_av,
2079                             gmx_bool          progBal,
2080                             float             nsp_tot_est,
2081                             int               thread,
2082                             int               nthread)
2083 {
2084     int nsp_max;
2085
2086     if (progBal)
2087     {
2088         float nsp_est;
2089
2090         /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
2091          * over all threads using the target number of ci's.
2092          */
2093         nsp_est = (nsp_tot_est * thread) / nthread + nbl->nci_tot;
2094
2095         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
2096          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
2097          * The factor 3/2 makes the first block 3/2 times the target average
2098          * and ensures that the total number of blocks end up equal to
2099          * that of equally sized blocks of size nsp_target_av.
2100          */
2101         nsp_max = static_cast<int>(nsp_target_av * (nsp_tot_est * 1.5 / (nsp_est + nsp_tot_est)));
2102     }
2103     else
2104     {
2105         nsp_max = nsp_target_av;
2106     }
2107
2108     const int cj4_start = nbl->sci.back().cj4_ind_start;
2109     const int cj4_end   = nbl->sci.back().cj4_ind_end;
2110     const int j4len     = cj4_end - cj4_start;
2111
2112     if (j4len > 1 && j4len * c_gpuNumClusterPerCell * c_nbnxnGpuJgroupSize > nsp_max)
2113     {
2114         /* Modify the last ci entry and process the cj4's again */
2115
2116         int nsp       = 0;
2117         int nsp_sci   = 0;
2118         int nsp_cj4_e = 0;
2119         int nsp_cj4   = 0;
2120         for (int cj4 = cj4_start; cj4 < cj4_end; cj4++)
2121         {
2122             int nsp_cj4_p = nsp_cj4;
2123             /* Count the number of cluster pairs in this cj4 group */
2124             nsp_cj4 = 0;
2125             for (int p = 0; p < c_gpuNumClusterPerCell * c_nbnxnGpuJgroupSize; p++)
2126             {
2127                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
2128             }
2129
2130             /* If adding the current cj4 with nsp_cj4 pairs get us further
2131              * away from our target nsp_max, split the list before this cj4.
2132              */
2133             if (nsp > 0 && nsp_max - nsp < nsp + nsp_cj4 - nsp_max)
2134             {
2135                 /* Split the list at cj4 */
2136                 nbl->sci.back().cj4_ind_end = cj4;
2137                 /* Create a new sci entry */
2138                 nbnxn_sci_t sciNew;
2139                 sciNew.sci           = nbl->sci.back().sci;
2140                 sciNew.shift         = nbl->sci.back().shift;
2141                 sciNew.cj4_ind_start = cj4;
2142                 nbl->sci.push_back(sciNew);
2143
2144                 nsp_sci   = nsp;
2145                 nsp_cj4_e = nsp_cj4_p;
2146                 nsp       = 0;
2147             }
2148             nsp += nsp_cj4;
2149         }
2150
2151         /* Put the remaining cj4's in the last sci entry */
2152         nbl->sci.back().cj4_ind_end = cj4_end;
2153
2154         /* Possibly balance out the last two sci's
2155          * by moving the last cj4 of the second last sci.
2156          */
2157         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
2158         {
2159             GMX_ASSERT(nbl->sci.size() >= 2, "We expect at least two elements");
2160             nbl->sci[nbl->sci.size() - 2].cj4_ind_end--;
2161             nbl->sci[nbl->sci.size() - 1].cj4_ind_start--;
2162         }
2163     }
2164 }
2165
2166 /* Clost this super/sub list i entry */
2167 static void closeIEntry(NbnxnPairlistGpu* nbl, int nsp_max_av, gmx_bool progBal, float nsp_tot_est, int thread, int nthread)
2168 {
2169     nbnxn_sci_t& sciEntry = *getOpenIEntry(nbl);
2170
2171     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
2172      * we only need to, potentially, split or remove the entry when empty.
2173      */
2174     int j4len = sciEntry.numJClusterGroups();
2175     if (j4len > 0)
2176     {
2177         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
2178          * so round the count up before closing.
2179          */
2180         int ncj4          = (nbl->work->cj_ind + c_nbnxnGpuJgroupSize - 1) / c_nbnxnGpuJgroupSize;
2181         nbl->work->cj_ind = ncj4 * c_nbnxnGpuJgroupSize;
2182
2183         if (nsp_max_av > 0)
2184         {
2185             /* Measure the size of the new entry and potentially split it */
2186             split_sci_entry(nbl, nsp_max_av, progBal, nsp_tot_est, thread, nthread);
2187         }
2188     }
2189     else
2190     {
2191         /* Entry is empty: remove it  */
2192         nbl->sci.pop_back();
2193     }
2194 }
2195
2196 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the GPU list */
2197 static void sync_work(NbnxnPairlistCpu gmx_unused* nbl) {}
2198
2199 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the GPU list */
2200 static void sync_work(NbnxnPairlistGpu* nbl)
2201 {
2202     nbl->work->cj_ind = nbl->cj4.size() * c_nbnxnGpuJgroupSize;
2203 }
2204
2205 /* Clears an NbnxnPairlistCpu data structure */
2206 static void clear_pairlist(NbnxnPairlistCpu* nbl)
2207 {
2208     nbl->ci.clear();
2209     nbl->cj.clear();
2210     nbl->ncjInUse = 0;
2211     nbl->nci_tot  = 0;
2212     nbl->ciOuter.clear();
2213     nbl->cjOuter.clear();
2214
2215     nbl->work->ncj_noq = 0;
2216     nbl->work->ncj_hlj = 0;
2217 }
2218
2219 /* Clears an NbnxnPairlistGpu data structure */
2220 static void clear_pairlist(NbnxnPairlistGpu* nbl)
2221 {
2222     nbl->sci.clear();
2223     nbl->cj4.clear();
2224     nbl->excl.resize(1);
2225     nbl->nci_tot = 0;
2226 }
2227
2228 /* Clears an atom-atom-style pair list */
2229 static void clear_pairlist_fep(t_nblist* nl)
2230 {
2231     nl->nri = 0;
2232     nl->nrj = 0;
2233     if (nl->jindex == nullptr)
2234     {
2235         snew(nl->jindex, 1);
2236     }
2237     nl->jindex[0] = 0;
2238 }
2239
2240 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
2241 static inline void
2242 set_icell_bb_simple(gmx::ArrayRef<const BoundingBox> bb, int ci, real shx, real shy, real shz, BoundingBox* bb_ci)
2243 {
2244     bb_ci->lower.x = bb[ci].lower.x + shx;
2245     bb_ci->lower.y = bb[ci].lower.y + shy;
2246     bb_ci->lower.z = bb[ci].lower.z + shz;
2247     bb_ci->upper.x = bb[ci].upper.x + shx;
2248     bb_ci->upper.y = bb[ci].upper.y + shy;
2249     bb_ci->upper.z = bb[ci].upper.z + shz;
2250 }
2251
2252 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
2253 static inline void set_icell_bb(const Grid& iGrid, int ci, real shx, real shy, real shz, NbnxnPairlistCpuWork* work)
2254 {
2255     set_icell_bb_simple(iGrid.iBoundingBoxes(), ci, shx, shy, shz, &work->iClusterData.bb[0]);
2256 }
2257
2258 #if NBNXN_BBXXXX
2259 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
2260 static void set_icell_bbxxxx_supersub(gmx::ArrayRef<const float> bb, int ci, real shx, real shy, real shz, float* bb_ci)
2261 {
2262     constexpr int cellBBStride = packedBoundingBoxesIndex(c_gpuNumClusterPerCell);
2263     constexpr int pbbStride    = c_packedBoundingBoxesDimSize;
2264     const int     ia           = ci * cellBBStride;
2265     for (int m = 0; m < cellBBStride; m += c_packedBoundingBoxesSize)
2266     {
2267         for (int i = 0; i < pbbStride; i++)
2268         {
2269             bb_ci[m + 0 * pbbStride + i] = bb[ia + m + 0 * pbbStride + i] + shx;
2270             bb_ci[m + 1 * pbbStride + i] = bb[ia + m + 1 * pbbStride + i] + shy;
2271             bb_ci[m + 2 * pbbStride + i] = bb[ia + m + 2 * pbbStride + i] + shz;
2272             bb_ci[m + 3 * pbbStride + i] = bb[ia + m + 3 * pbbStride + i] + shx;
2273             bb_ci[m + 4 * pbbStride + i] = bb[ia + m + 4 * pbbStride + i] + shy;
2274             bb_ci[m + 5 * pbbStride + i] = bb[ia + m + 5 * pbbStride + i] + shz;
2275         }
2276     }
2277 }
2278 #endif
2279
2280 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
2281 gmx_unused static void set_icell_bb_supersub(gmx::ArrayRef<const BoundingBox> bb,
2282                                              int                              ci,
2283                                              real                             shx,
2284                                              real                             shy,
2285                                              real                             shz,
2286                                              BoundingBox*                     bb_ci)
2287 {
2288     for (int i = 0; i < c_gpuNumClusterPerCell; i++)
2289     {
2290         set_icell_bb_simple(bb, ci * c_gpuNumClusterPerCell + i, shx, shy, shz, &bb_ci[i]);
2291     }
2292 }
2293
2294 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
2295 gmx_unused static void set_icell_bb(const Grid& iGrid, int ci, real shx, real shy, real shz, NbnxnPairlistGpuWork* work)
2296 {
2297 #if NBNXN_BBXXXX
2298     set_icell_bbxxxx_supersub(iGrid.packedBoundingBoxes(), ci, shx, shy, shz,
2299                               work->iSuperClusterData.bbPacked.data());
2300 #else
2301     set_icell_bb_supersub(iGrid.iBoundingBoxes(), ci, shx, shy, shz, work->iSuperClusterData.bb.data());
2302 #endif
2303 }
2304
2305 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
2306 static void icell_set_x_simple(int                                 ci,
2307                                real                                shx,
2308                                real                                shy,
2309                                real                                shz,
2310                                int                                 stride,
2311                                const real*                         x,
2312                                NbnxnPairlistCpuWork::IClusterData* iClusterData)
2313 {
2314     const int ia = ci * c_nbnxnCpuIClusterSize;
2315
2316     for (int i = 0; i < c_nbnxnCpuIClusterSize; i++)
2317     {
2318         iClusterData->x[i * STRIDE_XYZ + XX] = x[(ia + i) * stride + XX] + shx;
2319         iClusterData->x[i * STRIDE_XYZ + YY] = x[(ia + i) * stride + YY] + shy;
2320         iClusterData->x[i * STRIDE_XYZ + ZZ] = x[(ia + i) * stride + ZZ] + shz;
2321     }
2322 }
2323
2324 static void icell_set_x(int                             ci,
2325                         real                            shx,
2326                         real                            shy,
2327                         real                            shz,
2328                         int                             stride,
2329                         const real*                     x,
2330                         const ClusterDistanceKernelType kernelType,
2331                         NbnxnPairlistCpuWork*           work)
2332 {
2333     switch (kernelType)
2334     {
2335 #if GMX_SIMD
2336 #    ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
2337         case ClusterDistanceKernelType::CpuSimd_4xM:
2338             icell_set_x_simd_4xn(ci, shx, shy, shz, stride, x, work);
2339             break;
2340 #    endif
2341 #    ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
2342         case ClusterDistanceKernelType::CpuSimd_2xMM:
2343             icell_set_x_simd_2xnn(ci, shx, shy, shz, stride, x, work);
2344             break;
2345 #    endif
2346 #endif
2347         case ClusterDistanceKernelType::CpuPlainC:
2348             icell_set_x_simple(ci, shx, shy, shz, stride, x, &work->iClusterData);
2349             break;
2350         default: GMX_ASSERT(false, "Unhandled case"); break;
2351     }
2352 }
2353
2354 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
2355 static void icell_set_x(int                       ci,
2356                         real                      shx,
2357                         real                      shy,
2358                         real                      shz,
2359                         int                       stride,
2360                         const real*               x,
2361                         ClusterDistanceKernelType gmx_unused kernelType,
2362                         NbnxnPairlistGpuWork*                work)
2363 {
2364 #if !GMX_SIMD4_HAVE_REAL
2365
2366     real* x_ci = work->iSuperClusterData.x.data();
2367
2368     int ia = ci * c_gpuNumClusterPerCell * c_nbnxnGpuClusterSize;
2369     for (int i = 0; i < c_gpuNumClusterPerCell * c_nbnxnGpuClusterSize; i++)
2370     {
2371         x_ci[i * DIM + XX] = x[(ia + i) * stride + XX] + shx;
2372         x_ci[i * DIM + YY] = x[(ia + i) * stride + YY] + shy;
2373         x_ci[i * DIM + ZZ] = x[(ia + i) * stride + ZZ] + shz;
2374     }
2375
2376 #else /* !GMX_SIMD4_HAVE_REAL */
2377
2378     real* x_ci = work->iSuperClusterData.xSimd.data();
2379
2380     for (int si = 0; si < c_gpuNumClusterPerCell; si++)
2381     {
2382         for (int i = 0; i < c_nbnxnGpuClusterSize; i += GMX_SIMD4_WIDTH)
2383         {
2384             int io = si * c_nbnxnGpuClusterSize + i;
2385             int ia = ci * c_gpuNumClusterPerCell * c_nbnxnGpuClusterSize + io;
2386             for (int j = 0; j < GMX_SIMD4_WIDTH; j++)
2387             {
2388                 x_ci[io * DIM + j + XX * GMX_SIMD4_WIDTH] = x[(ia + j) * stride + XX] + shx;
2389                 x_ci[io * DIM + j + YY * GMX_SIMD4_WIDTH] = x[(ia + j) * stride + YY] + shy;
2390                 x_ci[io * DIM + j + ZZ * GMX_SIMD4_WIDTH] = x[(ia + j) * stride + ZZ] + shz;
2391             }
2392         }
2393     }
2394
2395 #endif /* !GMX_SIMD4_HAVE_REAL */
2396 }
2397
2398 static real minimum_subgrid_size_xy(const Grid& grid)
2399 {
2400     const Grid::Dimensions& dims = grid.dimensions();
2401
2402     if (grid.geometry().isSimple)
2403     {
2404         return std::min(dims.cellSize[XX], dims.cellSize[YY]);
2405     }
2406     else
2407     {
2408         return std::min(dims.cellSize[XX] / c_gpuNumClusterPerCellX,
2409                         dims.cellSize[YY] / c_gpuNumClusterPerCellY);
2410     }
2411 }
2412
2413 static real effective_buffer_1x1_vs_MxN(const Grid& iGrid, const Grid& jGrid)
2414 {
2415     const real eff_1x1_buffer_fac_overest = 0.1;
2416
2417     /* Determine an atom-pair list cut-off buffer size for atom pairs,
2418      * to be added to rlist (including buffer) used for MxN.
2419      * This is for converting an MxN list to a 1x1 list. This means we can't
2420      * use the normal buffer estimate, as we have an MxN list in which
2421      * some atom pairs beyond rlist are missing. We want to capture
2422      * the beneficial effect of buffering by extra pairs just outside rlist,
2423      * while removing the useless pairs that are further away from rlist.
2424      * (Also the buffer could have been set manually not using the estimate.)
2425      * This buffer size is an overestimate.
2426      * We add 10% of the smallest grid sub-cell dimensions.
2427      * Note that the z-size differs per cell and we don't use this,
2428      * so we overestimate.
2429      * With PME, the 10% value gives a buffer that is somewhat larger
2430      * than the effective buffer with a tolerance of 0.005 kJ/mol/ps.
2431      * Smaller tolerances or using RF lead to a smaller effective buffer,
2432      * so 10% gives a safe overestimate.
2433      */
2434     return eff_1x1_buffer_fac_overest * (minimum_subgrid_size_xy(iGrid) + minimum_subgrid_size_xy(jGrid));
2435 }
2436
2437 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
2438 static real nonlocal_vol2(const struct gmx_domdec_zones_t* zones, const rvec ls, real r)
2439 {
2440     real cl, ca, za;
2441     real vold_est;
2442     real vol2_est_tot;
2443
2444     vol2_est_tot = 0;
2445
2446     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
2447      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
2448      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
2449      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
2450      * as small parts as possible.
2451      */
2452
2453     for (int z = 0; z < zones->n; z++)
2454     {
2455         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
2456         {
2457             cl = 0;
2458             ca = 1;
2459             za = 1;
2460             for (int d = 0; d < DIM; d++)
2461             {
2462                 if (zones->shift[z][d] == 0)
2463                 {
2464                     cl += 0.5 * ls[d];
2465                     ca *= ls[d];
2466                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
2467                 }
2468             }
2469
2470             /* 4 octants of a sphere */
2471             vold_est = 0.25 * M_PI * r * r * r * r;
2472             /* 4 quarter pie slices on the edges */
2473             vold_est += 4 * cl * M_PI / 6.0 * r * r * r;
2474             /* One rectangular volume on a face */
2475             vold_est += ca * 0.5 * r * r;
2476
2477             vol2_est_tot += vold_est * za;
2478         }
2479     }
2480
2481     return vol2_est_tot;
2482 }
2483
2484 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
2485 static void get_nsubpair_target(const Nbnxm::GridSet&     gridSet,
2486                                 const InteractionLocality iloc,
2487                                 const real                rlist,
2488                                 const int                 min_ci_balanced,
2489                                 int*                      nsubpair_target,
2490                                 float*                    nsubpair_tot_est)
2491 {
2492     /* The target value of 36 seems to be the optimum for Kepler.
2493      * Maxwell is less sensitive to the exact value.
2494      */
2495     const int nsubpair_target_min = 36;
2496     real      r_eff_sup, vol_est, nsp_est, nsp_est_nl;
2497
2498     const Grid& grid = gridSet.grids()[0];
2499
2500     /* We don't need to balance list sizes if:
2501      * - We didn't request balancing.
2502      * - The number of grid cells >= the number of lists requested,
2503      *   since we will always generate at least #cells lists.
2504      * - We don't have any cells, since then there won't be any lists.
2505      */
2506     if (min_ci_balanced <= 0 || grid.numCells() >= min_ci_balanced || grid.numCells() == 0)
2507     {
2508         /* nsubpair_target==0 signals no balancing */
2509         *nsubpair_target  = 0;
2510         *nsubpair_tot_est = 0;
2511
2512         return;
2513     }
2514
2515     gmx::RVec               ls;
2516     const int               numAtomsCluster = grid.geometry().numAtomsICluster;
2517     const Grid::Dimensions& dims            = grid.dimensions();
2518
2519     ls[XX] = dims.cellSize[XX] / c_gpuNumClusterPerCellX;
2520     ls[YY] = dims.cellSize[YY] / c_gpuNumClusterPerCellY;
2521     ls[ZZ] = numAtomsCluster / (dims.atomDensity * ls[XX] * ls[YY]);
2522
2523     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
2524     r_eff_sup = rlist + nbnxn_get_rlist_effective_inc(numAtomsCluster, ls);
2525
2526     if (!gridSet.domainSetup().haveMultipleDomains || gridSet.domainSetup().zones->n == 1)
2527     {
2528         nsp_est_nl = 0;
2529     }
2530     else
2531     {
2532         nsp_est_nl = gmx::square(dims.atomDensity / numAtomsCluster)
2533                      * nonlocal_vol2(gridSet.domainSetup().zones, ls, r_eff_sup);
2534     }
2535
2536     if (iloc == InteractionLocality::Local)
2537     {
2538         /* Sub-cell interacts with itself */
2539         vol_est = ls[XX] * ls[YY] * ls[ZZ];
2540         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
2541         vol_est += (ls[XX] * ls[YY] + ls[XX] * ls[ZZ] + ls[YY] * ls[ZZ]) * r_eff_sup;
2542         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
2543         vol_est += 2 * (ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ]) * 0.25 * M_PI * gmx::square(r_eff_sup);
2544         /* 4 octants of a sphere */
2545         vol_est += 0.5 * 4.0 / 3.0 * M_PI * gmx::power3(r_eff_sup);
2546
2547         /* Estimate the number of cluster pairs as the local number of
2548          * clusters times the volume they interact with times the density.
2549          */
2550         nsp_est = grid.numClusters() * vol_est * dims.atomDensity / numAtomsCluster;
2551
2552         /* Subtract the non-local pair count */
2553         nsp_est -= nsp_est_nl;
2554
2555         /* For small cut-offs nsp_est will be an underesimate.
2556          * With DD nsp_est_nl is an overestimate so nsp_est can get negative.
2557          * So to avoid too small or negative nsp_est we set a minimum of
2558          * all cells interacting with all 3^3 direct neighbors (3^3-1)/2+1=14.
2559          * This might be a slight overestimate for small non-periodic groups of
2560          * atoms as will occur for a local domain with DD, but for small
2561          * groups of atoms we'll anyhow be limited by nsubpair_target_min,
2562          * so this overestimation will not matter.
2563          */
2564         nsp_est = std::max(nsp_est, grid.numClusters() * 14._real);
2565
2566         if (debug)
2567         {
2568             fprintf(debug, "nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n", nsp_est, nsp_est_nl);
2569         }
2570     }
2571     else
2572     {
2573         nsp_est = nsp_est_nl;
2574     }
2575
2576     /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows.
2577      * Since there is overhead, we shouldn't make the lists too small
2578      * (and we can't chop up j-groups) so we use a minimum target size of 36.
2579      */
2580     *nsubpair_target  = std::max(nsubpair_target_min, roundToInt(nsp_est / min_ci_balanced));
2581     *nsubpair_tot_est = nsp_est;
2582
2583     if (debug)
2584     {
2585         fprintf(debug, "nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_target %d\n", nsp_est, *nsubpair_target);
2586     }
2587 }
2588
2589 /* Debug list print function */
2590 static void print_nblist_ci_cj(FILE* fp, const NbnxnPairlistCpu& nbl)
2591 {
2592     for (const nbnxn_ci_t& ciEntry : nbl.ci)
2593     {
2594         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n", ciEntry.ci, ciEntry.shift,
2595                 ciEntry.cj_ind_end - ciEntry.cj_ind_start);
2596
2597         for (int j = ciEntry.cj_ind_start; j < ciEntry.cj_ind_end; j++)
2598         {
2599             fprintf(fp, "  cj %5d  imask %x\n", nbl.cj[j].cj, nbl.cj[j].excl);
2600         }
2601     }
2602 }
2603
2604 /* Debug list print function */
2605 static void print_nblist_sci_cj(FILE* fp, const NbnxnPairlistGpu& nbl)
2606 {
2607     for (const nbnxn_sci_t& sci : nbl.sci)
2608     {
2609         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n", sci.sci, sci.shift, sci.numJClusterGroups());
2610
2611         int ncp = 0;
2612         for (int j4 = sci.cj4_ind_start; j4 < sci.cj4_ind_end; j4++)
2613         {
2614             for (int j = 0; j < c_nbnxnGpuJgroupSize; j++)
2615             {
2616                 fprintf(fp, "  sj %5d  imask %x\n", nbl.cj4[j4].cj[j], nbl.cj4[j4].imei[0].imask);
2617                 for (int si = 0; si < c_gpuNumClusterPerCell; si++)
2618                 {
2619                     if (nbl.cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j * c_gpuNumClusterPerCell + si)))
2620                     {
2621                         ncp++;
2622                     }
2623                 }
2624             }
2625         }
2626         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d ncp %3d\n", sci.sci, sci.shift,
2627                 sci.numJClusterGroups(), ncp);
2628     }
2629 }
2630
2631 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
2632 static void combine_nblists(gmx::ArrayRef<const NbnxnPairlistGpu> nbls, NbnxnPairlistGpu* nblc)
2633 {
2634     int nsci  = nblc->sci.size();
2635     int ncj4  = nblc->cj4.size();
2636     int nexcl = nblc->excl.size();
2637     for (auto& nbl : nbls)
2638     {
2639         nsci += nbl.sci.size();
2640         ncj4 += nbl.cj4.size();
2641         nexcl += nbl.excl.size();
2642     }
2643
2644     /* Resize with the final, combined size, so we can fill in parallel */
2645     /* NOTE: For better performance we should use default initialization */
2646     nblc->sci.resize(nsci);
2647     nblc->cj4.resize(ncj4);
2648     nblc->excl.resize(nexcl);
2649
2650     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
2651      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
2652      */
2653     const int gmx_unused nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
2654
2655 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
2656     for (gmx::index n = 0; n < nbls.ssize(); n++)
2657     {
2658         try
2659         {
2660             /* Determine the offset in the combined data for our thread.
2661              * Note that the original sizes in nblc are lost.
2662              */
2663             int sci_offset  = nsci;
2664             int cj4_offset  = ncj4;
2665             int excl_offset = nexcl;
2666
2667             for (gmx::index i = n; i < nbls.ssize(); i++)
2668             {
2669                 sci_offset -= nbls[i].sci.size();
2670                 cj4_offset -= nbls[i].cj4.size();
2671                 excl_offset -= nbls[i].excl.size();
2672             }
2673
2674             const NbnxnPairlistGpu& nbli = nbls[n];
2675
2676             for (size_t i = 0; i < nbli.sci.size(); i++)
2677             {
2678                 nblc->sci[sci_offset + i] = nbli.sci[i];
2679                 nblc->sci[sci_offset + i].cj4_ind_start += cj4_offset;
2680                 nblc->sci[sci_offset + i].cj4_ind_end += cj4_offset;
2681             }
2682
2683             for (size_t j4 = 0; j4 < nbli.cj4.size(); j4++)
2684             {
2685                 nblc->cj4[cj4_offset + j4] = nbli.cj4[j4];
2686                 nblc->cj4[cj4_offset + j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
2687                 nblc->cj4[cj4_offset + j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
2688             }
2689
2690             for (size_t j4 = 0; j4 < nbli.excl.size(); j4++)
2691             {
2692                 nblc->excl[excl_offset + j4] = nbli.excl[j4];
2693             }
2694         }
2695         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
2696     }
2697
2698     for (auto& nbl : nbls)
2699     {
2700         nblc->nci_tot += nbl.nci_tot;
2701     }
2702 }
2703
2704 static void balance_fep_lists(gmx::ArrayRef<std::unique_ptr<t_nblist>> fepLists,
2705                               gmx::ArrayRef<PairsearchWork>            work)
2706 {
2707     const int numLists = fepLists.ssize();
2708
2709     if (numLists == 1)
2710     {
2711         /* Nothing to balance */
2712         return;
2713     }
2714
2715     /* Count the total i-lists and pairs */
2716     int nri_tot = 0;
2717     int nrj_tot = 0;
2718     for (const auto& list : fepLists)
2719     {
2720         nri_tot += list->nri;
2721         nrj_tot += list->nrj;
2722     }
2723
2724     const int nrj_target = (nrj_tot + numLists - 1) / numLists;
2725
2726     GMX_ASSERT(gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) == numLists,
2727                "We should have as many work objects as FEP lists");
2728
2729 #pragma omp parallel for schedule(static) num_threads(numLists)
2730     for (int th = 0; th < numLists; th++)
2731     {
2732         try
2733         {
2734             t_nblist* nbl = work[th].nbl_fep.get();
2735
2736             /* Note that here we allocate for the total size, instead of
2737              * a per-thread esimate (which is hard to obtain).
2738              */
2739             if (nri_tot > nbl->maxnri)
2740             {
2741                 nbl->maxnri = over_alloc_large(nri_tot);
2742                 reallocate_nblist(nbl);
2743             }
2744             if (nri_tot > nbl->maxnri || nrj_tot > nbl->maxnrj)
2745             {
2746                 nbl->maxnrj = over_alloc_small(nrj_tot);
2747                 srenew(nbl->jjnr, nbl->maxnrj);
2748                 srenew(nbl->excl_fep, nbl->maxnrj);
2749             }
2750
2751             clear_pairlist_fep(nbl);
2752         }
2753         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
2754     }
2755
2756     /* Loop over the source lists and assign and copy i-entries */
2757     int       th_dest = 0;
2758     t_nblist* nbld    = work[th_dest].nbl_fep.get();
2759     for (int th = 0; th < numLists; th++)
2760     {
2761         const t_nblist* nbls = fepLists[th].get();
2762
2763         for (int i = 0; i < nbls->nri; i++)
2764         {
2765             int nrj;
2766
2767             /* The number of pairs in this i-entry */
2768             nrj = nbls->jindex[i + 1] - nbls->jindex[i];
2769
2770             /* Decide if list th_dest is too large and we should procede
2771              * to the next destination list.
2772              */
2773             if (th_dest + 1 < numLists && nbld->nrj > 0
2774                 && nbld->nrj + nrj - nrj_target > nrj_target - nbld->nrj)
2775             {
2776                 th_dest++;
2777                 nbld = work[th_dest].nbl_fep.get();
2778             }
2779
2780             nbld->iinr[nbld->nri]  = nbls->iinr[i];
2781             nbld->gid[nbld->nri]   = nbls->gid[i];
2782             nbld->shift[nbld->nri] = nbls->shift[i];
2783
2784             for (int j = nbls->jindex[i]; j < nbls->jindex[i + 1]; j++)
2785             {
2786                 nbld->jjnr[nbld->nrj]     = nbls->jjnr[j];
2787                 nbld->excl_fep[nbld->nrj] = nbls->excl_fep[j];
2788                 nbld->nrj++;
2789             }
2790             nbld->nri++;
2791             nbld->jindex[nbld->nri] = nbld->nrj;
2792         }
2793     }
2794
2795     /* Swap the list pointers */
2796     for (int th = 0; th < numLists; th++)
2797     {
2798         fepLists[th].swap(work[th].nbl_fep);
2799
2800         if (debug)
2801         {
2802             fprintf(debug, "nbl_fep[%d] nri %4d nrj %4d\n", th, fepLists[th]->nri, fepLists[th]->nrj);
2803         }
2804     }
2805 }
2806
2807 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
2808 static gmx_bool next_ci(const Grid& grid, int nth, int ci_block, int* ci_x, int* ci_y, int* ci_b, int* ci)
2809 {
2810     (*ci_b)++;
2811     (*ci)++;
2812
2813     if (*ci_b == ci_block)
2814     {
2815         /* Jump to the next block assigned to this task */
2816         *ci += (nth - 1) * ci_block;
2817         *ci_b = 0;
2818     }
2819
2820     if (*ci >= grid.numCells())
2821     {
2822         return FALSE;
2823     }
2824
2825     while (*ci >= grid.firstCellInColumn(*ci_x * grid.dimensions().numCells[YY] + *ci_y + 1))
2826     {
2827         *ci_y += 1;
2828         if (*ci_y == grid.dimensions().numCells[YY])
2829         {
2830             *ci_x += 1;
2831             *ci_y = 0;
2832         }
2833     }
2834
2835     return TRUE;
2836 }
2837
2838 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
2839  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
2840  */
2841 static float boundingbox_only_distance2(const Grid::Dimensions& iGridDims,
2842                                         const Grid::Dimensions& jGridDims,
2843                                         real                    rlist,
2844                                         gmx_bool                simple)
2845 {
2846     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
2847      * than this distance, do not check the distance between
2848      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
2849      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
2850      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
2851      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
2852      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
2853      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
2854      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
2855      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
2856      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
2857      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
2858      */
2859     real bbx, bby;
2860     real rbb2;
2861
2862     bbx = 0.5 * (iGridDims.cellSize[XX] + jGridDims.cellSize[XX]);
2863     bby = 0.5 * (iGridDims.cellSize[YY] + jGridDims.cellSize[YY]);
2864     if (!simple)
2865     {
2866         bbx /= c_gpuNumClusterPerCellX;
2867         bby /= c_gpuNumClusterPerCellY;
2868     }
2869
2870     rbb2 = std::max(0.0, rlist - 0.5 * std::sqrt(bbx * bbx + bby * bby));
2871     rbb2 = rbb2 * rbb2;
2872
2873 #if !GMX_DOUBLE
2874     return rbb2;
2875 #else
2876     return (float)((1 + GMX_FLOAT_EPS) * rbb2);
2877 #endif
2878 }
2879
2880 static int get_ci_block_size(const Grid& iGrid, const bool haveMultipleDomains, const int numLists)
2881 {
2882     const int ci_block_enum      = 5;
2883     const int ci_block_denom     = 11;
2884     const int ci_block_min_atoms = 16;
2885     int       ci_block;
2886
2887     /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
2888      * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
2889      * a multiple of the number of threads, which would lead to some
2890      * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
2891      * which in turns will lead to load imbalance between threads.
2892      * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
2893      * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
2894      * of the grid parts of the different thread along all three grid
2895      * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
2896      * the blocks will not become too small.
2897      */
2898     GMX_ASSERT(iGrid.dimensions().numCells[XX] > 0, "Grid can't be empty");
2899     GMX_ASSERT(numLists > 0, "We need at least one list");
2900     ci_block = (iGrid.numCells() * ci_block_enum)
2901                / (ci_block_denom * iGrid.dimensions().numCells[XX] * numLists);
2902
2903     const int numAtomsPerCell = iGrid.geometry().numAtomsPerCell;
2904
2905     /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
2906     if (ci_block * numAtomsPerCell < ci_block_min_atoms)
2907     {
2908         ci_block = (ci_block_min_atoms + numAtomsPerCell - 1) / numAtomsPerCell;
2909     }
2910
2911     /* Without domain decomposition
2912      * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
2913      */
2914     if (!haveMultipleDomains || numLists * 3 * ci_block > iGrid.numCells())
2915     {
2916         ci_block = (iGrid.numCells() + numLists - 1) / numLists;
2917     }
2918
2919     if (ci_block > 1 && (numLists - 1) * ci_block >= iGrid.numCells())
2920     {
2921         /* Some threads have no work. Although reducing the block size
2922          * does not decrease the block count on the first few threads,
2923          * with GPUs better mixing of "upper" cells that have more empty
2924          * clusters results in a somewhat lower max load over all threads.
2925          * Without GPUs the regime of so few atoms per thread is less
2926          * performance relevant, but with 8-wide SIMD the same reasoning
2927          * applies, since the pair list uses 4 i-atom "sub-clusters".
2928          */
2929         ci_block--;
2930     }
2931
2932     return ci_block;
2933 }
2934
2935 /* Returns the number of bits to right-shift a cluster index to obtain
2936  * the corresponding force buffer flag index.
2937  */
2938 static int getBufferFlagShift(int numAtomsPerCluster)
2939 {
2940     int bufferFlagShift = 0;
2941     while ((numAtomsPerCluster << bufferFlagShift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
2942     {
2943         bufferFlagShift++;
2944     }
2945
2946     return bufferFlagShift;
2947 }
2948
2949 static bool pairlistIsSimple(const NbnxnPairlistCpu gmx_unused& pairlist)
2950 {
2951     return true;
2952 }
2953
2954 static bool pairlistIsSimple(const NbnxnPairlistGpu gmx_unused& pairlist)
2955 {
2956     return false;
2957 }
2958
2959 static void makeClusterListWrapper(NbnxnPairlistCpu* nbl,
2960                                    const Grid gmx_unused&          iGrid,
2961                                    const int                       ci,
2962                                    const Grid&                     jGrid,
2963                                    const int                       firstCell,
2964                                    const int                       lastCell,
2965                                    const bool                      excludeSubDiagonal,
2966                                    const nbnxn_atomdata_t*         nbat,
2967                                    const real                      rlist2,
2968                                    const real                      rbb2,
2969                                    const ClusterDistanceKernelType kernelType,
2970                                    int*                            numDistanceChecks)
2971 {
2972     switch (kernelType)
2973     {
2974         case ClusterDistanceKernelType::CpuPlainC:
2975             makeClusterListSimple(jGrid, nbl, ci, firstCell, lastCell, excludeSubDiagonal,
2976                                   nbat->x().data(), rlist2, rbb2, numDistanceChecks);
2977             break;
2978 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
2979         case ClusterDistanceKernelType::CpuSimd_4xM:
2980             makeClusterListSimd4xn(jGrid, nbl, ci, firstCell, lastCell, excludeSubDiagonal,
2981                                    nbat->x().data(), rlist2, rbb2, numDistanceChecks);
2982             break;
2983 #endif
2984 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
2985         case ClusterDistanceKernelType::CpuSimd_2xMM:
2986             makeClusterListSimd2xnn(jGrid, nbl, ci, firstCell, lastCell, excludeSubDiagonal,
2987                                     nbat->x().data(), rlist2, rbb2, numDistanceChecks);
2988             break;
2989 #endif
2990         default: GMX_ASSERT(false, "Unhandled kernel type");
2991     }
2992 }
2993
2994 static void makeClusterListWrapper(NbnxnPairlistGpu* nbl,
2995                                    const Grid& gmx_unused    iGrid,
2996                                    const int                 ci,
2997                                    const Grid&               jGrid,
2998                                    const int                 firstCell,
2999                                    const int                 lastCell,
3000                                    const bool                excludeSubDiagonal,
3001                                    const nbnxn_atomdata_t*   nbat,
3002                                    const real                rlist2,
3003                                    const real                rbb2,
3004                                    ClusterDistanceKernelType gmx_unused kernelType,
3005                                    int*                                 numDistanceChecks)
3006 {
3007     for (int cj = firstCell; cj <= lastCell; cj++)
3008     {
3009         make_cluster_list_supersub(iGrid, jGrid, nbl, ci, cj, excludeSubDiagonal, nbat->xstride,
3010                                    nbat->x().data(), rlist2, rbb2, numDistanceChecks);
3011     }
3012 }
3013
3014 static int getNumSimpleJClustersInList(const NbnxnPairlistCpu& nbl)
3015 {
3016     return nbl.cj.size();
3017 }
3018
3019 static int getNumSimpleJClustersInList(const gmx_unused NbnxnPairlistGpu& nbl)
3020 {
3021     return 0;
3022 }
3023
3024 static void incrementNumSimpleJClustersInList(NbnxnPairlistCpu* nbl, int ncj_old_j)
3025 {
3026     nbl->ncjInUse += nbl->cj.size();
3027     nbl->ncjInUse -= ncj_old_j;
3028 }
3029
3030 static void incrementNumSimpleJClustersInList(NbnxnPairlistGpu gmx_unused* nbl, int gmx_unused ncj_old_j)
3031 {
3032 }
3033
3034 static void checkListSizeConsistency(const NbnxnPairlistCpu& nbl, const bool haveFreeEnergy)
3035 {
3036     GMX_RELEASE_ASSERT(static_cast<size_t>(nbl.ncjInUse) == nbl.cj.size() || haveFreeEnergy,
3037                        "Without free-energy all cj pair-list entries should be in use. "
3038                        "Note that subsequent code does not make use of the equality, "
3039                        "this check is only here to catch bugs");
3040 }
3041
3042 static void checkListSizeConsistency(const NbnxnPairlistGpu gmx_unused& nbl, bool gmx_unused haveFreeEnergy)
3043 {
3044     /* We currently can not check consistency here */
3045 }
3046
3047 /* Set the buffer flags for newly added entries in the list */
3048 static void setBufferFlags(const NbnxnPairlistCpu& nbl,
3049                            const int               ncj_old_j,
3050                            const int               gridj_flag_shift,
3051                            gmx_bitmask_t*          gridj_flag,
3052                            const int               th)
3053 {
3054     if (gmx::ssize(nbl.cj) > ncj_old_j)
3055     {
3056         int cbFirst = nbl.cj[ncj_old_j].cj >> gridj_flag_shift;
3057         int cbLast  = nbl.cj.back().cj >> gridj_flag_shift;
3058         for (int cb = cbFirst; cb <= cbLast; cb++)
3059         {
3060             bitmask_init_bit(&gridj_flag[cb], th);
3061         }
3062     }
3063 }
3064
3065 static void setBufferFlags(const NbnxnPairlistGpu gmx_unused& nbl,
3066                            int gmx_unused ncj_old_j,
3067                            int gmx_unused gridj_flag_shift,
3068                            gmx_bitmask_t gmx_unused* gridj_flag,
3069                            int gmx_unused th)
3070 {
3071     GMX_ASSERT(false, "This function should never be called");
3072 }
3073
3074 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
3075 template<typename T>
3076 static void nbnxn_make_pairlist_part(const Nbnxm::GridSet&   gridSet,
3077                                      const Grid&             iGrid,
3078                                      const Grid&             jGrid,
3079                                      PairsearchWork*         work,
3080                                      const nbnxn_atomdata_t* nbat,
3081                                      const ListOfLists<int>& exclusions,
3082                                      real                    rlist,
3083                                      const PairlistType      pairlistType,
3084                                      int                     ci_block,
3085                                      gmx_bool                bFBufferFlag,
3086                                      int                     nsubpair_max,
3087                                      gmx_bool                progBal,
3088                                      float                   nsubpair_tot_est,
3089                                      int                     th,
3090                                      int                     nth,
3091                                      T*                      nbl,
3092                                      t_nblist*               nbl_fep)
3093 {
3094     int            na_cj_2log;
3095     matrix         box;
3096     real           rl_fep2 = 0;
3097     float          rbb2;
3098     int            ci_b, ci, ci_x, ci_y, ci_xy;
3099     ivec           shp;
3100     real           bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1;
3101     real           bz1_frac;
3102     real           d2cx, d2z, d2z_cx, d2z_cy, d2zx, d2zxy, d2xy;
3103     int            cxf, cxl, cyf, cyf_x, cyl;
3104     int            numDistanceChecks;
3105     int            gridi_flag_shift = 0, gridj_flag_shift = 0;
3106     gmx_bitmask_t* gridj_flag = nullptr;
3107     int            ncj_old_i, ncj_old_j;
3108
3109     if (jGrid.geometry().isSimple != pairlistIsSimple(*nbl)
3110         || iGrid.geometry().isSimple != pairlistIsSimple(*nbl))
3111     {
3112         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
3113     }
3114
3115     sync_work(nbl);
3116     GMX_ASSERT(nbl->na_ci == jGrid.geometry().numAtomsICluster,
3117                "The cluster sizes in the list and grid should match");
3118     nbl->na_cj = JClusterSizePerListType[pairlistType];
3119     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
3120
3121     nbl->rlist = rlist;
3122
3123     if (bFBufferFlag)
3124     {
3125         /* Determine conversion of clusters to flag blocks */
3126         gridi_flag_shift = getBufferFlagShift(nbl->na_ci);
3127         gridj_flag_shift = getBufferFlagShift(nbl->na_cj);
3128
3129         gridj_flag = work->buffer_flags.data();
3130     }
3131
3132     gridSet.getBox(box);
3133
3134     const bool haveFep = gridSet.haveFep();
3135
3136     const real rlist2 = nbl->rlist * nbl->rlist;
3137
3138     // Select the cluster pair distance kernel type
3139     const ClusterDistanceKernelType kernelType = getClusterDistanceKernelType(pairlistType, *nbat);
3140
3141     if (haveFep && !pairlistIsSimple(*nbl))
3142     {
3143         /* Determine an atom-pair list cut-off distance for FEP atom pairs.
3144          * We should not simply use rlist, since then we would not have
3145          * the small, effective buffering of the NxN lists.
3146          * The buffer is on overestimate, but the resulting cost for pairs
3147          * beyond rlist is neglible compared to the FEP pairs within rlist.
3148          */
3149         rl_fep2 = nbl->rlist + effective_buffer_1x1_vs_MxN(iGrid, jGrid);
3150
3151         if (debug)
3152         {
3153             fprintf(debug, "nbl_fep atom-pair rlist %f\n", rl_fep2);
3154         }
3155         rl_fep2 = rl_fep2 * rl_fep2;
3156     }
3157
3158     const Grid::Dimensions& iGridDims = iGrid.dimensions();
3159     const Grid::Dimensions& jGridDims = jGrid.dimensions();
3160
3161     rbb2 = boundingbox_only_distance2(iGridDims, jGridDims, nbl->rlist, pairlistIsSimple(*nbl));
3162
3163     if (debug)
3164     {
3165         fprintf(debug, "nbl bounding box only distance %f\n", std::sqrt(rbb2));
3166     }
3167
3168     const bool isIntraGridList = (&iGrid == &jGrid);
3169
3170     /* Set the shift range */
3171     for (int d = 0; d < DIM; d++)
3172     {
3173         /* Check if we need periodicity shifts.
3174          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
3175          */
3176         if (d >= numPbcDimensions(gridSet.domainSetup().pbcType)
3177             || gridSet.domainSetup().haveMultipleDomainsPerDim[d])
3178         {
3179             shp[d] = 0;
3180         }
3181         else
3182         {
3183             const real listRangeCellToCell =
3184                     listRangeForGridCellToGridCell(rlist, iGrid.dimensions(), jGrid.dimensions());
3185             if (d == XX && box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < listRangeCellToCell)
3186             {
3187                 shp[d] = 2;
3188             }
3189             else
3190             {
3191                 shp[d] = 1;
3192             }
3193         }
3194     }
3195     const bool                       bSimple = pairlistIsSimple(*nbl);
3196     gmx::ArrayRef<const BoundingBox> bb_i;
3197 #if NBNXN_BBXXXX
3198     gmx::ArrayRef<const float> pbb_i;
3199     if (bSimple)
3200     {
3201         bb_i = iGrid.iBoundingBoxes();
3202     }
3203     else
3204     {
3205         pbb_i = iGrid.packedBoundingBoxes();
3206     }
3207 #else
3208     /* We use the normal bounding box format for both grid types */
3209     bb_i = iGrid.iBoundingBoxes();
3210 #endif
3211     gmx::ArrayRef<const BoundingBox1D> bbcz_i  = iGrid.zBoundingBoxes();
3212     gmx::ArrayRef<const int>           flags_i = iGrid.clusterFlags();
3213     gmx::ArrayRef<const BoundingBox1D> bbcz_j  = jGrid.zBoundingBoxes();
3214     int                                cell0_i = iGrid.cellOffset();
3215
3216     if (debug)
3217     {
3218         fprintf(debug, "nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n", iGrid.numCells(),
3219                 iGrid.numCells() / static_cast<double>(iGrid.numColumns()), ci_block);
3220     }
3221
3222     numDistanceChecks = 0;
3223
3224     const real listRangeBBToJCell2 =
3225             gmx::square(listRangeForBoundingBoxToGridCell(rlist, jGrid.dimensions()));
3226
3227     /* Initially ci_b and ci to 1 before where we want them to start,
3228      * as they will both be incremented in next_ci.
3229      */
3230     ci_b = -1;
3231     ci   = th * ci_block - 1;
3232     ci_x = 0;
3233     ci_y = 0;
3234     while (next_ci(iGrid, nth, ci_block, &ci_x, &ci_y, &ci_b, &ci))
3235     {
3236         if (bSimple && flags_i[ci] == 0)
3237         {
3238             continue;
3239         }
3240         ncj_old_i = getNumSimpleJClustersInList(*nbl);
3241
3242         d2cx = 0;
3243         if (!isIntraGridList && shp[XX] == 0)
3244         {
3245             if (bSimple)
3246             {
3247                 bx1 = bb_i[ci].upper.x;
3248             }
3249             else
3250             {
3251                 bx1 = iGridDims.lowerCorner[XX] + (real(ci_x) + 1) * iGridDims.cellSize[XX];
3252             }
3253             if (bx1 < jGridDims.lowerCorner[XX])
3254             {
3255                 d2cx = gmx::square(jGridDims.lowerCorner[XX] - bx1);
3256
3257                 if (d2cx >= listRangeBBToJCell2)
3258                 {
3259                     continue;
3260                 }
3261             }
3262         }
3263
3264         ci_xy = ci_x * iGridDims.numCells[YY] + ci_y;
3265
3266         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
3267         for (int tz = -shp[ZZ]; tz <= shp[ZZ]; tz++)
3268         {
3269             const real shz = real(tz) * box[ZZ][ZZ];
3270
3271             bz0 = bbcz_i[ci].lower + shz;
3272             bz1 = bbcz_i[ci].upper + shz;
3273
3274             if (tz == 0)
3275             {
3276                 d2z = 0;
3277             }
3278             else if (tz < 0)
3279             {
3280                 d2z = gmx::square(bz1);
3281             }
3282             else
3283             {
3284                 d2z = gmx::square(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
3285             }
3286
3287             d2z_cx = d2z + d2cx;
3288
3289             if (d2z_cx >= rlist2)
3290             {
3291                 continue;
3292             }
3293
3294             bz1_frac = bz1 / real(iGrid.numCellsInColumn(ci_xy));
3295             if (bz1_frac < 0)
3296             {
3297                 bz1_frac = 0;
3298             }
3299             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
3300
3301             for (int ty = -shp[YY]; ty <= shp[YY]; ty++)
3302             {
3303                 const real shy = real(ty) * box[YY][YY] + real(tz) * box[ZZ][YY];
3304
3305                 if (bSimple)
3306                 {
3307                     by0 = bb_i[ci].lower.y + shy;
3308                     by1 = bb_i[ci].upper.y + shy;
3309                 }
3310                 else
3311                 {
3312                     by0 = iGridDims.lowerCorner[YY] + (real(ci_y)) * iGridDims.cellSize[YY] + shy;
3313                     by1 = iGridDims.lowerCorner[YY] + (real(ci_y) + 1) * iGridDims.cellSize[YY] + shy;
3314                 }
3315
3316                 get_cell_range<YY>(by0, by1, jGridDims, d2z_cx, rlist, &cyf, &cyl);
3317
3318                 if (cyf > cyl)
3319                 {
3320                     continue;
3321                 }
3322
3323                 d2z_cy = d2z;
3324                 if (by1 < jGridDims.lowerCorner[YY])
3325                 {
3326                     d2z_cy += gmx::square(jGridDims.lowerCorner[YY] - by1);
3327                 }
3328                 else if (by0 > jGridDims.upperCorner[YY])
3329                 {
3330                     d2z_cy += gmx::square(by0 - jGridDims.upperCorner[YY]);
3331                 }
3332
3333                 for (int tx = -shp[XX]; tx <= shp[XX]; tx++)
3334                 {
3335                     const int shift = XYZ2IS(tx, ty, tz);
3336
3337                     const bool excludeSubDiagonal = (isIntraGridList && shift == CENTRAL);
3338
3339                     if (c_pbcShiftBackward && isIntraGridList && shift > CENTRAL)
3340                     {
3341                         continue;
3342                     }
3343
3344                     const real shx =
3345                             real(tx) * box[XX][XX] + real(ty) * box[YY][XX] + real(tz) * box[ZZ][XX];
3346
3347                     if (bSimple)
3348                     {
3349                         bx0 = bb_i[ci].lower.x + shx;
3350                         bx1 = bb_i[ci].upper.x + shx;
3351                     }
3352                     else
3353                     {
3354                         bx0 = iGridDims.lowerCorner[XX] + (real(ci_x)) * iGridDims.cellSize[XX] + shx;
3355                         bx1 = iGridDims.lowerCorner[XX] + (real(ci_x) + 1) * iGridDims.cellSize[XX] + shx;
3356                     }
3357
3358                     get_cell_range<XX>(bx0, bx1, jGridDims, d2z_cy, rlist, &cxf, &cxl);
3359
3360                     if (cxf > cxl)
3361                     {
3362                         continue;
3363                     }
3364
3365                     addNewIEntry(nbl, cell0_i + ci, shift, flags_i[ci]);
3366
3367                     if ((!c_pbcShiftBackward || excludeSubDiagonal) && cxf < ci_x)
3368                     {
3369                         /* Leave the pairs with i > j.
3370                          * x is the major index, so skip half of it.
3371                          */
3372                         cxf = ci_x;
3373                     }
3374
3375                     set_icell_bb(iGrid, ci, shx, shy, shz, nbl->work.get());
3376
3377                     icell_set_x(cell0_i + ci, shx, shy, shz, nbat->xstride, nbat->x().data(),
3378                                 kernelType, nbl->work.get());
3379
3380                     for (int cx = cxf; cx <= cxl; cx++)
3381                     {
3382                         const real cx_real = cx;
3383                         d2zx               = d2z;
3384                         if (jGridDims.lowerCorner[XX] + cx_real * jGridDims.cellSize[XX] > bx1)
3385                         {
3386                             d2zx += gmx::square(jGridDims.lowerCorner[XX]
3387                                                 + cx_real * jGridDims.cellSize[XX] - bx1);
3388                         }
3389                         else if (jGridDims.lowerCorner[XX] + (cx_real + 1) * jGridDims.cellSize[XX] < bx0)
3390                         {
3391                             d2zx += gmx::square(jGridDims.lowerCorner[XX]
3392                                                 + (cx_real + 1) * jGridDims.cellSize[XX] - bx0);
3393                         }
3394
3395                         if (isIntraGridList && cx == 0 && (!c_pbcShiftBackward || shift == CENTRAL)
3396                             && cyf < ci_y)
3397                         {
3398                             /* Leave the pairs with i > j.
3399                              * Skip half of y when i and j have the same x.
3400                              */
3401                             cyf_x = ci_y;
3402                         }
3403                         else
3404                         {
3405                             cyf_x = cyf;
3406                         }
3407
3408                         for (int cy = cyf_x; cy <= cyl; cy++)
3409                         {
3410                             const int columnStart =
3411                                     jGrid.firstCellInColumn(cx * jGridDims.numCells[YY] + cy);
3412                             const int columnEnd =
3413                                     jGrid.firstCellInColumn(cx * jGridDims.numCells[YY] + cy + 1);
3414
3415                             const real cy_real = cy;
3416                             d2zxy              = d2zx;
3417                             if (jGridDims.lowerCorner[YY] + cy_real * jGridDims.cellSize[YY] > by1)
3418                             {
3419                                 d2zxy += gmx::square(jGridDims.lowerCorner[YY]
3420                                                      + cy_real * jGridDims.cellSize[YY] - by1);
3421                             }
3422                             else if (jGridDims.lowerCorner[YY] + (cy_real + 1) * jGridDims.cellSize[YY] < by0)
3423                             {
3424                                 d2zxy += gmx::square(jGridDims.lowerCorner[YY]
3425                                                      + (cy_real + 1) * jGridDims.cellSize[YY] - by0);
3426                             }
3427                             if (columnStart < columnEnd && d2zxy < listRangeBBToJCell2)
3428                             {
3429                                 /* To improve efficiency in the common case
3430                                  * of a homogeneous particle distribution,
3431                                  * we estimate the index of the middle cell
3432                                  * in range (midCell). We search down and up
3433                                  * starting from this index.
3434                                  *
3435                                  * Note that the bbcz_j array contains bounds
3436                                  * for i-clusters, thus for clusters of 4 atoms.
3437                                  * For the common case where the j-cluster size
3438                                  * is 8, we could step with a stride of 2,
3439                                  * but we do not do this because it would
3440                                  * complicate this code even more.
3441                                  */
3442                                 int midCell =
3443                                         columnStart
3444                                         + static_cast<int>(bz1_frac
3445                                                            * static_cast<real>(columnEnd - columnStart));
3446                                 if (midCell >= columnEnd)
3447                                 {
3448                                     midCell = columnEnd - 1;
3449                                 }
3450
3451                                 d2xy = d2zxy - d2z;
3452
3453                                 /* Find the lowest cell that can possibly
3454                                  * be within range.
3455                                  * Check if we hit the bottom of the grid,
3456                                  * if the j-cell is below the i-cell and if so,
3457                                  * if it is within range.
3458                                  */
3459                                 int downTestCell = midCell;
3460                                 while (downTestCell >= columnStart
3461                                        && (bbcz_j[downTestCell].upper >= bz0
3462                                            || d2xy + gmx::square(bbcz_j[downTestCell].upper - bz0) < rlist2))
3463                                 {
3464                                     downTestCell--;
3465                                 }
3466                                 int firstCell = downTestCell + 1;
3467
3468                                 /* Find the highest cell that can possibly
3469                                  * be within range.
3470                                  * Check if we hit the top of the grid,
3471                                  * if the j-cell is above the i-cell and if so,
3472                                  * if it is within range.
3473                                  */
3474                                 int upTestCell = midCell + 1;
3475                                 while (upTestCell < columnEnd
3476                                        && (bbcz_j[upTestCell].lower <= bz1
3477                                            || d2xy + gmx::square(bbcz_j[upTestCell].lower - bz1) < rlist2))
3478                                 {
3479                                     upTestCell++;
3480                                 }
3481                                 int lastCell = upTestCell - 1;
3482
3483 #define NBNXN_REFCODE 0
3484 #if NBNXN_REFCODE
3485                                 {
3486                                     /* Simple reference code, for debugging,
3487                                      * overrides the more complex code above.
3488                                      */
3489                                     firstCell = columnEnd;
3490                                     lastCell  = -1;
3491                                     for (int k = columnStart; k < columnEnd; k++)
3492                                     {
3493                                         if (d2xy + gmx::square(bbcz_j[k * NNBSBB_D + 1] - bz0) < rlist2
3494                                             && k < firstCell)
3495                                         {
3496                                             firstCell = k;
3497                                         }
3498                                         if (d2xy + gmx::square(bbcz_j[k * NNBSBB_D] - bz1) < rlist2
3499                                             && k > lastCell)
3500                                         {
3501                                             lastCell = k;
3502                                         }
3503                                     }
3504                                 }
3505 #endif
3506
3507                                 if (isIntraGridList)
3508                                 {
3509                                     /* We want each atom/cell pair only once,
3510                                      * only use cj >= ci.
3511                                      */
3512                                     if (!c_pbcShiftBackward || shift == CENTRAL)
3513                                     {
3514                                         firstCell = std::max(firstCell, ci);
3515                                     }
3516                                 }
3517
3518                                 if (firstCell <= lastCell)
3519                                 {
3520                                     GMX_ASSERT(firstCell >= columnStart && lastCell < columnEnd,
3521                                                "The range should reside within the current grid "
3522                                                "column");
3523
3524                                     /* For f buffer flags with simple lists */
3525                                     ncj_old_j = getNumSimpleJClustersInList(*nbl);
3526
3527                                     makeClusterListWrapper(nbl, iGrid, ci, jGrid, firstCell, lastCell,
3528                                                            excludeSubDiagonal, nbat, rlist2, rbb2,
3529                                                            kernelType, &numDistanceChecks);
3530
3531                                     if (bFBufferFlag)
3532                                     {
3533                                         setBufferFlags(*nbl, ncj_old_j, gridj_flag_shift, gridj_flag, th);
3534                                     }
3535
3536                                     incrementNumSimpleJClustersInList(nbl, ncj_old_j);
3537                                 }
3538                             }
3539                         }
3540                     }
3541
3542                     if (!exclusions.empty())
3543                     {
3544                         /* Set the exclusions for this ci list */
3545                         setExclusionsForIEntry(gridSet, nbl, excludeSubDiagonal, na_cj_2log,
3546                                                *getOpenIEntry(nbl), exclusions);
3547                     }
3548
3549                     if (haveFep)
3550                     {
3551                         make_fep_list(gridSet.atomIndices(), nbat, nbl, excludeSubDiagonal,
3552                                       getOpenIEntry(nbl), shx, shy, shz, rl_fep2, iGrid, jGrid, nbl_fep);
3553                     }
3554
3555                     /* Close this ci list */
3556                     closeIEntry(nbl, nsubpair_max, progBal, nsubpair_tot_est, th, nth);
3557                 }
3558             }
3559         }
3560
3561         if (bFBufferFlag && getNumSimpleJClustersInList(*nbl) > ncj_old_i)
3562         {
3563             bitmask_init_bit(&(work->buffer_flags[(iGrid.cellOffset() + ci) >> gridi_flag_shift]), th);
3564         }
3565     }
3566
3567     work->ndistc = numDistanceChecks;
3568
3569     checkListSizeConsistency(*nbl, haveFep);
3570
3571     if (debug)
3572     {
3573         fprintf(debug, "number of distance checks %d\n", numDistanceChecks);
3574
3575         print_nblist_statistics(debug, *nbl, gridSet, rlist);
3576
3577         if (haveFep)
3578         {
3579             fprintf(debug, "nbl FEP list pairs: %d\n", nbl_fep->nrj);
3580         }
3581     }
3582 }
3583
3584 static void reduce_buffer_flags(gmx::ArrayRef<PairsearchWork> searchWork,
3585                                 int                           nsrc,
3586                                 gmx::ArrayRef<gmx_bitmask_t>  dest)
3587 {
3588     for (int s = 0; s < nsrc; s++)
3589     {
3590         gmx::ArrayRef<gmx_bitmask_t> flags(searchWork[s].buffer_flags);
3591
3592         for (size_t b = 0; b < dest.size(); b++)
3593         {
3594             gmx_bitmask_t& flag = dest[b];
3595             bitmask_union(&flag, flags[b]);
3596         }
3597     }
3598 }
3599
3600 static void print_reduction_cost(gmx::ArrayRef<const gmx_bitmask_t> flags, int nout)
3601 {
3602     int           nelem, nkeep, ncopy, nred, out;
3603     gmx_bitmask_t mask_0;
3604
3605     nelem = 0;
3606     nkeep = 0;
3607     ncopy = 0;
3608     nred  = 0;
3609     bitmask_init_bit(&mask_0, 0);
3610     for (const gmx_bitmask_t& flag_mask : flags)
3611     {
3612         if (bitmask_is_equal(flag_mask, mask_0))
3613         {
3614             /* Only flag 0 is set, no copy of reduction required */
3615             nelem++;
3616             nkeep++;
3617         }
3618         else if (!bitmask_is_zero(flag_mask))
3619         {
3620             int c = 0;
3621             for (out = 0; out < nout; out++)
3622             {
3623                 if (bitmask_is_set(flag_mask, out))
3624                 {
3625                     c++;
3626                 }
3627             }
3628             nelem += c;
3629             if (c == 1)
3630             {
3631                 ncopy++;
3632             }
3633             else
3634             {
3635                 nred += c;
3636             }
3637         }
3638     }
3639     const auto numFlags = static_cast<double>(flags.size());
3640     fprintf(debug,
3641             "nbnxn reduction: #flag %zu #list %d elem %4.2f, keep %4.2f copy %4.2f red %4.2f\n",
3642             flags.size(), nout, nelem / numFlags, nkeep / numFlags, ncopy / numFlags, nred / numFlags);
3643 }
3644
3645 /* Copies the list entries from src to dest when cjStart <= *cjGlobal < cjEnd.
3646  * *cjGlobal is updated with the cj count in src.
3647  * When setFlags==true, flag bit t is set in flag for all i and j clusters.
3648  */
3649 template<bool setFlags>
3650 static void copySelectedListRange(const nbnxn_ci_t* gmx_restrict srcCi,
3651                                   const NbnxnPairlistCpu* gmx_restrict src,
3652                                   NbnxnPairlistCpu* gmx_restrict dest,
3653                                   gmx_bitmask_t*                 flag,
3654                                   int                            iFlagShift,
3655                                   int                            jFlagShift,
3656                                   int                            t)
3657 {
3658     const int ncj = srcCi->cj_ind_end - srcCi->cj_ind_start;
3659
3660     dest->ci.push_back(*srcCi);
3661     dest->ci.back().cj_ind_start = dest->cj.size();
3662     dest->ci.back().cj_ind_end   = dest->ci.back().cj_ind_start + ncj;
3663
3664     if (setFlags)
3665     {
3666         bitmask_init_bit(&flag[srcCi->ci >> iFlagShift], t);
3667     }
3668
3669     for (int j = srcCi->cj_ind_start; j < srcCi->cj_ind_end; j++)
3670     {
3671         dest->cj.push_back(src->cj[j]);
3672
3673         if (setFlags)
3674         {
3675             /* NOTE: This is relatively expensive, since this
3676              * operation is done for all elements in the list,
3677              * whereas at list generation this is done only
3678              * once for each flag entry.
3679              */
3680             bitmask_init_bit(&flag[src->cj[j].cj >> jFlagShift], t);
3681         }
3682     }
3683 }
3684
3685 #if defined(__GNUC__) && !defined(__clang__) && !defined(__ICC) && __GNUC__ == 7
3686 /* Avoid gcc 7 avx512 loop vectorization bug (actually only needed with -mavx512f) */
3687 #    pragma GCC push_options
3688 #    pragma GCC optimize("no-tree-vectorize")
3689 #endif
3690
3691 /* Returns the number of cluster pairs that are in use summed over all lists */
3692 static int countClusterpairs(gmx::ArrayRef<const NbnxnPairlistCpu> pairlists)
3693 {
3694     /* gcc 7 with -mavx512f can miss the contributions of 16 consecutive
3695      * elements to the sum calculated in this loop. Above we have disabled
3696      * loop vectorization to avoid this bug.
3697      */
3698     int ncjTotal = 0;
3699     for (const auto& pairlist : pairlists)
3700     {
3701         ncjTotal += pairlist.ncjInUse;
3702     }
3703     return ncjTotal;
3704 }
3705
3706 #if defined(__GNUC__) && !defined(__clang__) && !defined(__ICC) && __GNUC__ == 7
3707 #    pragma GCC pop_options
3708 #endif
3709
3710 /* This routine re-balances the pairlists such that all are nearly equally
3711  * sized. Only whole i-entries are moved between lists. These are moved
3712  * between the ends of the lists, such that the buffer reduction cost should
3713  * not change significantly.
3714  * Note that all original reduction flags are currently kept. This can lead
3715  * to reduction of parts of the force buffer that could be avoided. But since
3716  * the original lists are quite balanced, this will only give minor overhead.
3717  */
3718 static void rebalanceSimpleLists(gmx::ArrayRef<const NbnxnPairlistCpu> srcSet,
3719                                  gmx::ArrayRef<NbnxnPairlistCpu>       destSet,
3720                                  gmx::ArrayRef<PairsearchWork>         searchWork)
3721 {
3722     const int ncjTotal  = countClusterpairs(srcSet);
3723     const int numLists  = srcSet.ssize();
3724     const int ncjTarget = (ncjTotal + numLists - 1) / numLists;
3725
3726 #pragma omp parallel num_threads(numLists)
3727     {
3728         int t = gmx_omp_get_thread_num();
3729
3730         int cjStart = ncjTarget * t;
3731         int cjEnd   = ncjTarget * (t + 1);
3732
3733         /* The destination pair-list for task/thread t */
3734         NbnxnPairlistCpu& dest = destSet[t];
3735
3736         clear_pairlist(&dest);
3737         dest.na_cj = srcSet[0].na_cj;
3738
3739         /* Note that the flags in the work struct (still) contain flags
3740          * for all entries that are present in srcSet->nbl[t].
3741          */
3742         gmx_bitmask_t* flag = &searchWork[t].buffer_flags[0];
3743
3744         int iFlagShift = getBufferFlagShift(dest.na_ci);
3745         int jFlagShift = getBufferFlagShift(dest.na_cj);
3746
3747         int cjGlobal = 0;
3748         for (int s = 0; s < numLists && cjGlobal < cjEnd; s++)
3749         {
3750             const NbnxnPairlistCpu* src = &srcSet[s];
3751
3752             if (cjGlobal + src->ncjInUse > cjStart)
3753             {
3754                 for (gmx::index i = 0; i < gmx::ssize(src->ci) && cjGlobal < cjEnd; i++)
3755                 {
3756                     const nbnxn_ci_t* srcCi = &src->ci[i];
3757                     int               ncj   = srcCi->cj_ind_end - srcCi->cj_ind_start;
3758                     if (cjGlobal >= cjStart)
3759                     {
3760                         /* If the source list is not our own, we need to set
3761                          * extra flags (the template bool parameter).
3762                          */
3763                         if (s != t)
3764                         {
3765                             copySelectedListRange<true>(srcCi, src, &dest, flag, iFlagShift, jFlagShift, t);
3766                         }
3767                         else
3768                         {
3769                             copySelectedListRange<false>(srcCi, src, &dest, flag, iFlagShift,
3770                                                          jFlagShift, t);
3771                         }
3772                     }
3773                     cjGlobal += ncj;
3774                 }
3775             }
3776             else
3777             {
3778                 cjGlobal += src->ncjInUse;
3779             }
3780         }
3781
3782         dest.ncjInUse = dest.cj.size();
3783     }
3784
3785 #ifndef NDEBUG
3786     const int ncjTotalNew = countClusterpairs(destSet);
3787     GMX_RELEASE_ASSERT(ncjTotalNew == ncjTotal,
3788                        "The total size of the lists before and after rebalancing should match");
3789 #endif
3790 }
3791
3792 /* Returns if the pairlists are so imbalanced that it is worth rebalancing. */
3793 static bool checkRebalanceSimpleLists(gmx::ArrayRef<const NbnxnPairlistCpu> lists)
3794 {
3795     int numLists = lists.ssize();
3796     int ncjMax   = 0;
3797     int ncjTotal = 0;
3798     for (int s = 0; s < numLists; s++)
3799     {
3800         ncjMax = std::max(ncjMax, lists[s].ncjInUse);
3801         ncjTotal += lists[s].ncjInUse;
3802     }
3803     if (debug)
3804     {
3805         fprintf(debug, "Pair-list ncjMax %d ncjTotal %d\n", ncjMax, ncjTotal);
3806     }
3807     /* The rebalancing adds 3% extra time to the search. Heuristically we
3808      * determined that under common conditions the non-bonded kernel balance
3809      * improvement will outweigh this when the imbalance is more than 3%.
3810      * But this will, obviously, depend on search vs kernel time and nstlist.
3811      */
3812     const real rebalanceTolerance = 1.03;
3813
3814     return real(numLists * ncjMax) > real(ncjTotal) * rebalanceTolerance;
3815 }
3816
3817 /* Perform a count (linear) sort to sort the smaller lists to the end.
3818  * This avoids load imbalance on the GPU, as large lists will be
3819  * scheduled and executed first and the smaller lists later.
3820  * Load balancing between multi-processors only happens at the end
3821  * and there smaller lists lead to more effective load balancing.
3822  * The sorting is done on the cj4 count, not on the actual pair counts.
3823  * Not only does this make the sort faster, but it also results in
3824  * better load balancing than using a list sorted on exact load.
3825  * This function swaps the pointer in the pair list to avoid a copy operation.
3826  */
3827 static void sort_sci(NbnxnPairlistGpu* nbl)
3828 {
3829     if (nbl->cj4.size() <= nbl->sci.size())
3830     {
3831         /* nsci = 0 or all sci have size 1, sorting won't change the order */
3832         return;
3833     }
3834
3835     NbnxnPairlistGpuWork& work = *nbl->work;
3836
3837     /* We will distinguish differences up to double the average */
3838     const int m = static_cast<int>((2 * ssize(nbl->cj4)) / ssize(nbl->sci));
3839
3840     /* Resize work.sci_sort so we can sort into it */
3841     work.sci_sort.resize(nbl->sci.size());
3842
3843     std::vector<int>& sort = work.sortBuffer;
3844     /* Set up m + 1 entries in sort, initialized at 0 */
3845     sort.clear();
3846     sort.resize(m + 1, 0);
3847     /* Count the entries of each size */
3848     for (const nbnxn_sci_t& sci : nbl->sci)
3849     {
3850         int i = std::min(m, sci.numJClusterGroups());
3851         sort[i]++;
3852     }
3853     /* Calculate the offset for each count */
3854     int s0  = sort[m];
3855     sort[m] = 0;
3856     for (gmx::index i = m - 1; i >= 0; i--)
3857     {
3858         int s1  = sort[i];
3859         sort[i] = sort[i + 1] + s0;
3860         s0      = s1;
3861     }
3862
3863     /* Sort entries directly into place */
3864     gmx::ArrayRef<nbnxn_sci_t> sci_sort = work.sci_sort;
3865     for (const nbnxn_sci_t& sci : nbl->sci)
3866     {
3867         int i               = std::min(m, sci.numJClusterGroups());
3868         sci_sort[sort[i]++] = sci;
3869     }
3870
3871     /* Swap the sci pointers so we use the new, sorted list */
3872     std::swap(nbl->sci, work.sci_sort);
3873 }
3874
3875 /* Returns the i-zone range for pairlist construction for the give locality */
3876 static Range<int> getIZoneRange(const Nbnxm::GridSet::DomainSetup& domainSetup,
3877                                 const InteractionLocality          locality)
3878 {
3879     if (domainSetup.doTestParticleInsertion)
3880     {
3881         /* With TPI we do grid 1, the inserted molecule, versus grid 0, the rest */
3882         return { 1, 2 };
3883     }
3884     else if (locality == InteractionLocality::Local)
3885     {
3886         /* Local: only zone (grid) 0 vs 0 */
3887         return { 0, 1 };
3888     }
3889     else
3890     {
3891         /* Non-local: we need all i-zones */
3892         return { 0, int(domainSetup.zones->iZones.size()) };
3893     }
3894 }
3895
3896 /* Returns the j-zone range for pairlist construction for the give locality and i-zone */
3897 static Range<int> getJZoneRange(const gmx_domdec_zones_t* ddZones,
3898                                 const InteractionLocality locality,
3899                                 const int                 iZone)
3900 {
3901     if (locality == InteractionLocality::Local)
3902     {
3903         /* Local: zone 0 vs 0 or with TPI 1 vs 0 */
3904         return { 0, 1 };
3905     }
3906     else if (iZone == 0)
3907     {
3908         /* Non-local: we need to avoid the local (zone 0 vs 0) interactions */
3909         return { 1, *ddZones->iZones[iZone].jZoneRange.end() };
3910     }
3911     else
3912     {
3913         /* Non-local with non-local i-zone: use all j-zones */
3914         return ddZones->iZones[iZone].jZoneRange;
3915     }
3916 }
3917
3918 //! Prepares CPU lists produced by the search for dynamic pruning
3919 static void prepareListsForDynamicPruning(gmx::ArrayRef<NbnxnPairlistCpu> lists);
3920
3921 void PairlistSet::constructPairlists(const Nbnxm::GridSet&         gridSet,
3922                                      gmx::ArrayRef<PairsearchWork> searchWork,
3923                                      nbnxn_atomdata_t*             nbat,
3924                                      const ListOfLists<int>&       exclusions,
3925                                      const int                     minimumIlistCountForGpuBalancing,
3926                                      t_nrnb*                       nrnb,
3927                                      SearchCycleCounting*          searchCycleCounting)
3928 {
3929     const real rlist = params_.rlistOuter;
3930
3931     int      nsubpair_target;
3932     float    nsubpair_tot_est;
3933     int      ci_block;
3934     gmx_bool progBal;
3935     int      np_tot, np_noq, np_hlj, nap;
3936
3937     const int numLists = (isCpuType_ ? cpuLists_.size() : gpuLists_.size());
3938
3939     if (debug)
3940     {
3941         fprintf(debug, "ns making %d nblists\n", numLists);
3942     }
3943
3944     nbat->bUseBufferFlags = (nbat->out.size() > 1);
3945     /* We should re-init the flags before making the first list */
3946     if (nbat->bUseBufferFlags && locality_ == InteractionLocality::Local)
3947     {
3948         resizeAndZeroBufferFlags(&nbat->buffer_flags, nbat->numAtoms());
3949     }
3950
3951     if (!isCpuType_ && minimumIlistCountForGpuBalancing > 0)
3952     {
3953         get_nsubpair_target(gridSet, locality_, rlist, minimumIlistCountForGpuBalancing,
3954                             &nsubpair_target, &nsubpair_tot_est);
3955     }
3956     else
3957     {
3958         nsubpair_target  = 0;
3959         nsubpair_tot_est = 0;
3960     }
3961
3962     /* Clear all pair-lists */
3963     for (int th = 0; th < numLists; th++)
3964     {
3965         if (isCpuType_)
3966         {
3967             clear_pairlist(&cpuLists_[th]);
3968         }
3969         else
3970         {
3971             clear_pairlist(&gpuLists_[th]);
3972         }
3973
3974         if (params_.haveFep)
3975         {
3976             clear_pairlist_fep(fepLists_[th].get());
3977         }
3978     }
3979
3980     const gmx_domdec_zones_t* ddZones = gridSet.domainSetup().zones;
3981     GMX_ASSERT(locality_ == InteractionLocality::Local || ddZones != nullptr,
3982                "Nonlocal interaction locality with null ddZones.");
3983
3984     const auto iZoneRange = getIZoneRange(gridSet.domainSetup(), locality_);
3985
3986     for (const int iZone : iZoneRange)
3987     {
3988         const Grid& iGrid = gridSet.grids()[iZone];
3989
3990         const auto jZoneRange = getJZoneRange(ddZones, locality_, iZone);
3991
3992         for (int jZone : jZoneRange)
3993         {
3994             const Grid& jGrid = gridSet.grids()[jZone];
3995
3996             if (debug)
3997             {
3998                 fprintf(debug, "ns search grid %d vs %d\n", iZone, jZone);
3999             }
4000
4001             searchCycleCounting->start(enbsCCsearch);
4002
4003             ci_block = get_ci_block_size(iGrid, gridSet.domainSetup().haveMultipleDomains, numLists);
4004
4005             /* With GPU: generate progressively smaller lists for
4006              * load balancing for local only or non-local with 2 zones.
4007              */
4008             progBal = (locality_ == InteractionLocality::Local || ddZones->n <= 2);
4009
4010 #pragma omp parallel for num_threads(numLists) schedule(static)
4011             for (int th = 0; th < numLists; th++)
4012             {
4013                 try
4014                 {
4015                     /* Re-init the thread-local work flag data before making
4016                      * the first list (not an elegant conditional).
4017                      */
4018                     if (nbat->bUseBufferFlags && (iZone == 0 && jZone == 0))
4019                     {
4020                         resizeAndZeroBufferFlags(&searchWork[th].buffer_flags, nbat->numAtoms());
4021                     }
4022
4023                     if (combineLists_ && th > 0)
4024                     {
4025                         GMX_ASSERT(!isCpuType_, "Can only combine GPU lists");
4026
4027                         clear_pairlist(&gpuLists_[th]);
4028                     }
4029
4030                     PairsearchWork& work = searchWork[th];
4031
4032                     work.cycleCounter.start();
4033
4034                     t_nblist* fepListPtr = (fepLists_.empty() ? nullptr : fepLists_[th].get());
4035
4036                     /* Divide the i cells equally over the pairlists */
4037                     if (isCpuType_)
4038                     {
4039                         nbnxn_make_pairlist_part(gridSet, iGrid, jGrid, &work, nbat, exclusions, rlist,
4040                                                  params_.pairlistType, ci_block, nbat->bUseBufferFlags,
4041                                                  nsubpair_target, progBal, nsubpair_tot_est, th,
4042                                                  numLists, &cpuLists_[th], fepListPtr);
4043                     }
4044                     else
4045                     {
4046                         nbnxn_make_pairlist_part(gridSet, iGrid, jGrid, &work, nbat, exclusions, rlist,
4047                                                  params_.pairlistType, ci_block, nbat->bUseBufferFlags,
4048                                                  nsubpair_target, progBal, nsubpair_tot_est, th,
4049                                                  numLists, &gpuLists_[th], fepListPtr);
4050                     }
4051
4052                     work.cycleCounter.stop();
4053                 }
4054                 GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
4055             }
4056             searchCycleCounting->stop(enbsCCsearch);
4057
4058             np_tot = 0;
4059             np_noq = 0;
4060             np_hlj = 0;
4061             for (int th = 0; th < numLists; th++)
4062             {
4063                 inc_nrnb(nrnb, eNR_NBNXN_DIST2, searchWork[th].ndistc);
4064
4065                 if (isCpuType_)
4066                 {
4067                     const NbnxnPairlistCpu& nbl = cpuLists_[th];
4068                     np_tot += nbl.cj.size();
4069                     np_noq += nbl.work->ncj_noq;
4070                     np_hlj += nbl.work->ncj_hlj;
4071                 }
4072                 else
4073                 {
4074                     const NbnxnPairlistGpu& nbl = gpuLists_[th];
4075                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
4076                     np_tot += nbl.nci_tot;
4077                 }
4078             }
4079             if (isCpuType_)
4080             {
4081                 nap = cpuLists_[0].na_ci * cpuLists_[0].na_cj;
4082             }
4083             else
4084             {
4085                 nap = gmx::square(gpuLists_[0].na_ci);
4086             }
4087             natpair_ljq_ = (np_tot - np_noq) * nap - np_hlj * nap / 2;
4088             natpair_lj_  = np_noq * nap;
4089             natpair_q_   = np_hlj * nap / 2;
4090
4091             if (combineLists_ && numLists > 1)
4092             {
4093                 GMX_ASSERT(!isCpuType_, "Can only combine GPU lists");
4094
4095                 searchCycleCounting->start(enbsCCcombine);
4096
4097                 combine_nblists(gmx::constArrayRefFromArray(&gpuLists_[1], numLists - 1), &gpuLists_[0]);
4098
4099                 searchCycleCounting->stop(enbsCCcombine);
4100             }
4101         }
4102     }
4103
4104     if (isCpuType_)
4105     {
4106         if (numLists > 1 && checkRebalanceSimpleLists(cpuLists_))
4107         {
4108             rebalanceSimpleLists(cpuLists_, cpuListsWork_, searchWork);
4109
4110             /* Swap the sets of pair lists */
4111             cpuLists_.swap(cpuListsWork_);
4112         }
4113     }
4114     else
4115     {
4116         /* Sort the entries on size, large ones first */
4117         if (combineLists_ || gpuLists_.size() == 1)
4118         {
4119             sort_sci(&gpuLists_[0]);
4120         }
4121         else
4122         {
4123 #pragma omp parallel for num_threads(numLists) schedule(static)
4124             for (int th = 0; th < numLists; th++)
4125             {
4126                 try
4127                 {
4128                     sort_sci(&gpuLists_[th]);
4129                 }
4130                 GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
4131             }
4132         }
4133     }
4134
4135     if (nbat->bUseBufferFlags)
4136     {
4137         reduce_buffer_flags(searchWork, numLists, nbat->buffer_flags);
4138     }
4139
4140     if (gridSet.haveFep())
4141     {
4142         /* Balance the free-energy lists over all the threads */
4143         balance_fep_lists(fepLists_, searchWork);
4144     }
4145
4146     if (isCpuType_)
4147     {
4148         /* This is a fresh list, so not pruned, stored using ci.
4149          * ciOuter is invalid at this point.
4150          */
4151         GMX_ASSERT(cpuLists_[0].ciOuter.empty(), "ciOuter is invalid so it should be empty");
4152     }
4153
4154     /* If we have more than one list, they either got rebalancing (CPU)
4155      * or combined (GPU), so we should dump the final result to debug.
4156      */
4157     if (debug)
4158     {
4159         if (isCpuType_ && cpuLists_.size() > 1)
4160         {
4161             for (auto& cpuList : cpuLists_)
4162             {
4163                 print_nblist_statistics(debug, cpuList, gridSet, rlist);
4164             }
4165         }
4166         else if (!isCpuType_ && gpuLists_.size() > 1)
4167         {
4168             print_nblist_statistics(debug, gpuLists_[0], gridSet, rlist);
4169         }
4170     }
4171
4172     if (debug)
4173     {
4174         if (gmx_debug_at)
4175         {
4176             if (isCpuType_)
4177             {
4178                 for (auto& cpuList : cpuLists_)
4179                 {
4180                     print_nblist_ci_cj(debug, cpuList);
4181                 }
4182             }
4183             else
4184             {
4185                 print_nblist_sci_cj(debug, gpuLists_[0]);
4186             }
4187         }
4188
4189         if (nbat->bUseBufferFlags)
4190         {
4191             print_reduction_cost(nbat->buffer_flags, numLists);
4192         }
4193     }
4194
4195     if (params_.useDynamicPruning && isCpuType_)
4196     {
4197         prepareListsForDynamicPruning(cpuLists_);
4198     }
4199 }
4200
4201 void PairlistSets::construct(const InteractionLocality iLocality,
4202                              PairSearch*               pairSearch,
4203                              nbnxn_atomdata_t*         nbat,
4204                              const ListOfLists<int>&   exclusions,
4205                              const int64_t             step,
4206                              t_nrnb*                   nrnb)
4207 {
4208     const auto& gridSet = pairSearch->gridSet();
4209     const auto* ddZones = gridSet.domainSetup().zones;
4210
4211     /* The Nbnxm code can also work with more exclusions than those in i-zones only
4212      * when using DD, but the equality check can catch more issues.
4213      */
4214     GMX_RELEASE_ASSERT(
4215             exclusions.empty() || (!ddZones && exclusions.ssize() == gridSet.numRealAtomsTotal())
4216                     || (ddZones && exclusions.ssize() == ddZones->cg_range[ddZones->iZones.size()]),
4217             "exclusions should either be empty or the number of lists should match the number of "
4218             "local i-atoms");
4219
4220     pairlistSet(iLocality).constructPairlists(gridSet, pairSearch->work(), nbat, exclusions,
4221                                               minimumIlistCountForGpuBalancing_, nrnb,
4222                                               &pairSearch->cycleCounting_);
4223
4224     if (iLocality == InteractionLocality::Local)
4225     {
4226         outerListCreationStep_ = step;
4227     }
4228     else
4229     {
4230         GMX_RELEASE_ASSERT(outerListCreationStep_ == step,
4231                            "Outer list should be created at the same step as the inner list");
4232     }
4233
4234     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
4235     if (iLocality == InteractionLocality::Local)
4236     {
4237         pairSearch->cycleCounting_.searchCount_++;
4238     }
4239     if (pairSearch->cycleCounting_.recordCycles_
4240         && (!pairSearch->gridSet().domainSetup().haveMultipleDomains || iLocality == InteractionLocality::NonLocal)
4241         && pairSearch->cycleCounting_.searchCount_ % 100 == 0)
4242     {
4243         pairSearch->cycleCounting_.printCycles(stderr, pairSearch->work());
4244     }
4245 }
4246
4247 void nonbonded_verlet_t::constructPairlist(const InteractionLocality iLocality,
4248                                            const ListOfLists<int>&   exclusions,
4249                                            int64_t                   step,
4250                                            t_nrnb*                   nrnb)
4251 {
4252     pairlistSets_->construct(iLocality, pairSearch_.get(), nbat.get(), exclusions, step, nrnb);
4253
4254     if (useGpu())
4255     {
4256         /* Launch the transfer of the pairlist to the GPU.
4257          *
4258          * NOTE: The launch overhead is currently not timed separately
4259          */
4260         Nbnxm::gpu_init_pairlist(gpu_nbv, pairlistSets().pairlistSet(iLocality).gpuList(), iLocality);
4261     }
4262 }
4263
4264 static void prepareListsForDynamicPruning(gmx::ArrayRef<NbnxnPairlistCpu> lists)
4265 {
4266     /* TODO: Restructure the lists so we have actual outer and inner
4267      *       list objects so we can set a single pointer instead of
4268      *       swapping several pointers.
4269      */
4270
4271     for (auto& list : lists)
4272     {
4273         /* The search produced a list in ci/cj.
4274          * Swap the list pointers so we get the outer list is ciOuter,cjOuter
4275          * and we can prune that to get an inner list in ci/cj.
4276          */
4277         GMX_RELEASE_ASSERT(list.ciOuter.empty() && list.cjOuter.empty(),
4278                            "The outer lists should be empty before preparation");
4279
4280         std::swap(list.ci, list.ciOuter);
4281         std::swap(list.cj, list.cjOuter);
4282     }
4283 }