src/mdlib/nbnxn_search.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2012, The GROMACS development team,
   6  * check out http://www.gromacs.org for more information.
   7  * Copyright (c) 2012,2013, by the GROMACS development team, led by
   8  * David van der Spoel, Berk Hess, Erik Lindahl, and including many
   9  * others, as listed in the AUTHORS file in the top-level source
  10  * directory and at http://www.gromacs.org.
  11  *
  12  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  13  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  14  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  15  * of the License, or (at your option) any later version.
  16  *
  17  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  20  * Lesser General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  23  * License along with GROMACS; if not, see
  24  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  25  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  26  *
  27  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  28  * consider that scientific software is very special. Version
  29  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  30  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  31  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  32  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  33  * official version at http://www.gromacs.org.
  34  *
  35  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  36  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  37  */
  38
  39 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  40 #include <config.h>
  41 #endif
  42
  43 #include <math.h>
  44 #include <string.h>
  45 #include "sysstuff.h"
  46 #include "smalloc.h"
  47 #include "macros.h"
  48 #include "maths.h"
  49 #include "vec.h"
  50 #include "pbc.h"
  51 #include "nbnxn_consts.h"
  52 /* nbnxn_internal.h included gmx_simd_macros.h */
  53 #include "nbnxn_internal.h"
  54 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
  55 #include "gmx_simd_vec.h"
  56 #endif
  57 #include "nbnxn_atomdata.h"
  58 #include "nbnxn_search.h"
  59 #include "gmx_cyclecounter.h"
  60 #include "gmxfio.h"
  61 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  62 #include "nrnb.h"
  63
  64
  65 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
  66 /* We use 4-wide SIMD for bounding box calculations */
  67
  68 #ifndef GMX_DOUBLE
  69 /* Single precision BBs + coordinates, we can also load coordinates with SIMD */
  70 #define NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
  71 #endif
  72
  73 #if defined NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB && (GPU_NSUBCELL == 4 || GPU_NSUBCELL == 8)
  74 /* Store bounding boxes with x, y and z coordinates in packs of 4 */
  75 #define NBNXN_PBB_SIMD4
  76 #endif
  77
  78 /* The packed bounding box coordinate stride is always set to 4.
  79  * With AVX we could use 8, but that turns out not to be faster.
  80  */
  81 #define STRIDE_PBB        4
  82 #define STRIDE_PBB_2LOG   2
  83
  84 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
  85
  86 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
  87
  88 /* The functions below are macros as they are performance sensitive */
  89
  90 /* 4x4 list, pack=4: no complex conversion required */
  91 /* i-cluster to j-cluster conversion */
  92 #define CI_TO_CJ_J4(ci)   (ci)
  93 /* cluster index to coordinate array index conversion */
  94 #define X_IND_CI_J4(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
  95 #define X_IND_CJ_J4(cj)  ((cj)*STRIDE_P4)
  96
  97 /* 4x2 list, pack=4: j-cluster size is half the packing width */
  98 /* i-cluster to j-cluster conversion */
  99 #define CI_TO_CJ_J2(ci)  ((ci)<<1)
 100 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 101 #define X_IND_CI_J2(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
 102 #define X_IND_CJ_J2(cj)  (((cj)>>1)*STRIDE_P4 + ((cj) & 1)*(PACK_X4>>1))
 103
 104 /* 4x8 list, pack=8: i-cluster size is half the packing width */
 105 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 106 #define CI_TO_CJ_J8(ci)  ((ci)>>1)
 107 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 108 #define X_IND_CI_J8(ci)  (((ci)>>1)*STRIDE_P8 + ((ci) & 1)*(PACK_X8>>1))
 109 #define X_IND_CJ_J8(cj)  ((cj)*STRIDE_P8)
 110
 111 /* The j-cluster size is matched to the SIMD width */
 112 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 2
 113 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J2(ci)
 114 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J2(ci)
 115 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J2(cj)
 116 #else
 117 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 4
 118 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J4(ci)
 119 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J4(ci)
 120 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J4(cj)
 121 #else
 122 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 8
 123 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J8(ci)
 124 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J8(ci)
 125 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J8(cj)
 126 /* Half SIMD with j-cluster size */
 127 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J4(ci)
 128 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J4(ci)
 129 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J4(cj)
 130 #else
 131 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 16
 132 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J8(ci)
 133 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J8(ci)
 134 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J8(cj)
 135 #else
 136 #error "unsupported GMX_NBNXN_SIMD_WIDTH"
 137 #endif
 138 #endif
 139 #endif
 140 #endif
 141
 142 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
 143
 144
 145 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 146 /* Store bounding boxes corners as quadruplets: xxxxyyyyzzzz */
 147 #define NBNXN_BBXXXX
 148 /* Size of bounding box corners quadruplet */
 149 #define NNBSBB_XXXX      (NNBSBB_D*DIM*STRIDE_PBB)
 150 #endif
 151
 152 /* We shift the i-particles backward for PBC.
 153  * This leads to more conditionals than shifting forward.
 154  * We do this to get more balanced pair lists.
 155  */
 156 #define NBNXN_SHIFT_BACKWARD
 157
 158
 159 /* This define is a lazy way to avoid interdependence of the grid
 160  * and searching data structures.
 161  */
 162 #define NBNXN_NA_SC_MAX (GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE)
 163
 164
 165 static void nbs_cycle_clear(nbnxn_cycle_t *cc)
 166 {
 167     int i;
 168
 169     for (i = 0; i < enbsCCnr; i++)
 170     {
 171         cc[i].count = 0;
 172         cc[i].c     = 0;
 173     }
 174 }
 175
 176 static double Mcyc_av(const nbnxn_cycle_t *cc)
 177 {
 178     return (double)cc->c*1e-6/cc->count;
 179 }
 180
 181 static void nbs_cycle_print(FILE *fp, const nbnxn_search_t nbs)
 182 {
 183     int n;
 184     int t;
 185
 186     fprintf(fp, "\n");
 187     fprintf(fp, "ns %4d grid %4.1f search %4.1f red.f %5.3f",
 188             nbs->cc[enbsCCgrid].count,
 189             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCgrid]),
 190             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCsearch]),
 191             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCreducef]));
 192
 193     if (nbs->nthread_max > 1)
 194     {
 195         if (nbs->cc[enbsCCcombine].count > 0)
 196         {
 197             fprintf(fp, " comb %5.2f",
 198                     Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCcombine]));
 199         }
 200         fprintf(fp, " s. th");
 201         for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 202         {
 203             fprintf(fp, " %4.1f",
 204                     Mcyc_av(&nbs->work[t].cc[enbsCCsearch]));
 205         }
 206     }
 207     fprintf(fp, "\n");
 208 }
 209
 210 static void nbnxn_grid_init(nbnxn_grid_t * grid)
 211 {
 212     grid->cxy_na      = NULL;
 213     grid->cxy_ind     = NULL;
 214     grid->cxy_nalloc  = 0;
 215     grid->bb          = NULL;
 216     grid->bbj         = NULL;
 217     grid->nc_nalloc   = 0;
 218 }
 219
 220 static int get_2log(int n)
 221 {
 222     int log2;
 223
 224     log2 = 0;
 225     while ((1<<log2) < n)
 226     {
 227         log2++;
 228     }
 229     if ((1<<log2) != n)
 230     {
 231         gmx_fatal(FARGS, "nbnxn na_c (%d) is not a power of 2", n);
 232     }
 233
 234     return log2;
 235 }
 236
 237 static int nbnxn_kernel_to_ci_size(int nb_kernel_type)
 238 {
 239     switch (nb_kernel_type)
 240     {
 241         case nbnxnk4x4_PlainC:
 242         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 243         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 244             return NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 245         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 246         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 247             /* The cluster size for super/sub lists is only set here.
 248              * Any value should work for the pair-search and atomdata code.
 249              * The kernels, of course, might require a particular value.
 250              */
 251             return NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE;
 252         default:
 253             gmx_incons("unknown kernel type");
 254     }
 255
 256     return 0;
 257 }
 258
 259 int nbnxn_kernel_to_cj_size(int nb_kernel_type)
 260 {
 261     int nbnxn_simd_width = 0;
 262     int cj_size          = 0;
 263
 264 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 265     nbnxn_simd_width = GMX_SIMD_WIDTH_HERE;
 266 #endif
 267
 268     switch (nb_kernel_type)
 269     {
 270         case nbnxnk4x4_PlainC:
 271             cj_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 272             break;
 273         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 274             cj_size = nbnxn_simd_width;
 275             break;
 276         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 277             cj_size = nbnxn_simd_width/2;
 278             break;
 279         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 280         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 281             cj_size = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
 282             break;
 283         default:
 284             gmx_incons("unknown kernel type");
 285     }
 286
 287     return cj_size;
 288 }
 289
 290 static int ci_to_cj(int na_cj_2log, int ci)
 291 {
 292     switch (na_cj_2log)
 293     {
 294         case 2: return ci;     break;
 295         case 1: return (ci<<1); break;
 296         case 3: return (ci>>1); break;
 297     }
 298
 299     return 0;
 300 }
 301
 302 gmx_bool nbnxn_kernel_pairlist_simple(int nb_kernel_type)
 303 {
 304     if (nb_kernel_type == nbnxnkNotSet)
 305     {
 306         gmx_fatal(FARGS, "Non-bonded kernel type not set for Verlet-style pair-list.");
 307     }
 308
 309     switch (nb_kernel_type)
 310     {
 311         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
 312         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 313             return FALSE;
 314
 315         case nbnxnk4x4_PlainC:
 316         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 317         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 318             return TRUE;
 319
 320         default:
 321             gmx_incons("Invalid nonbonded kernel type passed!");
 322             return FALSE;
 323     }
 324 }
 325
 326 void nbnxn_init_search(nbnxn_search_t    * nbs_ptr,
 327                        ivec               *n_dd_cells,
 328                        gmx_domdec_zones_t *zones,
 329                        int                 nthread_max)
 330 {
 331     nbnxn_search_t nbs;
 332     int            d, g, t;
 333
 334     snew(nbs, 1);
 335     *nbs_ptr = nbs;
 336
 337     nbs->DomDec = (n_dd_cells != NULL);
 338
 339     clear_ivec(nbs->dd_dim);
 340     nbs->ngrid = 1;
 341     if (nbs->DomDec)
 342     {
 343         nbs->zones = zones;
 344
 345         for (d = 0; d < DIM; d++)
 346         {
 347             if ((*n_dd_cells)[d] > 1)
 348             {
 349                 nbs->dd_dim[d] = 1;
 350                 /* Each grid matches a DD zone */
 351                 nbs->ngrid *= 2;
 352             }
 353         }
 354     }
 355
 356     snew(nbs->grid, nbs->ngrid);
 357     for (g = 0; g < nbs->ngrid; g++)
 358     {
 359         nbnxn_grid_init(&nbs->grid[g]);
 360     }
 361     nbs->cell        = NULL;
 362     nbs->cell_nalloc = 0;
 363     nbs->a           = NULL;
 364     nbs->a_nalloc    = 0;
 365
 366     nbs->nthread_max = nthread_max;
 367
 368     /* Initialize the work data structures for each thread */
 369     snew(nbs->work, nbs->nthread_max);
 370     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 371     {
 372         nbs->work[t].cxy_na           = NULL;
 373         nbs->work[t].cxy_na_nalloc    = 0;
 374         nbs->work[t].sort_work        = NULL;
 375         nbs->work[t].sort_work_nalloc = 0;
 376     }
 377
 378     /* Initialize detailed nbsearch cycle counting */
 379     nbs->print_cycles = (getenv("GMX_NBNXN_CYCLE") != 0);
 380     nbs->search_count = 0;
 381     nbs_cycle_clear(nbs->cc);
 382     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 383     {
 384         nbs_cycle_clear(nbs->work[t].cc);
 385     }
 386 }
 387
 388 static real grid_atom_density(int n, rvec corner0, rvec corner1)
 389 {
 390     rvec size;
 391
 392     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 393
 394     return n/(size[XX]*size[YY]*size[ZZ]);
 395 }
 396
 397 static int set_grid_size_xy(const nbnxn_search_t nbs,
 398                             nbnxn_grid_t *grid,
 399                             int dd_zone,
 400                             int n, rvec corner0, rvec corner1,
 401                             real atom_density,
 402                             int XFormat)
 403 {
 404     rvec size;
 405     int  na_c;
 406     real adens, tlen, tlen_x, tlen_y, nc_max;
 407     int  t;
 408
 409     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 410
 411     if (n > grid->na_sc)
 412     {
 413         /* target cell length */
 414         if (grid->bSimple)
 415         {
 416             /* To minimize the zero interactions, we should make
 417              * the largest of the i/j cell cubic.
 418              */
 419             na_c = max(grid->na_c, grid->na_cj);
 420
 421             /* Approximately cubic cells */
 422             tlen   = pow(na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 423             tlen_x = tlen;
 424             tlen_y = tlen;
 425         }
 426         else
 427         {
 428             /* Approximately cubic sub cells */
 429             tlen   = pow(grid->na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 430             tlen_x = tlen*GPU_NSUBCELL_X;
 431             tlen_y = tlen*GPU_NSUBCELL_Y;
 432         }
 433         /* We round ncx and ncy down, because we get less cell pairs
 434          * in the nbsist when the fixed cell dimensions (x,y) are
 435          * larger than the variable one (z) than the other way around.
 436          */
 437         grid->ncx = max(1, (int)(size[XX]/tlen_x));
 438         grid->ncy = max(1, (int)(size[YY]/tlen_y));
 439     }
 440     else
 441     {
 442         grid->ncx = 1;
 443         grid->ncy = 1;
 444     }
 445
 446     grid->sx     = size[XX]/grid->ncx;
 447     grid->sy     = size[YY]/grid->ncy;
 448     grid->inv_sx = 1/grid->sx;
 449     grid->inv_sy = 1/grid->sy;
 450
 451     if (dd_zone > 0)
 452     {
 453         /* This is a non-home zone, add an extra row of cells
 454          * for particles communicated for bonded interactions.
 455          * These can be beyond the cut-off. It doesn't matter where
 456          * they end up on the grid, but for performance it's better
 457          * if they don't end up in cells that can be within cut-off range.
 458          */
 459         grid->ncx++;
 460         grid->ncy++;
 461     }
 462
 463     /* We need one additional cell entry for particles moved by DD */
 464     if (grid->ncx*grid->ncy+1 > grid->cxy_nalloc)
 465     {
 466         grid->cxy_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 467         srenew(grid->cxy_na, grid->cxy_nalloc);
 468         srenew(grid->cxy_ind, grid->cxy_nalloc+1);
 469     }
 470     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 471     {
 472         if (grid->ncx*grid->ncy+1 > nbs->work[t].cxy_na_nalloc)
 473         {
 474             nbs->work[t].cxy_na_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 475             srenew(nbs->work[t].cxy_na, nbs->work[t].cxy_na_nalloc);
 476         }
 477     }
 478
 479     /* Worst case scenario of 1 atom in each last cell */
 480     if (grid->na_cj <= grid->na_c)
 481     {
 482         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy;
 483     }
 484     else
 485     {
 486         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy*grid->na_cj/grid->na_c;
 487     }
 488
 489     if (nc_max > grid->nc_nalloc)
 490     {
 491         grid->nc_nalloc = over_alloc_large(nc_max);
 492         srenew(grid->nsubc, grid->nc_nalloc);
 493         srenew(grid->bbcz, grid->nc_nalloc*NNBSBB_D);
 494
 495         sfree_aligned(grid->bb);
 496         /* This snew also zeros the contents, this avoid possible
 497          * floating exceptions in SIMD with the unused bb elements.
 498          */
 499         if (grid->bSimple)
 500         {
 501             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc, 16);
 502         }
 503         else
 504         {
 505 #ifdef NBNXN_BBXXXX
 506             int pbb_nalloc;
 507
 508             pbb_nalloc = grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX;
 509             snew_aligned(grid->pbb, pbb_nalloc, 16);
 510 #else
 511             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL, 16);
 512 #endif
 513         }
 514
 515         if (grid->bSimple)
 516         {
 517             if (grid->na_cj == grid->na_c)
 518             {
 519                 grid->bbj = grid->bb;
 520             }
 521             else
 522             {
 523                 sfree_aligned(grid->bbj);
 524                 snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc*grid->na_c/grid->na_cj, 16);
 525             }
 526         }
 527
 528         srenew(grid->flags, grid->nc_nalloc);
 529     }
 530
 531     copy_rvec(corner0, grid->c0);
 532     copy_rvec(corner1, grid->c1);
 533
 534     return nc_max;
 535 }
 536
 537 /* We need to sort paricles in grid columns on z-coordinate.
 538  * As particle are very often distributed homogeneously, we a sorting
 539  * algorithm similar to pigeonhole sort. We multiply the z-coordinate
 540  * by a factor, cast to an int and try to store in that hole. If the hole
 541  * is full, we move this or another particle. A second pass is needed to make
 542  * contiguous elements. SORT_GRID_OVERSIZE is the ratio of holes to particles.
 543  * 4 is the optimal value for homogeneous particle distribution and allows
 544  * for an O(#particles) sort up till distributions were all particles are
 545  * concentrated in 1/4 of the space. No NlogN fallback is implemented,
 546  * as it can be expensive to detect imhomogeneous particle distributions.
 547  * SGSF is the maximum ratio of holes used, in the worst case all particles
 548  * end up in the last hole and we need #particles extra holes at the end.
 549  */
 550 #define SORT_GRID_OVERSIZE 4
 551 #define SGSF (SORT_GRID_OVERSIZE + 1)
 552
 553 /* Sort particle index a on coordinates x along dim.
 554  * Backwards tells if we want decreasing iso increasing coordinates.
 555  * h0 is the minimum of the coordinate range.
 556  * invh is the 1/length of the sorting range.
 557  * n_per_h (>=n) is the expected average number of particles per 1/invh
 558  * sort is the sorting work array.
 559  * sort should have a size of at least n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n,
 560  * or easier, allocate at least n*SGSF elements.
 561  */
 562 static void sort_atoms(int dim, gmx_bool Backwards,
 563                        int *a, int n, rvec *x,
 564                        real h0, real invh, int n_per_h,
 565                        int *sort)
 566 {
 567     int nsort, i, c;
 568     int zi, zim, zi_min, zi_max;
 569     int cp, tmp;
 570
 571     if (n <= 1)
 572     {
 573         /* Nothing to do */
 574         return;
 575     }
 576
 577 #ifndef NDEBUG
 578     if (n > n_per_h)
 579     {
 580         gmx_incons("n > n_per_h");
 581     }
 582 #endif
 583
 584     /* Transform the inverse range height into the inverse hole height */
 585     invh *= n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE;
 586
 587     /* Set nsort to the maximum possible number of holes used.
 588      * In worst case all n elements end up in the last bin.
 589      */
 590     nsort = n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n;
 591
 592     /* Determine the index range used, so we can limit it for the second pass */
 593     zi_min = INT_MAX;
 594     zi_max = -1;
 595
 596     /* Sort the particles using a simple index sort */
 597     for (i = 0; i < n; i++)
 598     {
 599         /* The cast takes care of float-point rounding effects below zero.
 600          * This code assumes particles are less than 1/SORT_GRID_OVERSIZE
 601          * times the box height out of the box.
 602          */
 603         zi = (int)((x[a[i]][dim] - h0)*invh);
 604
 605 #ifndef NDEBUG
 606         /* As we can have rounding effect, we use > iso >= here */
 607         if (zi < 0 || zi > n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE)
 608         {
 609             gmx_fatal(FARGS, "(int)((x[%d][%c]=%f - %f)*%f) = %d, not in 0 - %d*%d\n",
 610                       a[i], 'x'+dim, x[a[i]][dim], h0, invh, zi,
 611                       n_per_h, SORT_GRID_OVERSIZE);
 612         }
 613 #endif
 614
 615         /* Ideally this particle should go in sort cell zi,
 616          * but that might already be in use,
 617          * in that case find the first empty cell higher up
 618          */
 619         if (sort[zi] < 0)
 620         {
 621             sort[zi] = a[i];
 622             zi_min   = min(zi_min, zi);
 623             zi_max   = max(zi_max, zi);
 624         }
 625         else
 626         {
 627             /* We have multiple atoms in the same sorting slot.
 628              * Sort on real z for minimal bounding box size.
 629              * There is an extra check for identical z to ensure
 630              * well-defined output order, independent of input order
 631              * to ensure binary reproducibility after restarts.
 632              */
 633             while (sort[zi] >= 0 && ( x[a[i]][dim] >  x[sort[zi]][dim] ||
 634                                       (x[a[i]][dim] == x[sort[zi]][dim] &&
 635                                        a[i] > sort[zi])))
 636             {
 637                 zi++;
 638             }
 639
 640             if (sort[zi] >= 0)
 641             {
 642                 /* Shift all elements by one slot until we find an empty slot */
 643                 cp  = sort[zi];
 644                 zim = zi + 1;
 645                 while (sort[zim] >= 0)
 646                 {
 647                     tmp       = sort[zim];
 648                     sort[zim] = cp;
 649                     cp        = tmp;
 650                     zim++;
 651                 }
 652                 sort[zim] = cp;
 653                 zi_max    = max(zi_max, zim);
 654             }
 655             sort[zi] = a[i];
 656             zi_max   = max(zi_max, zi);
 657         }
 658     }
 659
 660     c = 0;
 661     if (!Backwards)
 662     {
 663         for (zi = 0; zi < nsort; zi++)
 664         {
 665             if (sort[zi] >= 0)
 666             {
 667                 a[c++]   = sort[zi];
 668                 sort[zi] = -1;
 669             }
 670         }
 671     }
 672     else
 673     {
 674         for (zi = zi_max; zi >= zi_min; zi--)
 675         {
 676             if (sort[zi] >= 0)
 677             {
 678                 a[c++]   = sort[zi];
 679                 sort[zi] = -1;
 680             }
 681         }
 682     }
 683     if (c < n)
 684     {
 685         gmx_incons("Lost particles while sorting");
 686     }
 687 }
 688
 689 #ifdef GMX_DOUBLE
 690 #define R2F_D(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 691 #define R2F_U(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 692 #else
 693 #define R2F_D(x) (x)
 694 #define R2F_U(x) (x)
 695 #endif
 696
 697 /* Coordinate order x,y,z, bb order xyz0 */
 698 static void calc_bounding_box(int na, int stride, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 699 {
 700     int  i, j;
 701     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 702
 703     i  = 0;
 704     xl = x[i+XX];
 705     xh = x[i+XX];
 706     yl = x[i+YY];
 707     yh = x[i+YY];
 708     zl = x[i+ZZ];
 709     zh = x[i+ZZ];
 710     i += stride;
 711     for (j = 1; j < na; j++)
 712     {
 713         xl = min(xl, x[i+XX]);
 714         xh = max(xh, x[i+XX]);
 715         yl = min(yl, x[i+YY]);
 716         yh = max(yh, x[i+YY]);
 717         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 718         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 719         i += stride;
 720     }
 721     /* Note: possible double to float conversion here */
 722     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 723     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 724     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 725     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 726     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 727     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 728 }
 729
 730 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 731 static void calc_bounding_box_x_x4(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 732 {
 733     int  j;
 734     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 735
 736     xl = x[XX*PACK_X4];
 737     xh = x[XX*PACK_X4];
 738     yl = x[YY*PACK_X4];
 739     yh = x[YY*PACK_X4];
 740     zl = x[ZZ*PACK_X4];
 741     zh = x[ZZ*PACK_X4];
 742     for (j = 1; j < na; j++)
 743     {
 744         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X4]);
 745         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X4]);
 746         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X4]);
 747         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X4]);
 748         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 749         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 750     }
 751     /* Note: possible double to float conversion here */
 752     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 753     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 754     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 755     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 756     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 757     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 758 }
 759
 760 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 761 static void calc_bounding_box_x_x8(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 762 {
 763     int  j;
 764     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 765
 766     xl = x[XX*PACK_X8];
 767     xh = x[XX*PACK_X8];
 768     yl = x[YY*PACK_X8];
 769     yh = x[YY*PACK_X8];
 770     zl = x[ZZ*PACK_X8];
 771     zh = x[ZZ*PACK_X8];
 772     for (j = 1; j < na; j++)
 773     {
 774         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X8]);
 775         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X8]);
 776         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X8]);
 777         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X8]);
 778         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 779         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 780     }
 781     /* Note: possible double to float conversion here */
 782     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 783     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 784     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 785     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 786     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 787     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 788 }
 789
 790 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 791 static void calc_bounding_box_x_x4_halves(int na, const real *x,
 792                                           nbnxn_bb_t *bb, nbnxn_bb_t *bbj)
 793 {
 794     calc_bounding_box_x_x4(min(na, 2), x, bbj);
 795
 796     if (na > 2)
 797     {
 798         calc_bounding_box_x_x4(min(na-2, 2), x+(PACK_X4>>1), bbj+1);
 799     }
 800     else
 801     {
 802         /* Set the "empty" bounding box to the same as the first one,
 803          * so we don't need to treat special cases in the rest of the code.
 804          */
 805 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 806         gmx_simd4_store_pr(&bbj[1].lower[0], gmx_simd4_load_pr(&bbj[0].lower[0]));
 807         gmx_simd4_store_pr(&bbj[1].upper[0], gmx_simd4_load_pr(&bbj[0].upper[0]));
 808 #else
 809         bbj[1] = bbj[0];
 810 #endif
 811     }
 812
 813 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 814     gmx_simd4_store_pr(&bb->lower[0],
 815                        gmx_simd4_min_pr(gmx_simd4_load_pr(&bbj[0].lower[0]),
 816                                         gmx_simd4_load_pr(&bbj[1].lower[0])));
 817     gmx_simd4_store_pr(&bb->upper[0],
 818                        gmx_simd4_max_pr(gmx_simd4_load_pr(&bbj[0].upper[0]),
 819                                         gmx_simd4_load_pr(&bbj[1].upper[0])));
 820 #else
 821     {
 822         int i;
 823
 824         for (i = 0; i < NNBSBB_C; i++)
 825         {
 826             bb->lower[i] = min(bbj[0].lower[i], bbj[1].lower[i]);
 827             bb->upper[i] = max(bbj[0].upper[i], bbj[1].upper[i]);
 828         }
 829     }
 830 #endif
 831 }
 832
 833 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 834
 835 /* Coordinate order xyz, bb order xxxxyyyyzzzz */
 836 static void calc_bounding_box_xxxx(int na, int stride, const real *x, float *bb)
 837 {
 838     int  i, j;
 839     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 840
 841     i  = 0;
 842     xl = x[i+XX];
 843     xh = x[i+XX];
 844     yl = x[i+YY];
 845     yh = x[i+YY];
 846     zl = x[i+ZZ];
 847     zh = x[i+ZZ];
 848     i += stride;
 849     for (j = 1; j < na; j++)
 850     {
 851         xl = min(xl, x[i+XX]);
 852         xh = max(xh, x[i+XX]);
 853         yl = min(yl, x[i+YY]);
 854         yh = max(yh, x[i+YY]);
 855         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 856         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 857         i += stride;
 858     }
 859     /* Note: possible double to float conversion here */
 860     bb[0*STRIDE_PBB] = R2F_D(xl);
 861     bb[1*STRIDE_PBB] = R2F_D(yl);
 862     bb[2*STRIDE_PBB] = R2F_D(zl);
 863     bb[3*STRIDE_PBB] = R2F_U(xh);
 864     bb[4*STRIDE_PBB] = R2F_U(yh);
 865     bb[5*STRIDE_PBB] = R2F_U(zh);
 866 }
 867
 868 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
 869
 870 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
 871
 872 /* Coordinate order xyz?, bb order xyz0 */
 873 static void calc_bounding_box_simd4(int na, const float *x, nbnxn_bb_t *bb)
 874 {
 875     gmx_simd4_pr bb_0_S, bb_1_S;
 876     gmx_simd4_pr x_S;
 877
 878     int    i;
 879
 880     bb_0_S = gmx_simd4_load_pr(x);
 881     bb_1_S = bb_0_S;
 882
 883     for (i = 1; i < na; i++)
 884     {
 885         x_S    = gmx_simd4_load_pr(x+i*NNBSBB_C);
 886         bb_0_S = gmx_simd4_min_pr(bb_0_S, x_S);
 887         bb_1_S = gmx_simd4_max_pr(bb_1_S, x_S);
 888     }
 889
 890     gmx_simd4_store_pr(&bb->lower[0], bb_0_S);
 891     gmx_simd4_store_pr(&bb->upper[0], bb_1_S);
 892 }
 893
 894 /* Coordinate order xyz?, bb order xxxxyyyyzzzz */
 895 static void calc_bounding_box_xxxx_simd4(int na, const float *x,
 896                                          nbnxn_bb_t *bb_work_aligned,
 897                                          real *bb)
 898 {
 899     calc_bounding_box_simd4(na, x, bb_work_aligned);
 900
 901     bb[0*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_X];
 902     bb[1*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Y];
 903     bb[2*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Z];
 904     bb[3*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_X];
 905     bb[4*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Y];
 906     bb[5*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Z];
 907 }
 908
 909 #endif /* NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB */
 910
 911
 912 /* Combines pairs of consecutive bounding boxes */
 913 static void combine_bounding_box_pairs(nbnxn_grid_t *grid, const nbnxn_bb_t *bb)
 914 {
 915     int    i, j, sc2, nc2, c2;
 916
 917     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
 918     {
 919         /* Starting bb in a column is expected to be 2-aligned */
 920         sc2 = grid->cxy_ind[i]>>1;
 921         /* For odd numbers skip the last bb here */
 922         nc2 = (grid->cxy_na[i]+3)>>(2+1);
 923         for (c2 = sc2; c2 < sc2+nc2; c2++)
 924         {
 925 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 926             gmx_simd4_pr min_S, max_S;
 927
 928             min_S = gmx_simd4_min_pr(gmx_simd4_load_pr(&bb[c2*2+0].lower[0]),
 929                                      gmx_simd4_load_pr(&bb[c2*2+1].lower[0]));
 930             max_S = gmx_simd4_max_pr(gmx_simd4_load_pr(&bb[c2*2+0].upper[0]),
 931                                      gmx_simd4_load_pr(&bb[c2*2+1].upper[0]));
 932             gmx_simd4_store_pr(&grid->bbj[c2].lower[0], min_S);
 933             gmx_simd4_store_pr(&grid->bbj[c2].upper[0], max_S);
 934 #else
 935             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 936             {
 937                 grid->bbj[c2].lower[j] = min(bb[c2*2+0].lower[j],
 938                                              bb[c2*2+1].lower[j]);
 939                 grid->bbj[c2].upper[j] = max(bb[c2*2+0].upper[j],
 940                                              bb[c2*2+1].upper[j]);
 941             }
 942 #endif
 943         }
 944         if (((grid->cxy_na[i]+3)>>2) & 1)
 945         {
 946             /* The bb count in this column is odd: duplicate the last bb */
 947             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 948             {
 949                 grid->bbj[c2].lower[j] = bb[c2*2].lower[j];
 950                 grid->bbj[c2].upper[j] = bb[c2*2].upper[j];
 951             }
 952         }
 953     }
 954 }
 955
 956
 957 /* Prints the average bb size, used for debug output */
 958 static void print_bbsizes_simple(FILE                *fp,
 959                                  const nbnxn_search_t nbs,
 960                                  const nbnxn_grid_t  *grid)
 961 {
 962     int  c, d;
 963     dvec ba;
 964
 965     clear_dvec(ba);
 966     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
 967     {
 968         for (d = 0; d < DIM; d++)
 969         {
 970             ba[d] += grid->bb[c].upper[d] - grid->bb[c].lower[d];
 971         }
 972     }
 973     dsvmul(1.0/grid->nc, ba, ba);
 974
 975     fprintf(fp, "ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
 976             nbs->box[XX][XX]/grid->ncx,
 977             nbs->box[YY][YY]/grid->ncy,
 978             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/grid->nc,
 979             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
 980             ba[XX]*grid->ncx/nbs->box[XX][XX],
 981             ba[YY]*grid->ncy/nbs->box[YY][YY],
 982             ba[ZZ]*grid->nc/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
 983 }
 984
 985 /* Prints the average bb size, used for debug output */
 986 static void print_bbsizes_supersub(FILE                *fp,
 987                                    const nbnxn_search_t nbs,
 988                                    const nbnxn_grid_t  *grid)
 989 {
 990     int  ns, c, s;
 991     dvec ba;
 992
 993     clear_dvec(ba);
 994     ns = 0;
 995     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
 996     {
 997 #ifdef NBNXN_BBXXXX
 998         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s += STRIDE_PBB)
 999         {
1000             int cs_w, i, d;
1001
1002             cs_w = (c*GPU_NSUBCELL + s)/STRIDE_PBB;
1003             for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
1004             {
1005                 for (d = 0; d < DIM; d++)
1006                 {
1007                     ba[d] +=
1008                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+(DIM+d)*STRIDE_PBB+i] -
1009                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+     d *STRIDE_PBB+i];
1010                 }
1011             }
1012         }
1013 #else
1014         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s++)
1015         {
1016             int cs, d;
1017
1018             cs = c*GPU_NSUBCELL + s;
1019             for (d = 0; d < DIM; d++)
1020             {
1021                 ba[d] += grid->bb[cs].upper[d] - grid->bb[cs].lower[d];
1022             }
1023         }
1024 #endif
1025         ns += grid->nsubc[c];
1026     }
1027     dsvmul(1.0/ns, ba, ba);
1028
1029     fprintf(fp, "ns bb: %4.2f %4.2f %4.2f  %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1030             nbs->box[XX][XX]/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X),
1031             nbs->box[YY][YY]/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y),
1032             nbs->box[ZZ][ZZ]*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z),
1033             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1034             ba[XX]*grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X/nbs->box[XX][XX],
1035             ba[YY]*grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y/nbs->box[YY][YY],
1036             ba[ZZ]*grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z/(grid->ncx*grid->ncy*nbs->box[ZZ][ZZ]));
1037 }
1038
1039 /* Potentially sorts atoms on LJ coefficients !=0 and ==0.
1040  * Also sets interaction flags.
1041  */
1042 void sort_on_lj(nbnxn_atomdata_t *nbat, int na_c,
1043                 int a0, int a1, const int *atinfo,
1044                 int *order,
1045                 int *flags)
1046 {
1047     int      subc, s, a, n1, n2, a_lj_max, i, j;
1048     int      sort1[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1049     int      sort2[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1050     gmx_bool haveQ;
1051
1052     *flags = 0;
1053
1054     subc = 0;
1055     for (s = a0; s < a1; s += na_c)
1056     {
1057         /* Make lists for this (sub-)cell on atoms with and without LJ */
1058         n1       = 0;
1059         n2       = 0;
1060         haveQ    = FALSE;
1061         a_lj_max = -1;
1062         for (a = s; a < min(s+na_c, a1); a++)
1063         {
1064             haveQ = haveQ || GET_CGINFO_HAS_Q(atinfo[order[a]]);
1065
1066             if (GET_CGINFO_HAS_VDW(atinfo[order[a]]))
1067             {
1068                 sort1[n1++] = order[a];
1069                 a_lj_max    = a;
1070             }
1071             else
1072             {
1073                 sort2[n2++] = order[a];
1074             }
1075         }
1076
1077         /* If we don't have atom with LJ, there's nothing to sort */
1078         if (n1 > 0)
1079         {
1080             *flags |= NBNXN_CI_DO_LJ(subc);
1081
1082             if (2*n1 <= na_c)
1083             {
1084                 /* Only sort when strictly necessary. Ordering particles
1085                  * Ordering particles can lead to less accurate summation
1086                  * due to rounding, both for LJ and Coulomb interactions.
1087                  */
1088                 if (2*(a_lj_max - s) >= na_c)
1089                 {
1090                     for (i = 0; i < n1; i++)
1091                     {
1092                         order[a0+i] = sort1[i];
1093                     }
1094                     for (j = 0; j < n2; j++)
1095                     {
1096                         order[a0+n1+j] = sort2[j];
1097                     }
1098                 }
1099
1100                 *flags |= NBNXN_CI_HALF_LJ(subc);
1101             }
1102         }
1103         if (haveQ)
1104         {
1105             *flags |= NBNXN_CI_DO_COUL(subc);
1106         }
1107         subc++;
1108     }
1109 }
1110
1111 /* Fill a pair search cell with atoms.
1112  * Potentially sorts atoms and sets the interaction flags.
1113  */
1114 void fill_cell(const nbnxn_search_t nbs,
1115                nbnxn_grid_t *grid,
1116                nbnxn_atomdata_t *nbat,
1117                int a0, int a1,
1118                const int *atinfo,
1119                rvec *x,
1120                int sx, int sy, int sz,
1121                nbnxn_bb_t *bb_work_aligned)
1122 {
1123     int        na, a;
1124     size_t     offset;
1125     nbnxn_bb_t *bb_ptr;
1126 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1127     float      *pbb_ptr;
1128 #endif
1129
1130     na = a1 - a0;
1131
1132     if (grid->bSimple)
1133     {
1134         sort_on_lj(nbat, grid->na_c, a0, a1, atinfo, nbs->a,
1135                    grid->flags+(a0>>grid->na_c_2log)-grid->cell0);
1136     }
1137
1138     /* Now we have sorted the atoms, set the cell indices */
1139     for (a = a0; a < a1; a++)
1140     {
1141         nbs->cell[nbs->a[a]] = a;
1142     }
1143
1144     copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+a0, a1-a0, grid->na_c, x,
1145                            nbat->XFormat, nbat->x, a0,
1146                            sx, sy, sz);
1147
1148     if (nbat->XFormat == nbatX4)
1149     {
1150         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1151         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1152         bb_ptr = grid->bb + offset;
1153
1154 #if defined GMX_NBNXN_SIMD && GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 2
1155         if (2*grid->na_cj == grid->na_c)
1156         {
1157             calc_bounding_box_x_x4_halves(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr,
1158                                           grid->bbj+offset*2);
1159         }
1160         else
1161 #endif
1162         {
1163             calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr);
1164         }
1165     }
1166     else if (nbat->XFormat == nbatX8)
1167     {
1168         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1169         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1170         bb_ptr = grid->bb + offset;
1171
1172         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(a0), bb_ptr);
1173     }
1174 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1175     else if (!grid->bSimple)
1176     {
1177         /* Store the bounding boxes in a format convenient
1178          * for SIMD4 calculations: xxxxyyyyzzzz...
1179          */
1180         pbb_ptr =
1181             grid->pbb +
1182             ((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>(grid->na_c_2log+STRIDE_PBB_2LOG))*NNBSBB_XXXX +
1183             (((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log) & (STRIDE_PBB-1));
1184
1185 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
1186         if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
1187         {
1188             calc_bounding_box_xxxx_simd4(na, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1189                                          bb_work_aligned, pbb_ptr);
1190         }
1191         else
1192 #endif
1193         {
1194             calc_bounding_box_xxxx(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1195                                    pbb_ptr);
1196         }
1197         if (gmx_debug_at)
1198         {
1199             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1200                     sx, sy, sz,
1201                     pbb_ptr[0*STRIDE_PBB], pbb_ptr[3*STRIDE_PBB],
1202                     pbb_ptr[1*STRIDE_PBB], pbb_ptr[4*STRIDE_PBB],
1203                     pbb_ptr[2*STRIDE_PBB], pbb_ptr[5*STRIDE_PBB]);
1204         }
1205     }
1206 #endif
1207     else
1208     {
1209         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1210         bb_ptr = grid->bb+((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log);
1211
1212         calc_bounding_box(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1213                           bb_ptr);
1214
1215         if (gmx_debug_at)
1216         {
1217             int bbo;
1218             bbo = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc)/grid->na_c;
1219             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1220                     sx, sy, sz,
1221                     grid->bb[bbo].lower[BB_X],
1222                     grid->bb[bbo].lower[BB_Y],
1223                     grid->bb[bbo].lower[BB_Z],
1224                     grid->bb[bbo].upper[BB_X],
1225                     grid->bb[bbo].upper[BB_Y],
1226                     grid->bb[bbo].upper[BB_Z]);
1227         }
1228     }
1229 }
1230
1231 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1232 static void sort_columns_simple(const nbnxn_search_t nbs,
1233                                 int dd_zone,
1234                                 nbnxn_grid_t *grid,
1235                                 int a0, int a1,
1236                                 const int *atinfo,
1237                                 rvec *x,
1238                                 nbnxn_atomdata_t *nbat,
1239                                 int cxy_start, int cxy_end,
1240                                 int *sort_work)
1241 {
1242     int  cxy;
1243     int  cx, cy, cz, ncz, cfilled, c;
1244     int  na, ash, ind, a;
1245     int  na_c, ash_c;
1246
1247     if (debug)
1248     {
1249         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1250                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1251     }
1252
1253     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1254     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1255     {
1256         cx = cxy/grid->ncy;
1257         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1258
1259         na  = grid->cxy_na[cxy];
1260         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1261         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1262
1263         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1264         sort_atoms(ZZ, FALSE,
1265                    nbs->a+ash, na, x,
1266                    grid->c0[ZZ],
1267                    1.0/nbs->box[ZZ][ZZ], ncz*grid->na_sc,
1268                    sort_work);
1269
1270         /* Fill the ncz cells in this column */
1271         cfilled = grid->cxy_ind[cxy];
1272         for (cz = 0; cz < ncz; cz++)
1273         {
1274             c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1275
1276             ash_c = ash + cz*grid->na_sc;
1277             na_c  = min(grid->na_sc, na-(ash_c-ash));
1278
1279             fill_cell(nbs, grid, nbat,
1280                       ash_c, ash_c+na_c, atinfo, x,
1281                       grid->na_sc*cx + (dd_zone >> 2),
1282                       grid->na_sc*cy + (dd_zone & 3),
1283                       grid->na_sc*cz,
1284                       NULL);
1285
1286             /* This copy to bbcz is not really necessary.
1287              * But it allows to use the same grid search code
1288              * for the simple and supersub cell setups.
1289              */
1290             if (na_c > 0)
1291             {
1292                 cfilled = c;
1293             }
1294             grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = grid->bb[cfilled].lower[BB_Z];
1295             grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = grid->bb[cfilled].upper[BB_Z];
1296         }
1297
1298         /* Set the unused atom indices to -1 */
1299         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1300         {
1301             nbs->a[ash+ind] = -1;
1302         }
1303     }
1304 }
1305
1306 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1307 static void sort_columns_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
1308                                   int dd_zone,
1309                                   nbnxn_grid_t *grid,
1310                                   int a0, int a1,
1311                                   const int *atinfo,
1312                                   rvec *x,
1313                                   nbnxn_atomdata_t *nbat,
1314                                   int cxy_start, int cxy_end,
1315                                   int *sort_work)
1316 {
1317     int  cxy;
1318     int  cx, cy, cz = -1, c = -1, ncz;
1319     int  na, ash, na_c, ind, a;
1320     int  subdiv_z, sub_z, na_z, ash_z;
1321     int  subdiv_y, sub_y, na_y, ash_y;
1322     int  subdiv_x, sub_x, na_x, ash_x;
1323
1324     nbnxn_bb_t bb_work_array[2], *bb_work_aligned;
1325
1326     bb_work_aligned = (nbnxn_bb_t *)(((size_t)(bb_work_array+1)) & (~((size_t)15)));
1327
1328     if (debug)
1329     {
1330         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1331                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1332     }
1333
1334     subdiv_x = grid->na_c;
1335     subdiv_y = GPU_NSUBCELL_X*subdiv_x;
1336     subdiv_z = GPU_NSUBCELL_Y*subdiv_y;
1337
1338     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1339     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1340     {
1341         cx = cxy/grid->ncy;
1342         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1343
1344         na  = grid->cxy_na[cxy];
1345         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1346         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1347
1348         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1349         sort_atoms(ZZ, FALSE,
1350                    nbs->a+ash, na, x,
1351                    grid->c0[ZZ],
1352                    1.0/nbs->box[ZZ][ZZ], ncz*grid->na_sc,
1353                    sort_work);
1354
1355         /* This loop goes over the supercells and subcells along z at once */
1356         for (sub_z = 0; sub_z < ncz*GPU_NSUBCELL_Z; sub_z++)
1357         {
1358             ash_z = ash + sub_z*subdiv_z;
1359             na_z  = min(subdiv_z, na-(ash_z-ash));
1360
1361             /* We have already sorted on z */
1362
1363             if (sub_z % GPU_NSUBCELL_Z == 0)
1364             {
1365                 cz = sub_z/GPU_NSUBCELL_Z;
1366                 c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1367
1368                 /* The number of atoms in this supercell */
1369                 na_c = min(grid->na_sc, na-(ash_z-ash));
1370
1371                 grid->nsubc[c] = min(GPU_NSUBCELL, (na_c+grid->na_c-1)/grid->na_c);
1372
1373                 /* Store the z-boundaries of the super cell */
1374                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = x[nbs->a[ash_z]][ZZ];
1375                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = x[nbs->a[ash_z+na_c-1]][ZZ];
1376             }
1377
1378 #if GPU_NSUBCELL_Y > 1
1379             /* Sort the atoms along y */
1380             sort_atoms(YY, (sub_z & 1),
1381                        nbs->a+ash_z, na_z, x,
1382                        grid->c0[YY]+cy*grid->sy,
1383                        grid->inv_sy, subdiv_z,
1384                        sort_work);
1385 #endif
1386
1387             for (sub_y = 0; sub_y < GPU_NSUBCELL_Y; sub_y++)
1388             {
1389                 ash_y = ash_z + sub_y*subdiv_y;
1390                 na_y  = min(subdiv_y, na-(ash_y-ash));
1391
1392 #if GPU_NSUBCELL_X > 1
1393                 /* Sort the atoms along x */
1394                 sort_atoms(XX, ((cz*GPU_NSUBCELL_Y + sub_y) & 1),
1395                            nbs->a+ash_y, na_y, x,
1396                            grid->c0[XX]+cx*grid->sx,
1397                            grid->inv_sx, subdiv_y,
1398                            sort_work);
1399 #endif
1400
1401                 for (sub_x = 0; sub_x < GPU_NSUBCELL_X; sub_x++)
1402                 {
1403                     ash_x = ash_y + sub_x*subdiv_x;
1404                     na_x  = min(subdiv_x, na-(ash_x-ash));
1405
1406                     fill_cell(nbs, grid, nbat,
1407                               ash_x, ash_x+na_x, atinfo, x,
1408                               grid->na_c*(cx*GPU_NSUBCELL_X+sub_x) + (dd_zone >> 2),
1409                               grid->na_c*(cy*GPU_NSUBCELL_Y+sub_y) + (dd_zone & 3),
1410                               grid->na_c*sub_z,
1411                               bb_work_aligned);
1412                 }
1413             }
1414         }
1415
1416         /* Set the unused atom indices to -1 */
1417         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1418         {
1419             nbs->a[ash+ind] = -1;
1420         }
1421     }
1422 }
1423
1424 /* Determine in which grid column atoms should go */
1425 static void calc_column_indices(nbnxn_grid_t *grid,
1426                                 int a0, int a1,
1427                                 rvec *x,
1428                                 int dd_zone, const int *move,
1429                                 int thread, int nthread,
1430                                 int *cell,
1431                                 int *cxy_na)
1432 {
1433     int  n0, n1, i;
1434     int  cx, cy;
1435
1436     /* We add one extra cell for particles which moved during DD */
1437     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1438     {
1439         cxy_na[i] = 0;
1440     }
1441
1442     n0 = a0 + (int)((thread+0)*(a1 - a0))/nthread;
1443     n1 = a0 + (int)((thread+1)*(a1 - a0))/nthread;
1444     if (dd_zone == 0)
1445     {
1446         /* Home zone */
1447         for (i = n0; i < n1; i++)
1448         {
1449             if (move == NULL || move[i] >= 0)
1450             {
1451                 /* We need to be careful with rounding,
1452                  * particles might be a few bits outside the local zone.
1453                  * The int cast takes care of the lower bound,
1454                  * we will explicitly take care of the upper bound.
1455                  */
1456                 cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1457                 cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1458
1459 #ifndef NDEBUG
1460                 if (cx < 0 || cx > grid->ncx ||
1461                     cy < 0 || cy > grid->ncy)
1462                 {
1463                     gmx_fatal(FARGS,
1464                               "grid cell cx %d cy %d out of range (max %d %d)\n"
1465                               "atom %f %f %f, grid->c0 %f %f",
1466                               cx, cy, grid->ncx, grid->ncy,
1467                               x[i][XX], x[i][YY], x[i][ZZ], grid->c0[XX], grid->c0[YY]);
1468                 }
1469 #endif
1470                 /* Take care of potential rouding issues */
1471                 cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1472                 cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1473
1474                 /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1475                  * x and y indices, not z.
1476                  */
1477                 cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1478             }
1479             else
1480             {
1481                 /* Put this moved particle after the end of the grid,
1482                  * so we can process it later without using conditionals.
1483                  */
1484                 cell[i] = grid->ncx*grid->ncy;
1485             }
1486
1487             cxy_na[cell[i]]++;
1488         }
1489     }
1490     else
1491     {
1492         /* Non-home zone */
1493         for (i = n0; i < n1; i++)
1494         {
1495             cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1496             cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1497
1498             /* For non-home zones there could be particles outside
1499              * the non-bonded cut-off range, which have been communicated
1500              * for bonded interactions only. For the result it doesn't
1501              * matter where these end up on the grid. For performance
1502              * we put them in an extra row at the border.
1503              */
1504             cx = max(cx, 0);
1505             cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1506             cy = max(cy, 0);
1507             cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1508
1509             /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1510              * x and y indices, not z.
1511              */
1512             cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1513
1514             cxy_na[cell[i]]++;
1515         }
1516     }
1517 }
1518
1519 /* Determine in which grid cells the atoms should go */
1520 static void calc_cell_indices(const nbnxn_search_t nbs,
1521                               int dd_zone,
1522                               nbnxn_grid_t *grid,
1523                               int a0, int a1,
1524                               const int *atinfo,
1525                               rvec *x,
1526                               const int *move,
1527                               nbnxn_atomdata_t *nbat)
1528 {
1529     int   n0, n1, i;
1530     int   cx, cy, cxy, ncz_max, ncz;
1531     int   nthread, thread;
1532     int  *cxy_na, cxy_na_i;
1533
1534     nthread = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1535
1536 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1537     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1538     {
1539         calc_column_indices(grid, a0, a1, x, dd_zone, move, thread, nthread,
1540                             nbs->cell, nbs->work[thread].cxy_na);
1541     }
1542
1543     /* Make the cell index as a function of x and y */
1544     ncz_max          = 0;
1545     ncz              = 0;
1546     grid->cxy_ind[0] = 0;
1547     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1548     {
1549         /* We set ncz_max at the beginning of the loop iso at the end
1550          * to skip i=grid->ncx*grid->ncy which are moved particles
1551          * that do not need to be ordered on the grid.
1552          */
1553         if (ncz > ncz_max)
1554         {
1555             ncz_max = ncz;
1556         }
1557         cxy_na_i = nbs->work[0].cxy_na[i];
1558         for (thread = 1; thread < nthread; thread++)
1559         {
1560             cxy_na_i += nbs->work[thread].cxy_na[i];
1561         }
1562         ncz = (cxy_na_i + grid->na_sc - 1)/grid->na_sc;
1563         if (nbat->XFormat == nbatX8)
1564         {
1565             /* Make the number of cell a multiple of 2 */
1566             ncz = (ncz + 1) & ~1;
1567         }
1568         grid->cxy_ind[i+1] = grid->cxy_ind[i] + ncz;
1569         /* Clear cxy_na, so we can reuse the array below */
1570         grid->cxy_na[i] = 0;
1571     }
1572     grid->nc = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy] - grid->cxy_ind[0];
1573
1574     nbat->natoms = (grid->cell0 + grid->nc)*grid->na_sc;
1575
1576     if (debug)
1577     {
1578         fprintf(debug, "ns na_sc %d na_c %d super-cells: %d x %d y %d z %.1f maxz %d\n",
1579                 grid->na_sc, grid->na_c, grid->nc,
1580                 grid->ncx, grid->ncy, grid->nc/((double)(grid->ncx*grid->ncy)),
1581                 ncz_max);
1582         if (gmx_debug_at)
1583         {
1584             i = 0;
1585             for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
1586             {
1587                 for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
1588                 {
1589                     fprintf(debug, " %2d", grid->cxy_ind[i+1]-grid->cxy_ind[i]);
1590                     i++;
1591                 }
1592                 fprintf(debug, "\n");
1593             }
1594         }
1595     }
1596
1597     /* Make sure the work array for sorting is large enough */
1598     if (ncz_max*grid->na_sc*SGSF > nbs->work[0].sort_work_nalloc)
1599     {
1600         for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1601         {
1602             nbs->work[thread].sort_work_nalloc =
1603                 over_alloc_large(ncz_max*grid->na_sc*SGSF);
1604             srenew(nbs->work[thread].sort_work,
1605                    nbs->work[thread].sort_work_nalloc);
1606             /* When not in use, all elements should be -1 */
1607             for (i = 0; i < nbs->work[thread].sort_work_nalloc; i++)
1608             {
1609                 nbs->work[thread].sort_work[i] = -1;
1610             }
1611         }
1612     }
1613
1614     /* Now we know the dimensions we can fill the grid.
1615      * This is the first, unsorted fill. We sort the columns after this.
1616      */
1617     for (i = a0; i < a1; i++)
1618     {
1619         /* At this point nbs->cell contains the local grid x,y indices */
1620         cxy = nbs->cell[i];
1621         nbs->a[(grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc + grid->cxy_na[cxy]++] = i;
1622     }
1623
1624     if (dd_zone == 0)
1625     {
1626         /* Set the cell indices for the moved particles */
1627         n0 = grid->nc*grid->na_sc;
1628         n1 = grid->nc*grid->na_sc+grid->cxy_na[grid->ncx*grid->ncy];
1629         if (dd_zone == 0)
1630         {
1631             for (i = n0; i < n1; i++)
1632             {
1633                 nbs->cell[nbs->a[i]] = i;
1634             }
1635         }
1636     }
1637
1638     /* Sort the super-cell columns along z into the sub-cells. */
1639 #pragma omp parallel for num_threads(nbs->nthread_max) schedule(static)
1640     for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1641     {
1642         if (grid->bSimple)
1643         {
1644             sort_columns_simple(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1645                                 ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1646                                 ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1647                                 nbs->work[thread].sort_work);
1648         }
1649         else
1650         {
1651             sort_columns_supersub(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1652                                   ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1653                                   ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1654                                   nbs->work[thread].sort_work);
1655         }
1656     }
1657
1658     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1659     {
1660         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb);
1661     }
1662
1663     if (!grid->bSimple)
1664     {
1665         grid->nsubc_tot = 0;
1666         for (i = 0; i < grid->nc; i++)
1667         {
1668             grid->nsubc_tot += grid->nsubc[i];
1669         }
1670     }
1671
1672     if (debug)
1673     {
1674         if (grid->bSimple)
1675         {
1676             print_bbsizes_simple(debug, nbs, grid);
1677         }
1678         else
1679         {
1680             fprintf(debug, "ns non-zero sub-cells: %d average atoms %.2f\n",
1681                     grid->nsubc_tot, (a1-a0)/(double)grid->nsubc_tot);
1682
1683             print_bbsizes_supersub(debug, nbs, grid);
1684         }
1685     }
1686 }
1687
1688 static void init_buffer_flags(nbnxn_buffer_flags_t *flags,
1689                               int                   natoms)
1690 {
1691     int b;
1692
1693     flags->nflag = (natoms + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE - 1)/NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE;
1694     if (flags->nflag > flags->flag_nalloc)
1695     {
1696         flags->flag_nalloc = over_alloc_large(flags->nflag);
1697         srenew(flags->flag, flags->flag_nalloc);
1698     }
1699     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
1700     {
1701         flags->flag[b] = 0;
1702     }
1703 }
1704
1705 /* Sets up a grid and puts the atoms on the grid.
1706  * This function only operates on one domain of the domain decompostion.
1707  * Note that without domain decomposition there is only one domain.
1708  */
1709 void nbnxn_put_on_grid(nbnxn_search_t nbs,
1710                        int ePBC, matrix box,
1711                        int dd_zone,
1712                        rvec corner0, rvec corner1,
1713                        int a0, int a1,
1714                        real atom_density,
1715                        const int *atinfo,
1716                        rvec *x,
1717                        int nmoved, int *move,
1718                        int nb_kernel_type,
1719                        nbnxn_atomdata_t *nbat)
1720 {
1721     nbnxn_grid_t *grid;
1722     int           n;
1723     int           nc_max_grid, nc_max;
1724
1725     grid = &nbs->grid[dd_zone];
1726
1727     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1728
1729     grid->bSimple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
1730
1731     grid->na_c      = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
1732     grid->na_cj     = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
1733     grid->na_sc     = (grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL)*grid->na_c;
1734     grid->na_c_2log = get_2log(grid->na_c);
1735
1736     nbat->na_c = grid->na_c;
1737
1738     if (dd_zone == 0)
1739     {
1740         grid->cell0 = 0;
1741     }
1742     else
1743     {
1744         grid->cell0 =
1745             (nbs->grid[dd_zone-1].cell0 + nbs->grid[dd_zone-1].nc)*
1746             nbs->grid[dd_zone-1].na_sc/grid->na_sc;
1747     }
1748
1749     n = a1 - a0;
1750
1751     if (dd_zone == 0)
1752     {
1753         nbs->ePBC = ePBC;
1754         copy_mat(box, nbs->box);
1755
1756         if (atom_density >= 0)
1757         {
1758             grid->atom_density = atom_density;
1759         }
1760         else
1761         {
1762             grid->atom_density = grid_atom_density(n-nmoved, corner0, corner1);
1763         }
1764
1765         grid->cell0 = 0;
1766
1767         nbs->natoms_local    = a1 - nmoved;
1768         /* We assume that nbnxn_put_on_grid is called first
1769          * for the local atoms (dd_zone=0).
1770          */
1771         nbs->natoms_nonlocal = a1 - nmoved;
1772     }
1773     else
1774     {
1775         nbs->natoms_nonlocal = max(nbs->natoms_nonlocal, a1);
1776     }
1777
1778     nc_max_grid = set_grid_size_xy(nbs, grid,
1779                                    dd_zone, n-nmoved, corner0, corner1,
1780                                    nbs->grid[0].atom_density,
1781                                    nbat->XFormat);
1782
1783     nc_max = grid->cell0 + nc_max_grid;
1784
1785     if (a1 > nbs->cell_nalloc)
1786     {
1787         nbs->cell_nalloc = over_alloc_large(a1);
1788         srenew(nbs->cell, nbs->cell_nalloc);
1789     }
1790
1791     /* To avoid conditionals we store the moved particles at the end of a,
1792      * make sure we have enough space.
1793      */
1794     if (nc_max*grid->na_sc + nmoved > nbs->a_nalloc)
1795     {
1796         nbs->a_nalloc = over_alloc_large(nc_max*grid->na_sc + nmoved);
1797         srenew(nbs->a, nbs->a_nalloc);
1798     }
1799
1800     /* We need padding up to a multiple of the buffer flag size: simply add */
1801     if (nc_max*grid->na_sc + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE > nbat->nalloc)
1802     {
1803         nbnxn_atomdata_realloc(nbat, nc_max*grid->na_sc+NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE);
1804     }
1805
1806     calc_cell_indices(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, move, nbat);
1807
1808     if (dd_zone == 0)
1809     {
1810         nbat->natoms_local = nbat->natoms;
1811     }
1812
1813     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1814 }
1815
1816 /* Calls nbnxn_put_on_grid for all non-local domains */
1817 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nbnxn_search_t            nbs,
1818                                 const gmx_domdec_zones_t *zones,
1819                                 const int                *atinfo,
1820                                 rvec                     *x,
1821                                 int                       nb_kernel_type,
1822                                 nbnxn_atomdata_t         *nbat)
1823 {
1824     int  zone, d;
1825     rvec c0, c1;
1826
1827     for (zone = 1; zone < zones->n; zone++)
1828     {
1829         for (d = 0; d < DIM; d++)
1830         {
1831             c0[d] = zones->size[zone].bb_x0[d];
1832             c1[d] = zones->size[zone].bb_x1[d];
1833         }
1834
1835         nbnxn_put_on_grid(nbs, nbs->ePBC, NULL,
1836                           zone, c0, c1,
1837                           zones->cg_range[zone],
1838                           zones->cg_range[zone+1],
1839                           -1,
1840                           atinfo,
1841                           x,
1842                           0, NULL,
1843                           nb_kernel_type,
1844                           nbat);
1845     }
1846 }
1847
1848 /* Add simple grid type information to the local super/sub grid */
1849 void nbnxn_grid_add_simple(nbnxn_search_t    nbs,
1850                            nbnxn_atomdata_t *nbat)
1851 {
1852     nbnxn_grid_t *grid;
1853     float        *bbcz;
1854     nbnxn_bb_t   *bb;
1855     int           ncd, sc;
1856
1857     grid = &nbs->grid[0];
1858
1859     if (grid->bSimple)
1860     {
1861         gmx_incons("nbnxn_grid_simple called with a simple grid");
1862     }
1863
1864     ncd = grid->na_sc/NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1865
1866     if (grid->nc*ncd > grid->nc_nalloc_simple)
1867     {
1868         grid->nc_nalloc_simple = over_alloc_large(grid->nc*ncd);
1869         srenew(grid->bbcz_simple, grid->nc_nalloc_simple*NNBSBB_D);
1870         srenew(grid->bb_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1871         srenew(grid->flags_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1872         if (nbat->XFormat)
1873         {
1874             sfree_aligned(grid->bbj);
1875             snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc_simple/2, 16);
1876         }
1877     }
1878
1879     bbcz = grid->bbcz_simple;
1880     bb   = grid->bb_simple;
1881
1882 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
1883     for (sc = 0; sc < grid->nc; sc++)
1884     {
1885         int c, tx, na;
1886
1887         for (c = 0; c < ncd; c++)
1888         {
1889             tx = sc*ncd + c;
1890
1891             na = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1892             while (na > 0 &&
1893                    nbat->type[tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+na-1] == nbat->ntype-1)
1894             {
1895                 na--;
1896             }
1897
1898             if (na > 0)
1899             {
1900                 switch (nbat->XFormat)
1901                 {
1902                     case nbatX4:
1903                         /* PACK_X4==NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, so this is simple */
1904                         calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+tx*STRIDE_P4,
1905                                                bb+tx);
1906                         break;
1907                     case nbatX8:
1908                         /* PACK_X8>NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, more complicated */
1909                         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE),
1910                                                bb+tx);
1911                         break;
1912                     default:
1913                         calc_bounding_box(na, nbat->xstride,
1914                                           nbat->x+tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*nbat->xstride,
1915                                           bb+tx);
1916                         break;
1917                 }
1918                 bbcz[tx*NNBSBB_D+0] = bb[tx].lower[BB_Z];
1919                 bbcz[tx*NNBSBB_D+1] = bb[tx].upper[BB_Z];
1920
1921                 /* No interaction optimization yet here */
1922                 grid->flags_simple[tx] = NBNXN_CI_DO_LJ(0) | NBNXN_CI_DO_COUL(0);
1923             }
1924             else
1925             {
1926                 grid->flags_simple[tx] = 0;
1927             }
1928         }
1929     }
1930
1931     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1932     {
1933         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb_simple);
1934     }
1935 }
1936
1937 void nbnxn_get_ncells(nbnxn_search_t nbs, int *ncx, int *ncy)
1938 {
1939     *ncx = nbs->grid[0].ncx;
1940     *ncy = nbs->grid[0].ncy;
1941 }
1942
1943 void nbnxn_get_atomorder(nbnxn_search_t nbs, int **a, int *n)
1944 {
1945     const nbnxn_grid_t *grid;
1946
1947     grid = &nbs->grid[0];
1948
1949     /* Return the atom order for the home cell (index 0) */
1950     *a  = nbs->a;
1951
1952     *n = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy]*grid->na_sc;
1953 }
1954
1955 void nbnxn_set_atomorder(nbnxn_search_t nbs)
1956 {
1957     nbnxn_grid_t *grid;
1958     int           ao, cx, cy, cxy, cz, j;
1959
1960     /* Set the atom order for the home cell (index 0) */
1961     grid = &nbs->grid[0];
1962
1963     ao = 0;
1964     for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
1965     {
1966         for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
1967         {
1968             cxy = cx*grid->ncy + cy;
1969             j   = grid->cxy_ind[cxy]*grid->na_sc;
1970             for (cz = 0; cz < grid->cxy_na[cxy]; cz++)
1971             {
1972                 nbs->a[j]     = ao;
1973                 nbs->cell[ao] = j;
1974                 ao++;
1975                 j++;
1976             }
1977         }
1978     }
1979 }
1980
1981 /* Determines the cell range along one dimension that
1982  * the bounding box b0 - b1 sees.
1983  */
1984 static void get_cell_range(real b0, real b1,
1985                            int nc, real c0, real s, real invs,
1986                            real d2, real r2, int *cf, int *cl)
1987 {
1988     *cf = max((int)((b0 - c0)*invs), 0);
1989
1990     while (*cf > 0 && d2 + sqr((b0 - c0) - (*cf-1+1)*s) < r2)
1991     {
1992         (*cf)--;
1993     }
1994
1995     *cl = min((int)((b1 - c0)*invs), nc-1);
1996     while (*cl < nc-1 && d2 + sqr((*cl+1)*s - (b1 - c0)) < r2)
1997     {
1998         (*cl)++;
1999     }
2000 }
2001
2002 /* Reference code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2003 static float box_dist2(float bx0, float bx1, float by0,
2004                        float by1, float bz0, float bz1,
2005                        const nbnxn_bb_t *bb)
2006 {
2007     float d2;
2008     float dl, dh, dm, dm0;
2009
2010     d2 = 0;
2011
2012     dl  = bx0 - bb->upper[BB_X];
2013     dh  = bb->lower[BB_X] - bx1;
2014     dm  = max(dl, dh);
2015     dm0 = max(dm, 0);
2016     d2 += dm0*dm0;
2017
2018     dl  = by0 - bb->upper[BB_Y];
2019     dh  = bb->lower[BB_Y] - by1;
2020     dm  = max(dl, dh);
2021     dm0 = max(dm, 0);
2022     d2 += dm0*dm0;
2023
2024     dl  = bz0 - bb->upper[BB_Z];
2025     dh  = bb->lower[BB_Z] - bz1;
2026     dm  = max(dl, dh);
2027     dm0 = max(dm, 0);
2028     d2 += dm0*dm0;
2029
2030     return d2;
2031 }
2032
2033 /* Plain C code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2034 static float subc_bb_dist2(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2035                            int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2036 {
2037     const nbnxn_bb_t *bb_i, *bb_j;
2038     float             d2;
2039     float             dl, dh, dm, dm0;
2040
2041     bb_i = bb_i_ci  +  si;
2042     bb_j = bb_j_all + csj;
2043
2044     d2 = 0;
2045
2046     dl  = bb_i->lower[BB_X] - bb_j->upper[BB_X];
2047     dh  = bb_j->lower[BB_X] - bb_i->upper[BB_X];
2048     dm  = max(dl, dh);
2049     dm0 = max(dm, 0);
2050     d2 += dm0*dm0;
2051
2052     dl  = bb_i->lower[BB_Y] - bb_j->upper[BB_Y];
2053     dh  = bb_j->lower[BB_Y] - bb_i->upper[BB_Y];
2054     dm  = max(dl, dh);
2055     dm0 = max(dm, 0);
2056     d2 += dm0*dm0;
2057
2058     dl  = bb_i->lower[BB_Z] - bb_j->upper[BB_Z];
2059     dh  = bb_j->lower[BB_Z] - bb_i->upper[BB_Z];
2060     dm  = max(dl, dh);
2061     dm0 = max(dm, 0);
2062     d2 += dm0*dm0;
2063
2064     return d2;
2065 }
2066
2067 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
2068
2069 /* 4-wide SIMD code for bb distance for bb format xyz0 */
2070 static float subc_bb_dist2_simd4(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2071                                  int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2072 {
2073     gmx_simd4_pr bb_i_S0, bb_i_S1;
2074     gmx_simd4_pr bb_j_S0, bb_j_S1;
2075     gmx_simd4_pr dl_S;
2076     gmx_simd4_pr dh_S;
2077     gmx_simd4_pr dm_S;
2078     gmx_simd4_pr dm0_S;
2079
2080     bb_i_S0 = gmx_simd4_load_pr(&bb_i_ci[si].lower[0]);
2081     bb_i_S1 = gmx_simd4_load_pr(&bb_i_ci[si].upper[0]);
2082     bb_j_S0 = gmx_simd4_load_pr(&bb_j_all[csj].lower[0]);
2083     bb_j_S1 = gmx_simd4_load_pr(&bb_j_all[csj].upper[0]);
2084
2085     dl_S    = gmx_simd4_sub_pr(bb_i_S0, bb_j_S1);
2086     dh_S    = gmx_simd4_sub_pr(bb_j_S0, bb_i_S1);
2087
2088     dm_S    = gmx_simd4_max_pr(dl_S, dh_S);
2089     dm0_S   = gmx_simd4_max_pr(dm_S, gmx_simd4_setzero_pr());
2090
2091     return gmx_simd4_dotproduct3(dm0_S, dm0_S);
2092 }
2093
2094 /* Calculate bb bounding distances of bb_i[si,...,si+3] and store them in d2 */
2095 #define SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(si, bb_i, d2) \
2096     {                                                \
2097         int    shi;                                  \
2098                                                  \
2099         gmx_simd4_pr dx_0, dy_0, dz_0;                       \
2100         gmx_simd4_pr dx_1, dy_1, dz_1;                       \
2101                                                  \
2102         gmx_simd4_pr mx, my, mz;                             \
2103         gmx_simd4_pr m0x, m0y, m0z;                          \
2104                                                  \
2105         gmx_simd4_pr d2x, d2y, d2z;                          \
2106         gmx_simd4_pr d2s, d2t;                              \
2107                                                  \
2108         shi = si*NNBSBB_D*DIM;                       \
2109                                                  \
2110         xi_l = gmx_simd4_load_pr(bb_i+shi+0*STRIDE_PBB);   \
2111         yi_l = gmx_simd4_load_pr(bb_i+shi+1*STRIDE_PBB);   \
2112         zi_l = gmx_simd4_load_pr(bb_i+shi+2*STRIDE_PBB);   \
2113         xi_h = gmx_simd4_load_pr(bb_i+shi+3*STRIDE_PBB);   \
2114         yi_h = gmx_simd4_load_pr(bb_i+shi+4*STRIDE_PBB);   \
2115         zi_h = gmx_simd4_load_pr(bb_i+shi+5*STRIDE_PBB);   \
2116                                                  \
2117         dx_0 = gmx_simd4_sub_pr(xi_l, xj_h);                \
2118         dy_0 = gmx_simd4_sub_pr(yi_l, yj_h);                \
2119         dz_0 = gmx_simd4_sub_pr(zi_l, zj_h);                \
2120                                                  \
2121         dx_1 = gmx_simd4_sub_pr(xj_l, xi_h);                \
2122         dy_1 = gmx_simd4_sub_pr(yj_l, yi_h);                \
2123         dz_1 = gmx_simd4_sub_pr(zj_l, zi_h);                \
2124                                                  \
2125         mx   = gmx_simd4_max_pr(dx_0, dx_1);                \
2126         my   = gmx_simd4_max_pr(dy_0, dy_1);                \
2127         mz   = gmx_simd4_max_pr(dz_0, dz_1);                \
2128                                                  \
2129         m0x  = gmx_simd4_max_pr(mx, zero);                  \
2130         m0y  = gmx_simd4_max_pr(my, zero);                  \
2131         m0z  = gmx_simd4_max_pr(mz, zero);                  \
2132                                                  \
2133         d2x  = gmx_simd4_mul_pr(m0x, m0x);                  \
2134         d2y  = gmx_simd4_mul_pr(m0y, m0y);                  \
2135         d2z  = gmx_simd4_mul_pr(m0z, m0z);                  \
2136                                                  \
2137         d2s  = gmx_simd4_add_pr(d2x, d2y);                  \
2138         d2t  = gmx_simd4_add_pr(d2s, d2z);                  \
2139                                                  \
2140         gmx_simd4_store_pr(d2+si, d2t);                     \
2141     }
2142
2143 /* 4-wide SIMD code for nsi bb distances for bb format xxxxyyyyzzzz */
2144 static void subc_bb_dist2_simd4_xxxx(const float *bb_j,
2145                                      int nsi, const float *bb_i,
2146                                      float *d2)
2147 {
2148     gmx_simd4_pr xj_l, yj_l, zj_l;
2149     gmx_simd4_pr xj_h, yj_h, zj_h;
2150     gmx_simd4_pr xi_l, yi_l, zi_l;
2151     gmx_simd4_pr xi_h, yi_h, zi_h;
2152
2153     gmx_simd4_pr zero;
2154
2155     zero = gmx_simd4_setzero_pr();
2156
2157     xj_l = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[0*STRIDE_PBB]);
2158     yj_l = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[1*STRIDE_PBB]);
2159     zj_l = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[2*STRIDE_PBB]);
2160     xj_h = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[3*STRIDE_PBB]);
2161     yj_h = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[4*STRIDE_PBB]);
2162     zj_h = gmx_simd4_set1_pr(bb_j[5*STRIDE_PBB]);
2163
2164     /* Here we "loop" over si (0,STRIDE_PBB) from 0 to nsi with step STRIDE_PBB.
2165      * But as we know the number of iterations is 1 or 2, we unroll manually.
2166      */
2167     SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(0, bb_i, d2);
2168     if (STRIDE_PBB < nsi)
2169     {
2170         SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(STRIDE_PBB, bb_i, d2);
2171     }
2172 }
2173
2174 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
2175
2176 /* Plain C function which determines if any atom pair between two cells
2177  * is within distance sqrt(rl2).
2178  */
2179 static gmx_bool subc_in_range_x(int na_c,
2180                                 int si, const real *x_i,
2181                                 int csj, int stride, const real *x_j,
2182                                 real rl2)
2183 {
2184     int  i, j, i0, j0;
2185     real d2;
2186
2187     for (i = 0; i < na_c; i++)
2188     {
2189         i0 = (si*na_c + i)*DIM;
2190         for (j = 0; j < na_c; j++)
2191         {
2192             j0 = (csj*na_c + j)*stride;
2193
2194             d2 = sqr(x_i[i0  ] - x_j[j0  ]) +
2195                 sqr(x_i[i0+1] - x_j[j0+1]) +
2196                 sqr(x_i[i0+2] - x_j[j0+2]);
2197
2198             if (d2 < rl2)
2199             {
2200                 return TRUE;
2201             }
2202         }
2203     }
2204
2205     return FALSE;
2206 }
2207
2208 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
2209 /* When we make seperate single/double precision SIMD vector operation
2210  * include files, this function should be moved there (also using FMA).
2211  */
2212 static inline gmx_simd4_pr
2213 gmx_simd4_calc_rsq_pr(gmx_simd4_pr x, gmx_simd4_pr y, gmx_simd4_pr z)
2214 {
2215     return gmx_simd4_add_pr( gmx_simd4_add_pr( gmx_simd4_mul_pr(x, x), gmx_simd4_mul_pr(y, y) ), gmx_simd4_mul_pr(z, z) );
2216 }
2217 #endif
2218
2219 /* 4-wide SIMD function which determines if any atom pair between two cells,
2220  * both with 8 atoms, is within distance sqrt(rl2).
2221  * Using 8-wide AVX is not faster on Intel Sandy Bridge.
2222  */
2223 static gmx_bool subc_in_range_simd4(int na_c,
2224                                     int si, const real *x_i,
2225                                     int csj, int stride, const real *x_j,
2226                                     real rl2)
2227 {
2228 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
2229     gmx_simd4_pr ix_S0, iy_S0, iz_S0;
2230     gmx_simd4_pr ix_S1, iy_S1, iz_S1;
2231
2232     gmx_simd4_pr rc2_S;
2233
2234     int    dim_stride;
2235     int    j0, j1;
2236
2237     rc2_S   = gmx_simd4_set1_pr(rl2);
2238
2239     dim_stride = NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/STRIDE_PBB*DIM;
2240     ix_S0      = gmx_simd4_load_pr(x_i+(si*dim_stride+0)*STRIDE_PBB);
2241     iy_S0      = gmx_simd4_load_pr(x_i+(si*dim_stride+1)*STRIDE_PBB);
2242     iz_S0      = gmx_simd4_load_pr(x_i+(si*dim_stride+2)*STRIDE_PBB);
2243     ix_S1      = gmx_simd4_load_pr(x_i+(si*dim_stride+3)*STRIDE_PBB);
2244     iy_S1      = gmx_simd4_load_pr(x_i+(si*dim_stride+4)*STRIDE_PBB);
2245     iz_S1      = gmx_simd4_load_pr(x_i+(si*dim_stride+5)*STRIDE_PBB);
2246
2247     /* We loop from the outer to the inner particles to maximize
2248      * the chance that we find a pair in range quickly and return.
2249      */
2250     j0 = csj*na_c;
2251     j1 = j0 + na_c - 1;
2252     while (j0 < j1)
2253     {
2254         gmx_simd4_pr jx0_S, jy0_S, jz0_S;
2255         gmx_simd4_pr jx1_S, jy1_S, jz1_S;
2256
2257         gmx_simd4_pr dx_S0, dy_S0, dz_S0;
2258         gmx_simd4_pr dx_S1, dy_S1, dz_S1;
2259         gmx_simd4_pr dx_S2, dy_S2, dz_S2;
2260         gmx_simd4_pr dx_S3, dy_S3, dz_S3;
2261
2262         gmx_simd4_pr rsq_S0;
2263         gmx_simd4_pr rsq_S1;
2264         gmx_simd4_pr rsq_S2;
2265         gmx_simd4_pr rsq_S3;
2266
2267         gmx_simd4_pb wco_S0;
2268         gmx_simd4_pb wco_S1;
2269         gmx_simd4_pb wco_S2;
2270         gmx_simd4_pb wco_S3;
2271         gmx_simd4_pb wco_any_S01, wco_any_S23, wco_any_S;
2272
2273         jx0_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j0*stride+0]);
2274         jy0_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j0*stride+1]);
2275         jz0_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j0*stride+2]);
2276
2277         jx1_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j1*stride+0]);
2278         jy1_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j1*stride+1]);
2279         jz1_S = gmx_simd4_set1_pr(x_j[j1*stride+2]);
2280
2281         /* Calculate distance */
2282         dx_S0            = gmx_simd4_sub_pr(ix_S0, jx0_S);
2283         dy_S0            = gmx_simd4_sub_pr(iy_S0, jy0_S);
2284         dz_S0            = gmx_simd4_sub_pr(iz_S0, jz0_S);
2285         dx_S1            = gmx_simd4_sub_pr(ix_S1, jx0_S);
2286         dy_S1            = gmx_simd4_sub_pr(iy_S1, jy0_S);
2287         dz_S1            = gmx_simd4_sub_pr(iz_S1, jz0_S);
2288         dx_S2            = gmx_simd4_sub_pr(ix_S0, jx1_S);
2289         dy_S2            = gmx_simd4_sub_pr(iy_S0, jy1_S);
2290         dz_S2            = gmx_simd4_sub_pr(iz_S0, jz1_S);
2291         dx_S3            = gmx_simd4_sub_pr(ix_S1, jx1_S);
2292         dy_S3            = gmx_simd4_sub_pr(iy_S1, jy1_S);
2293         dz_S3            = gmx_simd4_sub_pr(iz_S1, jz1_S);
2294
2295         /* rsq = dx*dx+dy*dy+dz*dz */
2296         rsq_S0           = gmx_simd4_calc_rsq_pr(dx_S0, dy_S0, dz_S0);
2297         rsq_S1           = gmx_simd4_calc_rsq_pr(dx_S1, dy_S1, dz_S1);
2298         rsq_S2           = gmx_simd4_calc_rsq_pr(dx_S2, dy_S2, dz_S2);
2299         rsq_S3           = gmx_simd4_calc_rsq_pr(dx_S3, dy_S3, dz_S3);
2300
2301         wco_S0           = gmx_simd4_cmplt_pr(rsq_S0, rc2_S);
2302         wco_S1           = gmx_simd4_cmplt_pr(rsq_S1, rc2_S);
2303         wco_S2           = gmx_simd4_cmplt_pr(rsq_S2, rc2_S);
2304         wco_S3           = gmx_simd4_cmplt_pr(rsq_S3, rc2_S);
2305
2306         wco_any_S01      = gmx_simd4_or_pb(wco_S0, wco_S1);
2307         wco_any_S23      = gmx_simd4_or_pb(wco_S2, wco_S3);
2308         wco_any_S        = gmx_simd4_or_pb(wco_any_S01, wco_any_S23);
2309
2310         if (gmx_simd4_anytrue_pb(wco_any_S))
2311         {
2312             return TRUE;
2313         }
2314
2315         j0++;
2316         j1--;
2317     }
2318     return FALSE;
2319
2320 #else
2321     /* No SIMD4 */
2322     gmx_incons("SIMD4 function called without 4-wide SIMD support");
2323
2324     return TRUE;
2325 #endif
2326 }
2327
2328 /* Returns the j sub-cell for index cj_ind */
2329 static int nbl_cj(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2330 {
2331     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].cj[cj_ind & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1)];
2332 }
2333
2334 /* Returns the i-interaction mask of the j sub-cell for index cj_ind */
2335 static unsigned nbl_imask0(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2336 {
2337     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].imei[0].imask;
2338 }
2339
2340 /* Ensures there is enough space for extra extra exclusion masks */
2341 static void check_excl_space(nbnxn_pairlist_t *nbl, int extra)
2342 {
2343     if (nbl->nexcl+extra > nbl->excl_nalloc)
2344     {
2345         nbl->excl_nalloc = over_alloc_small(nbl->nexcl+extra);
2346         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->excl,
2347                            nbl->nexcl*sizeof(*nbl->excl),
2348                            nbl->excl_nalloc*sizeof(*nbl->excl),
2349                            nbl->alloc, nbl->free);
2350     }
2351 }
2352
2353 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-cells in the list */
2354 static void check_subcell_list_space_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2355                                             int               ncell)
2356 {
2357     int cj_max;
2358
2359     cj_max = nbl->ncj + ncell;
2360
2361     if (cj_max > nbl->cj_nalloc)
2362     {
2363         nbl->cj_nalloc = over_alloc_small(cj_max);
2364         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj,
2365                            nbl->ncj*sizeof(*nbl->cj),
2366                            nbl->cj_nalloc*sizeof(*nbl->cj),
2367                            nbl->alloc, nbl->free);
2368     }
2369 }
2370
2371 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-subcells in the list */
2372 static void check_subcell_list_space_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2373                                               int               nsupercell)
2374 {
2375     int ncj4_max, j4, j, w, t;
2376
2377 #define NWARP       2
2378 #define WARP_SIZE  32
2379
2380     /* We can have maximally nsupercell*GPU_NSUBCELL sj lists */
2381     /* We can store 4 j-subcell - i-supercell pairs in one struct.
2382      * since we round down, we need one extra entry.
2383      */
2384     ncj4_max = ((nbl->work->cj_ind + nsupercell*GPU_NSUBCELL + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2385
2386     if (ncj4_max > nbl->cj4_nalloc)
2387     {
2388         nbl->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4_max);
2389         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj4,
2390                            nbl->work->cj4_init*sizeof(*nbl->cj4),
2391                            nbl->cj4_nalloc*sizeof(*nbl->cj4),
2392                            nbl->alloc, nbl->free);
2393     }
2394
2395     if (ncj4_max > nbl->work->cj4_init)
2396     {
2397         for (j4 = nbl->work->cj4_init; j4 < ncj4_max; j4++)
2398         {
2399             /* No i-subcells and no excl's in the list initially */
2400             for (w = 0; w < NWARP; w++)
2401             {
2402                 nbl->cj4[j4].imei[w].imask    = 0U;
2403                 nbl->cj4[j4].imei[w].excl_ind = 0;
2404
2405             }
2406         }
2407         nbl->work->cj4_init = ncj4_max;
2408     }
2409 }
2410
2411 /* Set all excl masks for one GPU warp no exclusions */
2412 static void set_no_excls(nbnxn_excl_t *excl)
2413 {
2414     int t;
2415
2416     for (t = 0; t < WARP_SIZE; t++)
2417     {
2418         /* Turn all interaction bits on */
2419         excl->pair[t] = NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL;
2420     }
2421 }
2422
2423 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
2424 static void nbnxn_init_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2425                                 gmx_bool          bSimple,
2426                                 nbnxn_alloc_t    *alloc,
2427                                 nbnxn_free_t     *free)
2428 {
2429     if (alloc == NULL)
2430     {
2431         nbl->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
2432     }
2433     else
2434     {
2435         nbl->alloc = alloc;
2436     }
2437     if (free == NULL)
2438     {
2439         nbl->free = nbnxn_free_aligned;
2440     }
2441     else
2442     {
2443         nbl->free = free;
2444     }
2445
2446     nbl->bSimple     = bSimple;
2447     nbl->na_sc       = 0;
2448     nbl->na_ci       = 0;
2449     nbl->na_cj       = 0;
2450     nbl->nci         = 0;
2451     nbl->ci          = NULL;
2452     nbl->ci_nalloc   = 0;
2453     nbl->ncj         = 0;
2454     nbl->cj          = NULL;
2455     nbl->cj_nalloc   = 0;
2456     nbl->ncj4        = 0;
2457     /* We need one element extra in sj, so alloc initially with 1 */
2458     nbl->cj4_nalloc  = 0;
2459     nbl->cj4         = NULL;
2460     nbl->nci_tot     = 0;
2461
2462     if (!nbl->bSimple)
2463     {
2464         nbl->excl        = NULL;
2465         nbl->excl_nalloc = 0;
2466         nbl->nexcl       = 0;
2467         check_excl_space(nbl, 1);
2468         nbl->nexcl       = 1;
2469         set_no_excls(&nbl->excl[0]);
2470     }
2471
2472     snew(nbl->work, 1);
2473     if (nbl->bSimple)
2474     {
2475         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, 1, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2476     }
2477     else
2478     {
2479 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2480         snew_aligned(nbl->work->pbb_ci, GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2481 #else
2482         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2483 #endif
2484     }
2485     snew_aligned(nbl->work->x_ci, NBNXN_NA_SC_MAX*DIM, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2486 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2487     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_4xn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2488     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_2xnn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2489 #endif
2490     snew_aligned(nbl->work->d2, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2491
2492     nbl->work->sort            = NULL;
2493     nbl->work->sort_nalloc     = 0;
2494     nbl->work->sci_sort        = NULL;
2495     nbl->work->sci_sort_nalloc = 0;
2496 }
2497
2498 void nbnxn_init_pairlist_set(nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
2499                              gmx_bool bSimple, gmx_bool bCombined,
2500                              nbnxn_alloc_t *alloc,
2501                              nbnxn_free_t  *free)
2502 {
2503     int i;
2504
2505     nbl_list->bSimple   = bSimple;
2506     nbl_list->bCombined = bCombined;
2507
2508     nbl_list->nnbl = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
2509
2510     if (!nbl_list->bCombined &&
2511         nbl_list->nnbl > NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS)
2512     {
2513         gmx_fatal(FARGS, "%d OpenMP threads were requested. Since the non-bonded force buffer reduction is prohibitively slow with more than %d threads, we do not allow this. Use %d or less OpenMP threads.",
2514                   nbl_list->nnbl, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS);
2515     }
2516
2517     snew(nbl_list->nbl, nbl_list->nnbl);
2518     /* Execute in order to avoid memory interleaving between threads */
2519 #pragma omp parallel for num_threads(nbl_list->nnbl) schedule(static)
2520     for (i = 0; i < nbl_list->nnbl; i++)
2521     {
2522         /* Allocate the nblist data structure locally on each thread
2523          * to optimize memory access for NUMA architectures.
2524          */
2525         snew(nbl_list->nbl[i], 1);
2526
2527         /* Only list 0 is used on the GPU, use normal allocation for i>0 */
2528         if (i == 0)
2529         {
2530             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, alloc, free);
2531         }
2532         else
2533         {
2534             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, NULL, NULL);
2535         }
2536     }
2537 }
2538
2539 /* Print statistics of a pair list, used for debug output */
2540 static void print_nblist_statistics_simple(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2541                                            const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2542 {
2543     const nbnxn_grid_t *grid;
2544     int                 cs[SHIFTS];
2545     int                 s, i, j;
2546     int                 npexcl;
2547
2548     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2549     grid = &nbs->grid[0];
2550
2551     fprintf(fp, "nbl nci %d ncj %d\n",
2552             nbl->nci, nbl->ncj);
2553     fprintf(fp, "nbl na_sc %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2554             nbl->na_sc, rl, nbl->ncj, nbl->ncj/(double)grid->nc,
2555             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc,
2556             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc/(0.5*4.0/3.0*M_PI*rl*rl*rl*grid->nc*grid->na_sc/det(nbs->box)));
2557
2558     fprintf(fp, "nbl average j cell list length %.1f\n",
2559             0.25*nbl->ncj/(double)nbl->nci);
2560
2561     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2562     {
2563         cs[s] = 0;
2564     }
2565     npexcl = 0;
2566     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
2567     {
2568         cs[nbl->ci[i].shift & NBNXN_CI_SHIFT] +=
2569             nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start;
2570
2571         j = nbl->ci[i].cj_ind_start;
2572         while (j < nbl->ci[i].cj_ind_end &&
2573                nbl->cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2574         {
2575             npexcl++;
2576             j++;
2577         }
2578     }
2579     fprintf(fp, "nbl cell pairs, total: %d excl: %d %.1f%%\n",
2580             nbl->ncj, npexcl, 100*npexcl/(double)nbl->ncj);
2581     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2582     {
2583         if (cs[s] > 0)
2584         {
2585             fprintf(fp, "nbl shift %2d ncj %3d\n", s, cs[s]);
2586         }
2587     }
2588 }
2589
2590 /* Print statistics of a pair lists, used for debug output */
2591 static void print_nblist_statistics_supersub(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2592                                              const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2593 {
2594     const nbnxn_grid_t *grid;
2595     int                 i, j4, j, si, b;
2596     int                 c[GPU_NSUBCELL+1];
2597
2598     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2599     grid = &nbs->grid[0];
2600
2601     fprintf(fp, "nbl nsci %d ncj4 %d nsi %d excl4 %d\n",
2602             nbl->nsci, nbl->ncj4, nbl->nci_tot, nbl->nexcl);
2603     fprintf(fp, "nbl na_c %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2604             nbl->na_ci, rl, nbl->nci_tot, nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot,
2605             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c,
2606             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c/(0.5*4.0/3.0*M_PI*rl*rl*rl*grid->nsubc_tot*grid->na_c/det(nbs->box)));
2607
2608     fprintf(fp, "nbl average j super cell list length %.1f\n",
2609             0.25*nbl->ncj4/(double)nbl->nsci);
2610     fprintf(fp, "nbl average i sub cell list length %.1f\n",
2611             nbl->nci_tot/((double)nbl->ncj4));
2612
2613     for (si = 0; si <= GPU_NSUBCELL; si++)
2614     {
2615         c[si] = 0;
2616     }
2617     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
2618     {
2619         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
2620         {
2621             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
2622             {
2623                 b = 0;
2624                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
2625                 {
2626                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
2627                     {
2628                         b++;
2629                     }
2630                 }
2631                 c[b]++;
2632             }
2633         }
2634     }
2635     for (b = 0; b <= GPU_NSUBCELL; b++)
2636     {
2637         fprintf(fp, "nbl j-list #i-subcell %d %7d %4.1f\n",
2638                 b, c[b], 100.0*c[b]/(double)(nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE));
2639     }
2640 }
2641
2642 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp */
2643 static void low_get_nbl_exclusions(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2644                                    int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2645 {
2646     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2647     {
2648         /* No exclusions set, make a new list entry */
2649         nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind = nbl->nexcl;
2650         nbl->nexcl++;
2651         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2652         set_no_excls(*excl);
2653     }
2654     else
2655     {
2656         /* We already have some exclusions, new ones can be added to the list */
2657         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2658     }
2659 }
2660
2661 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp,
2662  * allocates extra memory, if necessary.
2663  */
2664 static void get_nbl_exclusions_1(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2665                                  int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2666 {
2667     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2668     {
2669         /* We need to make a new list entry, check if we have space */
2670         check_excl_space(nbl, 1);
2671     }
2672     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, warp, excl);
2673 }
2674
2675 /* Returns pointers to the exclusion mask for cj4-unit cj4 for both warps,
2676  * allocates extra memory, if necessary.
2677  */
2678 static void get_nbl_exclusions_2(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2679                                  nbnxn_excl_t **excl_w0,
2680                                  nbnxn_excl_t **excl_w1)
2681 {
2682     /* Check for space we might need */
2683     check_excl_space(nbl, 2);
2684
2685     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 0, excl_w0);
2686     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 1, excl_w1);
2687 }
2688
2689 /* Sets the self exclusions i=j and pair exclusions i>j */
2690 static void set_self_and_newton_excls_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2691                                                int cj4_ind, int sj_offset,
2692                                                int si)
2693 {
2694     nbnxn_excl_t *excl[2];
2695     int           ei, ej, w;
2696
2697     /* Here we only set the set self and double pair exclusions */
2698
2699     get_nbl_exclusions_2(nbl, cj4_ind, &excl[0], &excl[1]);
2700
2701     /* Only minor < major bits set */
2702     for (ej = 0; ej < nbl->na_ci; ej++)
2703     {
2704         w = (ej>>2);
2705         for (ei = ej; ei < nbl->na_ci; ei++)
2706         {
2707             excl[w]->pair[(ej & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1))*nbl->na_ci + ei] &=
2708                 ~(1U << (sj_offset*GPU_NSUBCELL + si));
2709         }
2710     }
2711 }
2712
2713 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for plain C lists */
2714 static unsigned int get_imask(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2715 {
2716     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2717 }
2718
2719 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=2 */
2720 static unsigned int get_imask_simd_j2(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2721 {
2722     return (rdiag && ci*2 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_0 :
2723             (rdiag && ci*2+1 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_1 :
2724              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2725 }
2726
2727 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=4 */
2728 static unsigned int get_imask_simd_j4(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2729 {
2730     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2731 }
2732
2733 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=8 */
2734 static unsigned int get_imask_simd_j8(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2735 {
2736     return (rdiag && ci == cj*2 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_0 :
2737             (rdiag && ci == cj*2+1 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_1 :
2738              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2739 }
2740
2741 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2742 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 2
2743 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j2
2744 #endif
2745 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 4
2746 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j4
2747 #endif
2748 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 8
2749 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j8
2750 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j4
2751 #endif
2752 #if GMX_SIMD_WIDTH_HERE == 16
2753 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j8
2754 #endif
2755 #endif
2756
2757 /* Plain C code for making a pair list of cell ci vs cell cjf-cjl.
2758  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2759  */
2760 static void make_cluster_list_simple(const nbnxn_grid_t *gridj,
2761                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
2762                                      int ci, int cjf, int cjl,
2763                                      gmx_bool remove_sub_diag,
2764                                      const real *x_j,
2765                                      real rl2, float rbb2,
2766                                      int *ndistc)
2767 {
2768     const nbnxn_list_work_t *work;
2769
2770     const nbnxn_bb_t        *bb_ci;
2771     const real              *x_ci;
2772
2773     gmx_bool                 InRange;
2774     real                     d2;
2775     int                      cjf_gl, cjl_gl, cj;
2776
2777     work = nbl->work;
2778
2779     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
2780     x_ci  = nbl->work->x_ci;
2781
2782     InRange = FALSE;
2783     while (!InRange && cjf <= cjl)
2784     {
2785         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjf, gridj->bb);
2786         *ndistc += 2;
2787
2788         /* Check if the distance is within the distance where
2789          * we use only the bounding box distance rbb,
2790          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2791          * within the cut-off.
2792          */
2793         if (d2 < rbb2)
2794         {
2795             InRange = TRUE;
2796         }
2797         else if (d2 < rl2)
2798         {
2799             int i, j;
2800
2801             cjf_gl = gridj->cell0 + cjf;
2802             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2803             {
2804                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2805                 {
2806                     InRange = InRange ||
2807                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2808                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2809                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2810                 }
2811             }
2812             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2813         }
2814         if (!InRange)
2815         {
2816             cjf++;
2817         }
2818     }
2819     if (!InRange)
2820     {
2821         return;
2822     }
2823
2824     InRange = FALSE;
2825     while (!InRange && cjl > cjf)
2826     {
2827         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjl, gridj->bb);
2828         *ndistc += 2;
2829
2830         /* Check if the distance is within the distance where
2831          * we use only the bounding box distance rbb,
2832          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2833          * within the cut-off.
2834          */
2835         if (d2 < rbb2)
2836         {
2837             InRange = TRUE;
2838         }
2839         else if (d2 < rl2)
2840         {
2841             int i, j;
2842
2843             cjl_gl = gridj->cell0 + cjl;
2844             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2845             {
2846                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2847                 {
2848                     InRange = InRange ||
2849                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2850                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2851                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2852                 }
2853             }
2854             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2855         }
2856         if (!InRange)
2857         {
2858             cjl--;
2859         }
2860     }
2861
2862     if (cjf <= cjl)
2863     {
2864         for (cj = cjf; cj <= cjl; cj++)
2865         {
2866             /* Store cj and the interaction mask */
2867             nbl->cj[nbl->ncj].cj   = gridj->cell0 + cj;
2868             nbl->cj[nbl->ncj].excl = get_imask(remove_sub_diag, ci, cj);
2869             nbl->ncj++;
2870         }
2871         /* Increase the closing index in i super-cell list */
2872         nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end = nbl->ncj;
2873     }
2874 }
2875
2876 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
2877 #include "nbnxn_search_simd_4xn.h"
2878 #endif
2879 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
2880 #include "nbnxn_search_simd_2xnn.h"
2881 #endif
2882
2883 /* Plain C or SIMD4 code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
2884  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2885  */
2886 static void make_cluster_list_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
2887                                        const nbnxn_grid_t *gridi,
2888                                        const nbnxn_grid_t *gridj,
2889                                        nbnxn_pairlist_t *nbl,
2890                                        int sci, int scj,
2891                                        gmx_bool sci_equals_scj,
2892                                        int stride, const real *x,
2893                                        real rl2, float rbb2,
2894                                        int *ndistc)
2895 {
2896     int          na_c;
2897     int          npair;
2898     int          cjo, ci1, ci, cj, cj_gl;
2899     int          cj4_ind, cj_offset;
2900     unsigned     imask;
2901     nbnxn_cj4_t *cj4;
2902 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2903     const float      *pbb_ci;
2904 #else
2905     const nbnxn_bb_t *bb_ci;
2906 #endif
2907     const real  *x_ci;
2908     float       *d2l, d2;
2909     int          w;
2910 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE
2911 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2912     int  ci_last = -1;
2913 #endif
2914
2915     d2l = nbl->work->d2;
2916
2917 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2918     pbb_ci = nbl->work->pbb_ci;
2919 #else
2920     bb_ci  = nbl->work->bb_ci;
2921 #endif
2922     x_ci   = nbl->work->x_ci;
2923
2924     na_c = gridj->na_c;
2925
2926     for (cjo = 0; cjo < gridj->nsubc[scj]; cjo++)
2927     {
2928         cj4_ind   = (nbl->work->cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2929         cj_offset = nbl->work->cj_ind - cj4_ind*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
2930         cj4       = &nbl->cj4[cj4_ind];
2931
2932         cj = scj*GPU_NSUBCELL + cjo;
2933
2934         cj_gl = gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cj;
2935
2936         /* Initialize this j-subcell i-subcell list */
2937         cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
2938         imask              = 0;
2939
2940         if (sci_equals_scj)
2941         {
2942             ci1 = cjo + 1;
2943         }
2944         else
2945         {
2946             ci1 = gridi->nsubc[sci];
2947         }
2948
2949 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2950         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SIMD4 */
2951         subc_bb_dist2_simd4_xxxx(gridj->pbb+(cj>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX+(cj & (STRIDE_PBB-1)),
2952                                ci1, pbb_ci, d2l);
2953         *ndistc += na_c*2;
2954 #endif
2955
2956         npair = 0;
2957         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
2958         for (ci = 0; ci < GPU_NSUBCELL; ci++)
2959         {
2960             if (ci == ci1)
2961             {
2962                 break;
2963             }
2964
2965 #ifndef NBNXN_BBXXXX
2966             /* Determine the bb distance between ci and cj */
2967             d2l[ci]  = subc_bb_dist2(ci, bb_ci, cj, gridj->bb);
2968             *ndistc += 2;
2969 #endif
2970             d2 = d2l[ci];
2971
2972 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ALL
2973             /* Check if the distance is within the distance where
2974              * we use only the bounding box distance rbb,
2975              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2976              * within the cut-off. This check is very costly.
2977              */
2978             *ndistc += na_c*na_c;
2979             if (d2 < rbb2 ||
2980                 (d2 < rl2 &&
2981 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
2982                  subc_in_range_simd4
2983 #else
2984                  subc_in_range_x
2985 #endif
2986                      (na_c, ci, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2)))
2987 #else
2988             /* Check if the distance between the two bounding boxes
2989              * in within the pair-list cut-off.
2990              */
2991             if (d2 < rl2)
2992 #endif
2993             {
2994                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
2995                 imask |= (1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci));
2996
2997 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2998                 ci_last = ci;
2999 #endif
3000
3001                 npair++;
3002             }
3003         }
3004
3005 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3006         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
3007          * within the cut-off, so we could get rid of it.
3008          */
3009         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2)
3010         {
3011             /* Avoid using function pointers here, as it's slower */
3012             if (
3013 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
3014                 !subc_in_range_simd4
3015 #else
3016                 !subc_in_range_x
3017 #endif
3018                     (na_c, ci_last, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2))
3019             {
3020                 imask &= ~(1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci_last));
3021                 npair--;
3022             }
3023         }
3024 #endif
3025
3026         if (npair > 0)
3027         {
3028             /* We have a useful sj entry, close it now */
3029
3030             /* Set the exclucions for the ci== sj entry.
3031              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
3032              * as it will nearly always be in the list.
3033              */
3034             if (sci_equals_scj)
3035             {
3036                 set_self_and_newton_excls_supersub(nbl, cj4_ind, cj_offset, cjo);
3037             }
3038
3039             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
3040             for (w = 0; w < NWARP; w++)
3041             {
3042                 cj4->imei[w].imask |= imask;
3043             }
3044
3045             nbl->work->cj_ind++;
3046
3047             /* Keep the count */
3048             nbl->nci_tot += npair;
3049
3050             /* Increase the closing index in i super-cell list */
3051             nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end =
3052                 ((nbl->work->cj_ind+NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3053         }
3054     }
3055 }
3056
3057 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3058  * as masks in the pair-list for simple list i-entry nbl_ci
3059  */
3060 static void set_ci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3061                              nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3062                              gmx_bool             diagRemoved,
3063                              int                  na_ci_2log,
3064                              int                  na_cj_2log,
3065                              const nbnxn_ci_t    *nbl_ci,
3066                              const t_blocka      *excl)
3067 {
3068     const int    *cell;
3069     int           ci;
3070     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3071     int           cj_first, cj_last;
3072     int           ndirect;
3073     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3074     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3075     int           cj_m;
3076     gmx_bool      Found_si;
3077     int           si_ind;
3078     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3079     int           inner_i, inner_e;
3080
3081     cell = nbs->cell;
3082
3083     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3084     {
3085         /* Empty list */
3086         return;
3087     }
3088
3089     ci = nbl_ci->ci;
3090
3091     cj_ind_first = nbl_ci->cj_ind_start;
3092     cj_ind_last  = nbl->ncj - 1;
3093
3094     cj_first = nbl->cj[cj_ind_first].cj;
3095     cj_last  = nbl->cj[cj_ind_last].cj;
3096
3097     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
3098      * from the first i-cell. This number can be used to directly
3099      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
3100      */
3101     ndirect = 0;
3102     if (na_ci_2log == na_cj_2log)
3103     {
3104         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3105                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci + ndirect)
3106         {
3107             ndirect++;
3108         }
3109     }
3110 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
3111     else
3112     {
3113         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3114                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci_to_cj(na_cj_2log, ci) + ndirect)
3115         {
3116             ndirect++;
3117         }
3118     }
3119 #endif
3120
3121     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3122     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3123     {
3124         ai = nbs->a[ci*nbl->na_sc+i];
3125         if (ai >= 0)
3126         {
3127             si  = (i>>na_ci_2log);
3128
3129             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3130             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3131             {
3132                 aj = excl->a[eind];
3133
3134                 if (aj == ai)
3135                 {
3136                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3137                     continue;
3138                 }
3139
3140                 ge = cell[aj];
3141
3142                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3143                  * for one-way pair-lists.
3144                  */
3145                 if (diagRemoved && ge <= ci*nbl->na_sc + i)
3146                 {
3147                     continue;
3148                 }
3149
3150                 se = (ge >> na_cj_2log);
3151
3152                 /* Could the cluster se be in our list? */
3153                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3154                 {
3155                     if (se < cj_first + ndirect)
3156                     {
3157                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3158                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3159                     }
3160                     else
3161                     {
3162                         /* Search for se using bisection */
3163                         found    = -1;
3164                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3165                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3166                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3167                         {
3168                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3169
3170                             cj_m = nbl->cj[cj_ind_m].cj;
3171
3172                             if (se == cj_m)
3173                             {
3174                                 found = cj_ind_m;
3175                             }
3176                             else if (se < cj_m)
3177                             {
3178                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3179                             }
3180                             else
3181                             {
3182                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3183                             }
3184                         }
3185                     }
3186
3187                     if (found >= 0)
3188                     {
3189                         inner_i = i  - (si << na_ci_2log);
3190                         inner_e = ge - (se << na_cj_2log);
3191
3192                         nbl->cj[found].excl &= ~(1U<<((inner_i<<na_cj_2log) + inner_e));
3193                     }
3194                 }
3195             }
3196         }
3197     }
3198 }
3199
3200 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3201  * as masks in the pair-list for i-super-cell entry nbl_sci
3202  */
3203 static void set_sci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3204                               nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3205                               gmx_bool             diagRemoved,
3206                               int                  na_c_2log,
3207                               const nbnxn_sci_t   *nbl_sci,
3208                               const t_blocka      *excl)
3209 {
3210     const int    *cell;
3211     int           na_c;
3212     int           sci;
3213     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3214     int           cj_first, cj_last;
3215     int           ndirect;
3216     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3217     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3218     int           cj_m;
3219     gmx_bool      Found_si;
3220     int           si_ind;
3221     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3222     int           inner_i, inner_e, w;
3223
3224     cell = nbs->cell;
3225
3226     na_c = nbl->na_ci;
3227
3228     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3229     {
3230         /* Empty list */
3231         return;
3232     }
3233
3234     sci = nbl_sci->sci;
3235
3236     cj_ind_first = nbl_sci->cj4_ind_start*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3237     cj_ind_last  = nbl->work->cj_ind - 1;
3238
3239     cj_first = nbl->cj4[nbl_sci->cj4_ind_start].cj[0];
3240     cj_last  = nbl_cj(nbl, cj_ind_last);
3241
3242     /* Determine how many contiguous j-clusters we have starting
3243      * from the first i-cluster. This number can be used to directly
3244      * calculate j-cluster indices for excluded atoms.
3245      */
3246     ndirect = 0;
3247     while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3248            nbl_cj(nbl, cj_ind_first+ndirect) == sci*GPU_NSUBCELL + ndirect)
3249     {
3250         ndirect++;
3251     }
3252
3253     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3254     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3255     {
3256         ai = nbs->a[sci*nbl->na_sc+i];
3257         if (ai >= 0)
3258         {
3259             si  = (i>>na_c_2log);
3260
3261             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3262             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3263             {
3264                 aj = excl->a[eind];
3265
3266                 if (aj == ai)
3267                 {
3268                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3269                     continue;
3270                 }
3271
3272                 ge = cell[aj];
3273
3274                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3275                  * for one-way pair-lists.
3276                  */
3277                 if (diagRemoved && ge <= sci*nbl->na_sc + i)
3278                 {
3279                     continue;
3280                 }
3281
3282                 se = ge>>na_c_2log;
3283                 /* Could the cluster se be in our list? */
3284                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3285                 {
3286                     if (se < cj_first + ndirect)
3287                     {
3288                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3289                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3290                     }
3291                     else
3292                     {
3293                         /* Search for se using bisection */
3294                         found    = -1;
3295                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3296                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3297                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3298                         {
3299                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3300
3301                             cj_m = nbl_cj(nbl, cj_ind_m);
3302
3303                             if (se == cj_m)
3304                             {
3305                                 found = cj_ind_m;
3306                             }
3307                             else if (se < cj_m)
3308                             {
3309                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3310                             }
3311                             else
3312                             {
3313                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3314                             }
3315                         }
3316                     }
3317
3318                     if (found >= 0)
3319                     {
3320                         inner_i = i  - si*na_c;
3321                         inner_e = ge - se*na_c;
3322
3323 /* Macro for getting the index of atom a within a cluster */
3324 #define AMODCJ4(a)  ((a) & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1))
3325 /* Macro for converting an atom number to a cluster number */
3326 #define A2CJ4(a)    ((a) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG)
3327 /* Macro for getting the index of an i-atom within a warp */
3328 #define AMODWI(a)   ((a) & (NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/2 - 1))
3329
3330                         if (nbl_imask0(nbl, found) & (1U << (AMODCJ4(found)*GPU_NSUBCELL + si)))
3331                         {
3332                             w       = (inner_e >> 2);
3333
3334                             get_nbl_exclusions_1(nbl, A2CJ4(found), w, &nbl_excl);
3335
3336                             nbl_excl->pair[AMODWI(inner_e)*nbl->na_ci+inner_i] &=
3337                                 ~(1U << (AMODCJ4(found)*GPU_NSUBCELL + si));
3338                         }
3339
3340 #undef AMODCJ4
3341 #undef A2CJ4
3342 #undef AMODWI
3343                     }
3344                 }
3345             }
3346         }
3347     }
3348 }
3349
3350 /* Reallocate the simple ci list for at least n entries */
3351 static void nb_realloc_ci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3352 {
3353     nbl->ci_nalloc = over_alloc_small(n);
3354     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->ci,
3355                        nbl->nci*sizeof(*nbl->ci),
3356                        nbl->ci_nalloc*sizeof(*nbl->ci),
3357                        nbl->alloc, nbl->free);
3358 }
3359
3360 /* Reallocate the super-cell sci list for at least n entries */
3361 static void nb_realloc_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3362 {
3363     nbl->sci_nalloc = over_alloc_small(n);
3364     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->sci,
3365                        nbl->nsci*sizeof(*nbl->sci),
3366                        nbl->sci_nalloc*sizeof(*nbl->sci),
3367                        nbl->alloc, nbl->free);
3368 }
3369
3370 /* Make a new ci entry at index nbl->nci */
3371 static void new_ci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int ci, int shift, int flags,
3372                          nbnxn_list_work_t *work)
3373 {
3374     if (nbl->nci + 1 > nbl->ci_nalloc)
3375     {
3376         nb_realloc_ci(nbl, nbl->nci+1);
3377     }
3378     nbl->ci[nbl->nci].ci            = ci;
3379     nbl->ci[nbl->nci].shift         = shift;
3380     /* Store the interaction flags along with the shift */
3381     nbl->ci[nbl->nci].shift        |= flags;
3382     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start  = nbl->ncj;
3383     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end    = nbl->ncj;
3384 }
3385
3386 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
3387 static void new_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int sci, int shift, int flags,
3388                           nbnxn_list_work_t *work)
3389 {
3390     if (nbl->nsci + 1 > nbl->sci_nalloc)
3391     {
3392         nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3393     }
3394     nbl->sci[nbl->nsci].sci           = sci;
3395     nbl->sci[nbl->nsci].shift         = shift;
3396     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start = nbl->ncj4;
3397     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end   = nbl->ncj4;
3398 }
3399
3400 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
3401  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
3402  */
3403 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t *cj, int ncj,
3404                          nbnxn_list_work_t *work)
3405 {
3406     int jnew, j;
3407
3408     if (ncj > work->cj_nalloc)
3409     {
3410         work->cj_nalloc = over_alloc_large(ncj);
3411         srenew(work->cj, work->cj_nalloc);
3412     }
3413
3414     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
3415     jnew = 0;
3416     for (j = 0; j < ncj; j++)
3417     {
3418         if (cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3419         {
3420             work->cj[jnew++] = cj[j];
3421         }
3422     }
3423     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
3424     if (!((jnew == 0) ||
3425           (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)))
3426     {
3427         for (j = 0; j < ncj; j++)
3428         {
3429             if (cj[j].excl == NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3430             {
3431                 work->cj[jnew++] = cj[j];
3432             }
3433         }
3434         for (j = 0; j < ncj; j++)
3435         {
3436             cj[j] = work->cj[j];
3437         }
3438     }
3439 }
3440
3441 /* Close this simple list i entry */
3442 static void close_ci_entry_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3443 {
3444     int jlen;
3445
3446     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3447      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3448      */
3449     jlen = nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end - nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start;
3450     if (jlen > 0)
3451     {
3452         sort_cj_excl(nbl->cj+nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start, jlen, nbl->work);
3453
3454         /* The counts below are used for non-bonded pair/flop counts
3455          * and should therefore match the available kernel setups.
3456          */
3457         if (!(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
3458         {
3459             nbl->work->ncj_noq += jlen;
3460         }
3461         else if ((nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0)) ||
3462                  !(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_LJ(0)))
3463         {
3464             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
3465         }
3466
3467         nbl->nci++;
3468     }
3469 }
3470
3471 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
3472  * Splitting ensures we have enough lists to fully utilize the whole GPU.
3473  * With progBal we generate progressively smaller lists, which improves
3474  * load balancing. As we only know the current count on our own thread,
3475  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
3476  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
3477  * both on nthread and our own thread index.
3478  */
3479 static void split_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3480                             int nsp_max_av, gmx_bool progBal, int nc_bal,
3481                             int thread, int nthread)
3482 {
3483     int nsci_est;
3484     int nsp_max;
3485     int cj4_start, cj4_end, j4len, cj4;
3486     int sci;
3487     int nsp, nsp_sci, nsp_cj4, nsp_cj4_e, nsp_cj4_p;
3488     int p;
3489
3490     if (progBal)
3491     {
3492         /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
3493          * over all threads using the target number of ci's.
3494          */
3495         nsci_est = nc_bal*thread/nthread + nbl->nsci;
3496
3497         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
3498          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
3499          */
3500         nsp_max = max(1,
3501                       nsp_max_av*nc_bal*3/(2*(nsci_est - 1 + nc_bal)));
3502     }
3503     else
3504     {
3505         nsp_max = nsp_max_av;
3506     }
3507
3508     cj4_start = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_start;
3509     cj4_end   = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_end;
3510     j4len     = cj4_end - cj4_start;
3511
3512     if (j4len > 1 && j4len*GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE > nsp_max)
3513     {
3514         /* Remove the last ci entry and process the cj4's again */
3515         nbl->nsci -= 1;
3516
3517         sci        = nbl->nsci;
3518         nsp        = 0;
3519         nsp_sci    = 0;
3520         nsp_cj4_e  = 0;
3521         nsp_cj4    = 0;
3522         for (cj4 = cj4_start; cj4 < cj4_end; cj4++)
3523         {
3524             nsp_cj4_p = nsp_cj4;
3525             /* Count the number of cluster pairs in this cj4 group */
3526             nsp_cj4   = 0;
3527             for (p = 0; p < GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; p++)
3528             {
3529                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
3530             }
3531
3532             if (nsp_cj4 > 0 && nsp + nsp_cj4 > nsp_max)
3533             {
3534                 /* Split the list at cj4 */
3535                 nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4;
3536                 /* Create a new sci entry */
3537                 sci++;
3538                 nbl->nsci++;
3539                 if (nbl->nsci+1 > nbl->sci_nalloc)
3540                 {
3541                     nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3542                 }
3543                 nbl->sci[sci].sci           = nbl->sci[nbl->nsci-1].sci;
3544                 nbl->sci[sci].shift         = nbl->sci[nbl->nsci-1].shift;
3545                 nbl->sci[sci].cj4_ind_start = cj4;
3546                 nsp_sci                     = nsp;
3547                 nsp_cj4_e                   = nsp_cj4_p;
3548                 nsp                         = 0;
3549             }
3550             nsp += nsp_cj4;
3551         }
3552
3553         /* Put the remaining cj4's in the last sci entry */
3554         nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4_end;
3555
3556         /* Possibly balance out the last two sci's
3557          * by moving the last cj4 of the second last sci.
3558          */
3559         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
3560         {
3561             nbl->sci[sci-1].cj4_ind_end--;
3562             nbl->sci[sci].cj4_ind_start--;
3563         }
3564
3565         nbl->nsci++;
3566     }
3567 }
3568
3569 /* Clost this super/sub list i entry */
3570 static void close_ci_entry_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3571                                     int nsp_max_av,
3572                                     gmx_bool progBal, int nc_bal,
3573                                     int thread, int nthread)
3574 {
3575     int j4len, tlen;
3576     int nb, b;
3577
3578     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3579      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3580      */
3581     j4len = nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end - nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start;
3582     if (j4len > 0)
3583     {
3584         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
3585          * so round the count up before closing.
3586          */
3587         nbl->ncj4         = ((nbl->work->cj_ind + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3588         nbl->work->cj_ind = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3589
3590         nbl->nsci++;
3591
3592         if (nsp_max_av > 0)
3593         {
3594             /* Measure the size of the new entry and potentially split it */
3595             split_sci_entry(nbl, nsp_max_av, progBal, nc_bal, thread, nthread);
3596         }
3597     }
3598 }
3599
3600 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the list */
3601 static void sync_work(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3602 {
3603     if (!nbl->bSimple)
3604     {
3605         nbl->work->cj_ind   = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3606         nbl->work->cj4_init = nbl->ncj4;
3607     }
3608 }
3609
3610 /* Clears an nbnxn_pairlist_t data structure */
3611 static void clear_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3612 {
3613     nbl->nci           = 0;
3614     nbl->nsci          = 0;
3615     nbl->ncj           = 0;
3616     nbl->ncj4          = 0;
3617     nbl->nci_tot       = 0;
3618     nbl->nexcl         = 1;
3619
3620     nbl->work->ncj_noq = 0;
3621     nbl->work->ncj_hlj = 0;
3622 }
3623
3624 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
3625 static gmx_inline void set_icell_bb_simple(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
3626                                            real shx, real shy, real shz,
3627                                            nbnxn_bb_t *bb_ci)
3628 {
3629     bb_ci->lower[BB_X] = bb[ci].lower[BB_X] + shx;
3630     bb_ci->lower[BB_Y] = bb[ci].lower[BB_Y] + shy;
3631     bb_ci->lower[BB_Z] = bb[ci].lower[BB_Z] + shz;
3632     bb_ci->upper[BB_X] = bb[ci].upper[BB_X] + shx;
3633     bb_ci->upper[BB_Y] = bb[ci].upper[BB_Y] + shy;
3634     bb_ci->upper[BB_Z] = bb[ci].upper[BB_Z] + shz;
3635 }
3636
3637 #ifdef NBNXN_BBXXXX
3638 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
3639 static void set_icell_bbxxxx_supersub(const float *bb, int ci,
3640                                       real shx, real shy, real shz,
3641                                       float *bb_ci)
3642 {
3643     int ia, m, i;
3644
3645     ia = ci*(GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX;
3646     for (m = 0; m < (GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX; m += NNBSBB_XXXX)
3647     {
3648         for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
3649         {
3650             bb_ci[m+0*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+0*STRIDE_PBB+i] + shx;
3651             bb_ci[m+1*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+1*STRIDE_PBB+i] + shy;
3652             bb_ci[m+2*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+2*STRIDE_PBB+i] + shz;
3653             bb_ci[m+3*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+3*STRIDE_PBB+i] + shx;
3654             bb_ci[m+4*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+4*STRIDE_PBB+i] + shy;
3655             bb_ci[m+5*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+5*STRIDE_PBB+i] + shz;
3656         }
3657     }
3658 }
3659 #endif
3660
3661 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
3662 static void set_icell_bb_supersub(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
3663                                   real shx, real shy, real shz,
3664                                   nbnxn_bb_t *bb_ci)
3665 {
3666     int i;
3667
3668     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL; i++)
3669     {
3670         set_icell_bb_simple(bb, ci*GPU_NSUBCELL+i,
3671                             shx, shy, shz,
3672                             &bb_ci[i]);
3673     }
3674 }
3675
3676 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
3677 static void icell_set_x_simple(int ci,
3678                                real shx, real shy, real shz,
3679                                int na_c,
3680                                int stride, const real *x,
3681                                nbnxn_list_work_t *work)
3682 {
3683     int  ia, i;
3684
3685     ia = ci*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
3686
3687     for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; i++)
3688     {
3689         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] = x[(ia+i)*stride+XX] + shx;
3690         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] = x[(ia+i)*stride+YY] + shy;
3691         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] = x[(ia+i)*stride+ZZ] + shz;
3692     }
3693 }
3694
3695 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
3696 static void icell_set_x_supersub(int ci,
3697                                  real shx, real shy, real shz,
3698                                  int na_c,
3699                                  int stride, const real *x,
3700                                  nbnxn_list_work_t *work)
3701 {
3702     int  ia, i;
3703     real *x_ci;
3704
3705     x_ci = work->x_ci;
3706
3707     ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c;
3708     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL*na_c; i++)
3709     {
3710         x_ci[i*DIM + XX] = x[(ia+i)*stride + XX] + shx;
3711         x_ci[i*DIM + YY] = x[(ia+i)*stride + YY] + shy;
3712         x_ci[i*DIM + ZZ] = x[(ia+i)*stride + ZZ] + shz;
3713     }
3714 }
3715
3716 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
3717 /* Copies PBC shifted super-cell packed atom coordinates to working array */
3718 static void icell_set_x_supersub_simd4(int ci,
3719                                        real shx, real shy, real shz,
3720                                        int na_c,
3721                                        int stride, const real *x,
3722                                        nbnxn_list_work_t *work)
3723 {
3724     int  si, io, ia, i, j;
3725     real *x_ci;
3726
3727     x_ci = work->x_ci;
3728
3729     for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
3730     {
3731         for (i = 0; i < na_c; i += STRIDE_PBB)
3732         {
3733             io = si*na_c + i;
3734             ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c + io;
3735             for (j = 0; j < STRIDE_PBB; j++)
3736             {
3737                 x_ci[io*DIM + j + XX*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+XX] + shx;
3738                 x_ci[io*DIM + j + YY*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+YY] + shy;
3739                 x_ci[io*DIM + j + ZZ*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+ZZ] + shz;
3740             }
3741         }
3742     }
3743 }
3744 #endif
3745
3746 static real nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac = 0.6;
3747
3748 /* Due to the cluster size the effective pair-list is longer than
3749  * that of a simple atom pair-list. This function gives the extra distance.
3750  */
3751 real nbnxn_get_rlist_effective_inc(int cluster_size, real atom_density)
3752 {
3753     return ((0.5 + nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac)*sqr(((cluster_size) - 1.0)/(cluster_size))*pow((cluster_size)/(atom_density), 1.0/3.0));
3754 }
3755
3756 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
3757 static real nonlocal_vol2(const gmx_domdec_zones_t *zones, rvec ls, real r)
3758 {
3759     int  z, d;
3760     real cl, ca, za;
3761     real vold_est;
3762     real vol2_est_tot;
3763
3764     vol2_est_tot = 0;
3765
3766     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
3767      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
3768      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
3769      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
3770      * as small parts as possible.
3771      */
3772
3773     for (z = 0; z < zones->n; z++)
3774     {
3775         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
3776         {
3777             cl = 0;
3778             ca = 1;
3779             za = 1;
3780             for (d = 0; d < DIM; d++)
3781             {
3782                 if (zones->shift[z][d] == 0)
3783                 {
3784                     cl += 0.5*ls[d];
3785                     ca *= ls[d];
3786                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
3787                 }
3788             }
3789
3790             /* 4 octants of a sphere */
3791             vold_est  = 0.25*M_PI*r*r*r*r;
3792             /* 4 quarter pie slices on the edges */
3793             vold_est += 4*cl*M_PI/6.0*r*r*r;
3794             /* One rectangular volume on a face */
3795             vold_est += ca*0.5*r*r;
3796
3797             vol2_est_tot += vold_est*za;
3798         }
3799     }
3800
3801     return vol2_est_tot;
3802 }
3803
3804 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
3805 static int get_nsubpair_max(const nbnxn_search_t nbs,
3806                             int                  iloc,
3807                             real                 rlist,
3808                             int                  min_ci_balanced)
3809 {
3810     const nbnxn_grid_t *grid;
3811     rvec ls;
3812     real xy_diag2, r_eff_sup, vol_est, nsp_est, nsp_est_nl;
3813     int  nsubpair_max;
3814
3815     grid = &nbs->grid[0];
3816
3817     ls[XX] = (grid->c1[XX] - grid->c0[XX])/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X);
3818     ls[YY] = (grid->c1[YY] - grid->c0[YY])/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y);
3819     ls[ZZ] = (grid->c1[ZZ] - grid->c0[ZZ])*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z);
3820
3821     /* The average squared length of the diagonal of a sub cell */
3822     xy_diag2 = ls[XX]*ls[XX] + ls[YY]*ls[YY] + ls[ZZ]*ls[ZZ];
3823
3824     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
3825     r_eff_sup = rlist + nbnxn_rlist_inc_nonloc_fac*sqr((grid->na_c - 1.0)/grid->na_c)*sqrt(xy_diag2/3);
3826
3827     if (!nbs->DomDec || nbs->zones->n == 1)
3828     {
3829         nsp_est_nl = 0;
3830     }
3831     else
3832     {
3833         nsp_est_nl =
3834             sqr(grid->atom_density/grid->na_c)*
3835             nonlocal_vol2(nbs->zones, ls, r_eff_sup);
3836     }
3837
3838     if (LOCAL_I(iloc))
3839     {
3840         /* Sub-cell interacts with itself */
3841         vol_est  = ls[XX]*ls[YY]*ls[ZZ];
3842         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
3843         vol_est += (ls[XX]*ls[YY] + ls[XX]*ls[ZZ] + ls[YY]*ls[ZZ])*r_eff_sup;
3844         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
3845         vol_est += 2*(ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ])*0.25*M_PI*sqr(r_eff_sup);
3846         /* 4 octants of a sphere */
3847         vol_est += 0.5*4.0/3.0*M_PI*pow(r_eff_sup, 3);
3848
3849         nsp_est = grid->nsubc_tot*vol_est*grid->atom_density/grid->na_c;
3850
3851         /* Subtract the non-local pair count */
3852         nsp_est -= nsp_est_nl;
3853
3854         if (debug)
3855         {
3856             fprintf(debug, "nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n",
3857                     nsp_est, nsp_est_nl);
3858         }
3859     }
3860     else
3861     {
3862         nsp_est = nsp_est_nl;
3863     }
3864
3865     if (min_ci_balanced <= 0 || grid->nc >= min_ci_balanced || grid->nc == 0)
3866     {
3867         /* We don't need to worry */
3868         nsubpair_max = -1;
3869     }
3870     else
3871     {
3872         /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows */
3873         nsubpair_max = max(1, (int)(nsp_est/min_ci_balanced+0.5));
3874
3875         /* Since the target value is a maximum (this avoids high outliers,
3876          * which lead to load imbalance), not average, we add half the
3877          * number of pairs in a cj4 block to get the average about right.
3878          */
3879         nsubpair_max += GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE/2;
3880     }
3881
3882     if (debug)
3883     {
3884         fprintf(debug, "nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_max %d\n",
3885                 nsp_est, nsubpair_max);
3886     }
3887
3888     return nsubpair_max;
3889 }
3890
3891 /* Debug list print function */
3892 static void print_nblist_ci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
3893 {
3894     int i, j;
3895
3896     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
3897     {
3898         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n",
3899                 nbl->ci[i].ci, nbl->ci[i].shift,
3900                 nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start);
3901
3902         for (j = nbl->ci[i].cj_ind_start; j < nbl->ci[i].cj_ind_end; j++)
3903         {
3904             fprintf(fp, "  cj %5d  imask %x\n",
3905                     nbl->cj[j].cj,
3906                     nbl->cj[j].excl);
3907         }
3908     }
3909 }
3910
3911 /* Debug list print function */
3912 static void print_nblist_sci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
3913 {
3914     int i, j4, j, ncp, si;
3915
3916     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
3917     {
3918         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n",
3919                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
3920                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start);
3921
3922         ncp = 0;
3923         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
3924         {
3925             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
3926             {
3927                 fprintf(fp, "  sj %5d  imask %x\n",
3928                         nbl->cj4[j4].cj[j],
3929                         nbl->cj4[j4].imei[0].imask);
3930                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
3931                 {
3932                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
3933                     {
3934                         ncp++;
3935                     }
3936                 }
3937             }
3938         }
3939         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d ncp %3d\n",
3940                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
3941                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start,
3942                 ncp);
3943     }
3944 }
3945
3946 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
3947 static void combine_nblists(int nnbl, nbnxn_pairlist_t **nbl,
3948                             nbnxn_pairlist_t *nblc)
3949 {
3950     int nsci, ncj4, nexcl;
3951     int n, i;
3952
3953     if (nblc->bSimple)
3954     {
3955         gmx_incons("combine_nblists does not support simple lists");
3956     }
3957
3958     nsci  = nblc->nsci;
3959     ncj4  = nblc->ncj4;
3960     nexcl = nblc->nexcl;
3961     for (i = 0; i < nnbl; i++)
3962     {
3963         nsci  += nbl[i]->nsci;
3964         ncj4  += nbl[i]->ncj4;
3965         nexcl += nbl[i]->nexcl;
3966     }
3967
3968     if (nsci > nblc->sci_nalloc)
3969     {
3970         nb_realloc_sci(nblc, nsci);
3971     }
3972     if (ncj4 > nblc->cj4_nalloc)
3973     {
3974         nblc->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4);
3975         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->cj4,
3976                            nblc->ncj4*sizeof(*nblc->cj4),
3977                            nblc->cj4_nalloc*sizeof(*nblc->cj4),
3978                            nblc->alloc, nblc->free);
3979     }
3980     if (nexcl > nblc->excl_nalloc)
3981     {
3982         nblc->excl_nalloc = over_alloc_small(nexcl);
3983         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->excl,
3984                            nblc->nexcl*sizeof(*nblc->excl),
3985                            nblc->excl_nalloc*sizeof(*nblc->excl),
3986                            nblc->alloc, nblc->free);
3987     }
3988
3989     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
3990      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
3991      */
3992 #pragma omp parallel for num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch)) schedule(static)
3993     for (n = 0; n < nnbl; n++)
3994     {
3995         int sci_offset;
3996         int cj4_offset;
3997         int ci_offset;
3998         int excl_offset;
3999         int i, j4;
4000         const nbnxn_pairlist_t *nbli;
4001
4002         /* Determine the offset in the combined data for our thread */
4003         sci_offset  = nblc->nsci;
4004         cj4_offset  = nblc->ncj4;
4005         ci_offset   = nblc->nci_tot;
4006         excl_offset = nblc->nexcl;
4007
4008         for (i = 0; i < n; i++)
4009         {
4010             sci_offset  += nbl[i]->nsci;
4011             cj4_offset  += nbl[i]->ncj4;
4012             ci_offset   += nbl[i]->nci_tot;
4013             excl_offset += nbl[i]->nexcl;
4014         }
4015
4016         nbli = nbl[n];
4017
4018         for (i = 0; i < nbli->nsci; i++)
4019         {
4020             nblc->sci[sci_offset+i]                = nbli->sci[i];
4021             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_start += cj4_offset;
4022             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_end   += cj4_offset;
4023         }
4024
4025         for (j4 = 0; j4 < nbli->ncj4; j4++)
4026         {
4027             nblc->cj4[cj4_offset+j4]                   = nbli->cj4[j4];
4028             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
4029             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
4030         }
4031
4032         for (j4 = 0; j4 < nbli->nexcl; j4++)
4033         {
4034             nblc->excl[excl_offset+j4] = nbli->excl[j4];
4035         }
4036     }
4037
4038     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4039     {
4040         nblc->nsci    += nbl[n]->nsci;
4041         nblc->ncj4    += nbl[n]->ncj4;
4042         nblc->nci_tot += nbl[n]->nci_tot;
4043         nblc->nexcl   += nbl[n]->nexcl;
4044     }
4045 }
4046
4047 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
4048 static gmx_bool next_ci(const nbnxn_grid_t *grid,
4049                         int conv,
4050                         int nth, int ci_block,
4051                         int *ci_x, int *ci_y,
4052                         int *ci_b, int *ci)
4053 {
4054     (*ci_b)++;
4055     (*ci)++;
4056
4057     if (*ci_b == ci_block)
4058     {
4059         /* Jump to the next block assigned to this task */
4060         *ci   += (nth - 1)*ci_block;
4061         *ci_b  = 0;
4062     }
4063
4064     if (*ci >= grid->nc*conv)
4065     {
4066         return FALSE;
4067     }
4068
4069     while (*ci >= grid->cxy_ind[*ci_x*grid->ncy + *ci_y + 1]*conv)
4070     {
4071         *ci_y += 1;
4072         if (*ci_y == grid->ncy)
4073         {
4074             *ci_x += 1;
4075             *ci_y  = 0;
4076         }
4077     }
4078
4079     return TRUE;
4080 }
4081
4082 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
4083  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
4084  */
4085 static float boundingbox_only_distance2(const nbnxn_grid_t *gridi,
4086                                         const nbnxn_grid_t *gridj,
4087                                         real                rlist,
4088                                         gmx_bool            simple)
4089 {
4090     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
4091      * than this distance, do not check the distance between
4092      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
4093      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
4094      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
4095      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
4096      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
4097      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
4098      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
4099      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
4100      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
4101      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
4102      */
4103     real bbx, bby;
4104     real rbb2;
4105
4106     bbx = 0.5*(gridi->sx + gridj->sx);
4107     bby = 0.5*(gridi->sy + gridj->sy);
4108     if (!simple)
4109     {
4110         bbx /= GPU_NSUBCELL_X;
4111         bby /= GPU_NSUBCELL_Y;
4112     }
4113
4114     rbb2 = sqr(max(0, rlist - 0.5*sqrt(bbx*bbx + bby*bby)));
4115
4116 #ifndef GMX_DOUBLE
4117     return rbb2;
4118 #else
4119     return (float)((1+GMX_FLOAT_EPS)*rbb2);
4120 #endif
4121 }
4122
4123 static int get_ci_block_size(const nbnxn_grid_t *gridi,
4124                              gmx_bool bDomDec, int nth)
4125 {
4126     const int ci_block_enum      = 5;
4127     const int ci_block_denom     = 11;
4128     const int ci_block_min_atoms = 16;
4129     int ci_block;
4130
4131     /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
4132      * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
4133      * a multiple of the number of threads, which would lead to some
4134      * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
4135      * which in turns will lead to load imbalance between threads.
4136      * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
4137      * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
4138      * of the grid parts of the different thread along all three grid
4139      * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
4140      * the blocks will not become too small.
4141      */
4142     ci_block = (gridi->nc*ci_block_enum)/(ci_block_denom*gridi->ncx*nth);
4143
4144     /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
4145     if (ci_block*gridi->na_sc < ci_block_min_atoms)
4146     {
4147         ci_block = (ci_block_min_atoms + gridi->na_sc - 1)/gridi->na_sc;
4148     }
4149
4150     /* Without domain decomposition
4151      * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
4152      */
4153     if (!bDomDec || ci_block*3*nth > gridi->nc)
4154     {
4155         ci_block = (gridi->nc + nth - 1)/nth;
4156     }
4157
4158     return ci_block;
4159 }
4160
4161 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
4162 static void nbnxn_make_pairlist_part(const nbnxn_search_t nbs,
4163                                      const nbnxn_grid_t *gridi,
4164                                      const nbnxn_grid_t *gridj,
4165                                      nbnxn_search_work_t *work,
4166                                      const nbnxn_atomdata_t *nbat,
4167                                      const t_blocka *excl,
4168                                      real rlist,
4169                                      int nb_kernel_type,
4170                                      int ci_block,
4171                                      gmx_bool bFBufferFlag,
4172                                      int nsubpair_max,
4173                                      gmx_bool progBal,
4174                                      int min_ci_balanced,
4175                                      int th, int nth,
4176                                      nbnxn_pairlist_t *nbl)
4177 {
4178     int  na_cj_2log;
4179     matrix box;
4180     real rl2;
4181     float rbb2;
4182     int  d;
4183     int  ci_b, ci, ci_x, ci_y, ci_xy, cj;
4184     ivec shp;
4185     int  tx, ty, tz;
4186     int  shift;
4187     gmx_bool bMakeList;
4188     real shx, shy, shz;
4189     int  conv_i, cell0_i;
4190     const nbnxn_bb_t *bb_i=NULL;
4191 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4192     const float *pbb_i=NULL;
4193 #endif
4194     const float *bbcz_i, *bbcz_j;
4195     const int *flags_i;
4196     real bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1;
4197     real bz1_frac;
4198     real d2cx, d2z, d2z_cx, d2z_cy, d2zx, d2zxy, d2xy;
4199     int  cxf, cxl, cyf, cyf_x, cyl;
4200     int  cx, cy;
4201     int  c0, c1, cs, cf, cl;
4202     int  ndistc;
4203     int  ncpcheck;
4204     int  gridi_flag_shift = 0, gridj_flag_shift = 0;
4205     unsigned *gridj_flag  = NULL;
4206     int  ncj_old_i, ncj_old_j;
4207
4208     nbs_cycle_start(&work->cc[enbsCCsearch]);
4209
4210     if (gridj->bSimple != nbl->bSimple)
4211     {
4212         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
4213     }
4214
4215     sync_work(nbl);
4216     nbl->na_sc = gridj->na_sc;
4217     nbl->na_ci = gridj->na_c;
4218     nbl->na_cj = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
4219     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
4220
4221     nbl->rlist  = rlist;
4222
4223     if (bFBufferFlag)
4224     {
4225         /* Determine conversion of clusters to flag blocks */
4226         gridi_flag_shift = 0;
4227         while ((nbl->na_ci<<gridi_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4228         {
4229             gridi_flag_shift++;
4230         }
4231         gridj_flag_shift = 0;
4232         while ((nbl->na_cj<<gridj_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4233         {
4234             gridj_flag_shift++;
4235         }
4236
4237         gridj_flag = work->buffer_flags.flag;
4238     }
4239
4240     copy_mat(nbs->box, box);
4241
4242     rl2 = nbl->rlist*nbl->rlist;
4243
4244     rbb2 = boundingbox_only_distance2(gridi, gridj, nbl->rlist, nbl->bSimple);
4245
4246     if (debug)
4247     {
4248         fprintf(debug, "nbl bounding box only distance %f\n", sqrt(rbb2));
4249     }
4250
4251     /* Set the shift range */
4252     for (d = 0; d < DIM; d++)
4253     {
4254         /* Check if we need periodicity shifts.
4255          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
4256          */
4257         if (d >= ePBC2npbcdim(nbs->ePBC) || nbs->dd_dim[d])
4258         {
4259             shp[d] = 0;
4260         }
4261         else
4262         {
4263             if (d == XX &&
4264                 box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < sqrt(rl2))
4265             {
4266                 shp[d] = 2;
4267             }
4268             else
4269             {
4270                 shp[d] = 1;
4271             }
4272         }
4273     }
4274
4275     if (nbl->bSimple && !gridi->bSimple)
4276     {
4277         conv_i  = gridi->na_sc/gridj->na_sc;
4278         bb_i    = gridi->bb_simple;
4279         bbcz_i  = gridi->bbcz_simple;
4280         flags_i = gridi->flags_simple;
4281     }
4282     else
4283     {
4284         conv_i  = 1;
4285 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4286         if (gridi->bSimple)
4287         {
4288             bb_i  = gridi->bb;
4289         }
4290         else
4291         {
4292             pbb_i = gridi->pbb;
4293         }
4294 #else
4295         /* We use the normal bounding box format for both grid types */
4296         bb_i  = gridi->bb;
4297 #endif
4298         bbcz_i  = gridi->bbcz;
4299         flags_i = gridi->flags;
4300     }
4301     cell0_i = gridi->cell0*conv_i;
4302
4303     bbcz_j = gridj->bbcz;
4304
4305     if (conv_i != 1)
4306     {
4307         /* Blocks of the conversion factor - 1 give a large repeat count
4308          * combined with a small block size. This should result in good
4309          * load balancing for both small and large domains.
4310          */
4311         ci_block = conv_i - 1;
4312     }
4313     if (debug)
4314     {
4315         fprintf(debug, "nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n",
4316                 gridi->nc, gridi->nc/(double)(gridi->ncx*gridi->ncy), ci_block);
4317     }
4318
4319     ndistc   = 0;
4320     ncpcheck = 0;
4321
4322     /* Initially ci_b and ci to 1 before where we want them to start,
4323      * as they will both be incremented in next_ci.
4324      */
4325     ci_b = -1;
4326     ci   = th*ci_block - 1;
4327     ci_x = 0;
4328     ci_y = 0;
4329     while (next_ci(gridi, conv_i, nth, ci_block, &ci_x, &ci_y, &ci_b, &ci))
4330     {
4331         if (nbl->bSimple && flags_i[ci] == 0)
4332         {
4333             continue;
4334         }
4335
4336         ncj_old_i = nbl->ncj;
4337
4338         d2cx = 0;
4339         if (gridj != gridi && shp[XX] == 0)
4340         {
4341             if (nbl->bSimple)
4342             {
4343                 bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X];
4344             }
4345             else
4346             {
4347                 bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx;
4348             }
4349             if (bx1 < gridj->c0[XX])
4350             {
4351                 d2cx = sqr(gridj->c0[XX] - bx1);
4352
4353                 if (d2cx >= rl2)
4354                 {
4355                     continue;
4356                 }
4357             }
4358         }
4359
4360         ci_xy = ci_x*gridi->ncy + ci_y;
4361
4362         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
4363         for (tz = -shp[ZZ]; tz <= shp[ZZ]; tz++)
4364         {
4365             shz = tz*box[ZZ][ZZ];
4366
4367             bz0 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D  ] + shz;
4368             bz1 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D+1] + shz;
4369
4370             if (tz == 0)
4371             {
4372                 d2z = 0;
4373             }
4374             else if (tz < 0)
4375             {
4376                 d2z = sqr(bz1);
4377             }
4378             else
4379             {
4380                 d2z = sqr(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
4381             }
4382
4383             d2z_cx = d2z + d2cx;
4384
4385             if (d2z_cx >= rl2)
4386             {
4387                 continue;
4388             }
4389
4390             bz1_frac =
4391                 bz1/((real)(gridi->cxy_ind[ci_xy+1] - gridi->cxy_ind[ci_xy]));
4392             if (bz1_frac < 0)
4393             {
4394                 bz1_frac = 0;
4395             }
4396             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
4397
4398             for (ty = -shp[YY]; ty <= shp[YY]; ty++)
4399             {
4400                 shy = ty*box[YY][YY] + tz*box[ZZ][YY];
4401
4402                 if (nbl->bSimple)
4403                 {
4404                     by0 = bb_i[ci].lower[BB_Y] + shy;
4405                     by1 = bb_i[ci].upper[BB_Y] + shy;
4406                 }
4407                 else
4408                 {
4409                     by0 = gridi->c0[YY] + (ci_y  )*gridi->sy + shy;
4410                     by1 = gridi->c0[YY] + (ci_y+1)*gridi->sy + shy;
4411                 }
4412
4413                 get_cell_range(by0, by1,
4414                                gridj->ncy, gridj->c0[YY], gridj->sy, gridj->inv_sy,
4415                                d2z_cx, rl2,
4416                                &cyf, &cyl);
4417
4418                 if (cyf > cyl)
4419                 {
4420                     continue;
4421                 }
4422
4423                 d2z_cy = d2z;
4424                 if (by1 < gridj->c0[YY])
4425                 {
4426                     d2z_cy += sqr(gridj->c0[YY] - by1);
4427                 }
4428                 else if (by0 > gridj->c1[YY])
4429                 {
4430                     d2z_cy += sqr(by0 - gridj->c1[YY]);
4431                 }
4432
4433                 for (tx = -shp[XX]; tx <= shp[XX]; tx++)
4434                 {
4435                     shift = XYZ2IS(tx, ty, tz);
4436
4437 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4438                     if (gridi == gridj && shift > CENTRAL)
4439                     {
4440                         continue;
4441                     }
4442 #endif
4443
4444                     shx = tx*box[XX][XX] + ty*box[YY][XX] + tz*box[ZZ][XX];
4445
4446                     if (nbl->bSimple)
4447                     {
4448                         bx0 = bb_i[ci].lower[BB_X] + shx;
4449                         bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X] + shx;
4450                     }
4451                     else
4452                     {
4453                         bx0 = gridi->c0[XX] + (ci_x  )*gridi->sx + shx;
4454                         bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx + shx;
4455                     }
4456
4457                     get_cell_range(bx0, bx1,
4458                                    gridj->ncx, gridj->c0[XX], gridj->sx, gridj->inv_sx,
4459                                    d2z_cy, rl2,
4460                                    &cxf, &cxl);
4461
4462                     if (cxf > cxl)
4463                     {
4464                         continue;
4465                     }
4466
4467                     if (nbl->bSimple)
4468                     {
4469                         new_ci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci],
4470                                      nbl->work);
4471                     }
4472                     else
4473                     {
4474                         new_sci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci],
4475                                       nbl->work);
4476                     }
4477
4478 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4479                     if (cxf < ci_x)
4480 #else
4481                     if (shift == CENTRAL && gridi == gridj &&
4482                         cxf < ci_x)
4483 #endif
4484                     {
4485                         /* Leave the pairs with i > j.
4486                          * x is the major index, so skip half of it.
4487                          */
4488                         cxf = ci_x;
4489                     }
4490
4491                     if (nbl->bSimple)
4492                     {
4493                         set_icell_bb_simple(bb_i, ci, shx, shy, shz,
4494                                             nbl->work->bb_ci);
4495                     }
4496                     else
4497                     {
4498 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4499                         set_icell_bbxxxx_supersub(pbb_i, ci, shx, shy, shz,
4500                                                   nbl->work->pbb_ci);
4501 #else
4502                         set_icell_bb_supersub(bb_i, ci, shx, shy, shz,
4503                                               nbl->work->bb_ci);
4504 #endif
4505                     }
4506
4507                     nbs->icell_set_x(cell0_i+ci, shx, shy, shz,
4508                                      gridi->na_c, nbat->xstride, nbat->x,
4509                                      nbl->work);
4510
4511                     for (cx = cxf; cx <= cxl; cx++)
4512                     {
4513                         d2zx = d2z;
4514                         if (gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx > bx1)
4515                         {
4516                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx - bx1);
4517                         }
4518                         else if (gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx < bx0)
4519                         {
4520                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx - bx0);
4521                         }
4522
4523 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4524                         if (gridi == gridj &&
4525                             cx == 0 && cyf < ci_y)
4526 #else
4527                         if (gridi == gridj &&
4528                             cx == 0 && shift == CENTRAL && cyf < ci_y)
4529 #endif
4530                         {
4531                             /* Leave the pairs with i > j.
4532                              * Skip half of y when i and j have the same x.
4533                              */
4534                             cyf_x = ci_y;
4535                         }
4536                         else
4537                         {
4538                             cyf_x = cyf;
4539                         }
4540
4541                         for (cy = cyf_x; cy <= cyl; cy++)
4542                         {
4543                             c0 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy];
4544                             c1 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy+1];
4545 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4546                             if (gridi == gridj &&
4547                                 shift == CENTRAL && c0 < ci)
4548                             {
4549                                 c0 = ci;
4550                             }
4551 #endif
4552
4553                             d2zxy = d2zx;
4554                             if (gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy > by1)
4555                             {
4556                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy - by1);
4557                             }
4558                             else if (gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy < by0)
4559                             {
4560                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy - by0);
4561                             }
4562                             if (c1 > c0 && d2zxy < rl2)
4563                             {
4564                                 cs = c0 + (int)(bz1_frac*(c1 - c0));
4565                                 if (cs >= c1)
4566                                 {
4567                                     cs = c1 - 1;
4568                                 }
4569
4570                                 d2xy = d2zxy - d2z;
4571
4572                                 /* Find the lowest cell that can possibly
4573                                  * be within range.
4574                                  */
4575                                 cf = cs;
4576                                 while (cf > c0 &&
4577                                        (bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] >= bz0 ||
4578                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] - bz0) < rl2))
4579                                 {
4580                                     cf--;
4581                                 }
4582
4583                                 /* Find the highest cell that can possibly
4584                                  * be within range.
4585                                  */
4586                                 cl = cs;
4587                                 while (cl < c1-1 &&
4588                                        (bbcz_j[cl*NNBSBB_D] <= bz1 ||
4589                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cl*NNBSBB_D] - bz1) < rl2))
4590                                 {
4591                                     cl++;
4592                                 }
4593
4594 #ifdef NBNXN_REFCODE
4595                                 {
4596                                     /* Simple reference code, for debugging,
4597                                      * overrides the more complex code above.
4598                                      */
4599                                     int k;
4600                                     cf = c1;
4601                                     cl = -1;
4602                                     for (k = c0; k < c1; k++)
4603                                     {
4604                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
4605                                             k < cf)
4606                                         {
4607                                             cf = k;
4608                                         }
4609                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
4610                                             k > cl)
4611                                         {
4612                                             cl = k;
4613                                         }
4614                                     }
4615                                 }
4616 #endif
4617
4618                                 if (gridi == gridj)
4619                                 {
4620                                     /* We want each atom/cell pair only once,
4621                                      * only use cj >= ci.
4622                                      */
4623 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
4624                                     cf = max(cf, ci);
4625 #else
4626                                     if (shift == CENTRAL)
4627                                     {
4628                                         cf = max(cf, ci);
4629                                     }
4630 #endif
4631                                 }
4632
4633                                 if (cf <= cl)
4634                                 {
4635                                     /* For f buffer flags with simple lists */
4636                                     ncj_old_j = nbl->ncj;
4637
4638                                     switch (nb_kernel_type)
4639                                     {
4640                                         case nbnxnk4x4_PlainC:
4641                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, cl-cf+1);
4642
4643                                             make_cluster_list_simple(gridj,
4644                                                                      nbl, ci, cf, cl,
4645                                                                      (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4646                                                                      nbat->x,
4647                                                                      rl2, rbb2,
4648                                                                      &ndistc);
4649                                             break;
4650 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
4651                                         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
4652                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
4653                                             make_cluster_list_simd_4xn(gridj,
4654                                                                        nbl, ci, cf, cl,
4655                                                                        (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4656                                                                        nbat->x,
4657                                                                        rl2, rbb2,
4658                                                                        &ndistc);
4659                                             break;
4660 #endif
4661 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
4662                                         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
4663                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
4664                                             make_cluster_list_simd_2xnn(gridj,
4665                                                                         nbl, ci, cf, cl,
4666                                                                         (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
4667                                                                         nbat->x,
4668                                                                         rl2, rbb2,
4669                                                                         &ndistc);
4670                                             break;
4671 #endif
4672                                         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
4673                                         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
4674                                             check_subcell_list_space_supersub(nbl, cl-cf+1);
4675                                             for (cj = cf; cj <= cl; cj++)
4676                                             {
4677                                                 make_cluster_list_supersub(nbs, gridi, gridj,
4678                                                                            nbl, ci, cj,
4679                                                                            (gridi == gridj && shift == CENTRAL && ci == cj),
4680                                                                            nbat->xstride, nbat->x,
4681                                                                            rl2, rbb2,
4682                                                                            &ndistc);
4683                                             }
4684                                             break;
4685                                     }
4686                                     ncpcheck += cl - cf + 1;
4687
4688                                     if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_j)
4689                                     {
4690                                         int cbf, cbl, cb;
4691
4692                                         cbf = nbl->cj[ncj_old_j].cj >> gridj_flag_shift;
4693                                         cbl = nbl->cj[nbl->ncj-1].cj >> gridj_flag_shift;
4694                                         for (cb = cbf; cb <= cbl; cb++)
4695                                         {
4696                                             gridj_flag[cb] = 1U<<th;
4697                                         }
4698                                     }
4699                                 }
4700                             }
4701                         }
4702                     }
4703
4704                     /* Set the exclusions for this ci list */
4705                     if (nbl->bSimple)
4706                     {
4707                         set_ci_top_excls(nbs,
4708                                          nbl,
4709                                          shift == CENTRAL && gridi == gridj,
4710                                          gridj->na_c_2log,
4711                                          na_cj_2log,
4712                                          &(nbl->ci[nbl->nci]),
4713                                          excl);
4714                     }
4715                     else
4716                     {
4717                         set_sci_top_excls(nbs,
4718                                           nbl,
4719                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
4720                                           gridj->na_c_2log,
4721                                           &(nbl->sci[nbl->nsci]),
4722                                           excl);
4723                     }
4724
4725                     /* Close this ci list */
4726                     if (nbl->bSimple)
4727                     {
4728                         close_ci_entry_simple(nbl);
4729                     }
4730                     else
4731                     {
4732                         close_ci_entry_supersub(nbl,
4733                                                 nsubpair_max,
4734                                                 progBal, min_ci_balanced,
4735                                                 th, nth);
4736                     }
4737                 }
4738             }
4739         }
4740
4741         if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_i)
4742         {
4743             work->buffer_flags.flag[(gridi->cell0+ci)>>gridi_flag_shift] = 1U<<th;
4744         }
4745     }
4746
4747     work->ndistc = ndistc;
4748
4749     nbs_cycle_stop(&work->cc[enbsCCsearch]);
4750
4751     if (debug)
4752     {
4753         fprintf(debug, "number of distance checks %d\n", ndistc);
4754         fprintf(debug, "ncpcheck %s %d\n", gridi == gridj ? "local" : "non-local",
4755                 ncpcheck);
4756
4757         if (nbl->bSimple)
4758         {
4759             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl, nbs, rlist);
4760         }
4761         else
4762         {
4763             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl, nbs, rlist);
4764         }
4765
4766     }
4767 }
4768
4769 static void reduce_buffer_flags(const nbnxn_search_t        nbs,
4770                                 int                         nsrc,
4771                                 const nbnxn_buffer_flags_t *dest)
4772 {
4773     int s, b;
4774     const unsigned *flag;
4775
4776     for (s = 0; s < nsrc; s++)
4777     {
4778         flag = nbs->work[s].buffer_flags.flag;
4779
4780         for (b = 0; b < dest->nflag; b++)
4781         {
4782             dest->flag[b] |= flag[b];
4783         }
4784     }
4785 }
4786
4787 static void print_reduction_cost(const nbnxn_buffer_flags_t *flags, int nout)
4788 {
4789     int nelem, nkeep, ncopy, nred, b, c, out;
4790
4791     nelem = 0;
4792     nkeep = 0;
4793     ncopy = 0;
4794     nred  = 0;
4795     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
4796     {
4797         if (flags->flag[b] == 1)
4798         {
4799             /* Only flag 0 is set, no copy of reduction required */
4800             nelem++;
4801             nkeep++;
4802         }
4803         else if (flags->flag[b] > 0)
4804         {
4805             c = 0;
4806             for (out = 0; out < nout; out++)
4807             {
4808                 if (flags->flag[b] & (1U<<out))
4809                 {
4810                     c++;
4811                 }
4812             }
4813             nelem += c;
4814             if (c == 1)
4815             {
4816                 ncopy++;
4817             }
4818             else
4819             {
4820                 nred += c;
4821             }
4822         }
4823     }
4824
4825     fprintf(debug, "nbnxn reduction: #flag %d #list %d elem %4.2f, keep %4.2f copy %4.2f red %4.2f\n",
4826             flags->nflag, nout,
4827             nelem/(double)(flags->nflag),
4828             nkeep/(double)(flags->nflag),
4829             ncopy/(double)(flags->nflag),
4830             nred/(double)(flags->nflag));
4831 }
4832
4833 /* Perform a count (linear) sort to sort the smaller lists to the end.
4834  * This avoids load imbalance on the GPU, as large lists will be
4835  * scheduled and executed first and the smaller lists later.
4836  * Load balancing between multi-processors only happens at the end
4837  * and there smaller lists lead to more effective load balancing.
4838  * The sorting is done on the cj4 count, not on the actual pair counts.
4839  * Not only does this make the sort faster, but it also results in
4840  * better load balancing than using a list sorted on exact load.
4841  * This function swaps the pointer in the pair list to avoid a copy operation.
4842  */
4843 static void sort_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4844 {
4845     nbnxn_list_work_t *work;
4846     int                m, i, s, s0, s1;
4847     nbnxn_sci_t       *sci_sort;
4848
4849     if (nbl->ncj4 <= nbl->nsci)
4850     {
4851         /* nsci = 0 or all sci have size 1, sorting won't change the order */
4852         return;
4853     }
4854
4855     work = nbl->work;
4856
4857     /* We will distinguish differences up to double the average */
4858     m = (2*nbl->ncj4)/nbl->nsci;
4859
4860     if (m + 1 > work->sort_nalloc)
4861     {
4862         work->sort_nalloc = over_alloc_large(m + 1);
4863         srenew(work->sort, work->sort_nalloc);
4864     }
4865
4866     if (work->sci_sort_nalloc != nbl->sci_nalloc)
4867     {
4868         work->sci_sort_nalloc = nbl->sci_nalloc;
4869         nbnxn_realloc_void((void **)&work->sci_sort,
4870                            0,
4871                            work->sci_sort_nalloc*sizeof(*work->sci_sort),
4872                            nbl->alloc, nbl->free);
4873     }
4874
4875     /* Count the entries of each size */
4876     for (i = 0; i <= m; i++)
4877     {
4878         work->sort[i] = 0;
4879     }
4880     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
4881     {
4882         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
4883         work->sort[i]++;
4884     }
4885     /* Calculate the offset for each count */
4886     s0            = work->sort[m];
4887     work->sort[m] = 0;
4888     for (i = m - 1; i >= 0; i--)
4889     {
4890         s1            = work->sort[i];
4891         work->sort[i] = work->sort[i + 1] + s0;
4892         s0            = s1;
4893     }
4894
4895     /* Sort entries directly into place */
4896     sci_sort = work->sci_sort;
4897     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
4898     {
4899         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
4900         sci_sort[work->sort[i]++] = nbl->sci[s];
4901     }
4902
4903     /* Swap the sci pointers so we use the new, sorted list */
4904     work->sci_sort = nbl->sci;
4905     nbl->sci       = sci_sort;
4906 }
4907
4908 /* Make a local or non-local pair-list, depending on iloc */
4909 void nbnxn_make_pairlist(const nbnxn_search_t  nbs,
4910                          nbnxn_atomdata_t     *nbat,
4911                          const t_blocka       *excl,
4912                          real                  rlist,
4913                          int                   min_ci_balanced,
4914                          nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
4915                          int                   iloc,
4916                          int                   nb_kernel_type,
4917                          t_nrnb               *nrnb)
4918 {
4919     nbnxn_grid_t *gridi, *gridj;
4920     gmx_bool bGPUCPU;
4921     int nzi, zi, zj0, zj1, zj;
4922     int nsubpair_max;
4923     int th;
4924     int nnbl;
4925     nbnxn_pairlist_t **nbl;
4926     int ci_block;
4927     gmx_bool CombineNBLists;
4928     gmx_bool progBal;
4929     int np_tot, np_noq, np_hlj, nap;
4930
4931     /* Check if we are running hybrid GPU + CPU nbnxn mode */
4932     bGPUCPU = (!nbs->grid[0].bSimple && nbl_list->bSimple);
4933
4934     nnbl            = nbl_list->nnbl;
4935     nbl             = nbl_list->nbl;
4936     CombineNBLists  = nbl_list->bCombined;
4937
4938     if (debug)
4939     {
4940         fprintf(debug, "ns making %d nblists\n", nnbl);
4941     }
4942
4943     nbat->bUseBufferFlags = (nbat->nout > 1);
4944     /* We should re-init the flags before making the first list */
4945     if (nbat->bUseBufferFlags && (LOCAL_I(iloc) || bGPUCPU))
4946     {
4947         init_buffer_flags(&nbat->buffer_flags, nbat->natoms);
4948     }
4949
4950     if (nbl_list->bSimple)
4951     {
4952         switch (nb_kernel_type)
4953         {
4954 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
4955             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
4956                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_4xn;
4957                 break;
4958 #endif
4959 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
4960             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
4961                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_2xnn;
4962                 break;
4963 #endif
4964             default:
4965                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
4966                 break;
4967         }
4968     }
4969     else
4970     {
4971 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
4972         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub_simd4;
4973 #else
4974         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub;
4975 #endif
4976     }
4977
4978     if (LOCAL_I(iloc))
4979     {
4980         /* Only zone (grid) 0 vs 0 */
4981         nzi = 1;
4982         zj0 = 0;
4983         zj1 = 1;
4984     }
4985     else
4986     {
4987         nzi = nbs->zones->nizone;
4988     }
4989
4990     if (!nbl_list->bSimple && min_ci_balanced > 0)
4991     {
4992         nsubpair_max = get_nsubpair_max(nbs, iloc, rlist, min_ci_balanced);
4993     }
4994     else
4995     {
4996         nsubpair_max = 0;
4997     }
4998
4999     /* Clear all pair-lists */
5000     for (th = 0; th < nnbl; th++)
5001     {
5002         clear_pairlist(nbl[th]);
5003     }
5004
5005     for (zi = 0; zi < nzi; zi++)
5006     {
5007         gridi = &nbs->grid[zi];
5008
5009         if (NONLOCAL_I(iloc))
5010         {
5011             zj0 = nbs->zones->izone[zi].j0;
5012             zj1 = nbs->zones->izone[zi].j1;
5013             if (zi == 0)
5014             {
5015                 zj0++;
5016             }
5017         }
5018         for (zj = zj0; zj < zj1; zj++)
5019         {
5020             gridj = &nbs->grid[zj];
5021
5022             if (debug)
5023             {
5024                 fprintf(debug, "ns search grid %d vs %d\n", zi, zj);
5025             }
5026
5027             nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5028
5029             if (nbl[0]->bSimple && !gridi->bSimple)
5030             {
5031                 /* Hybrid list, determine blocking later */
5032                 ci_block = 0;
5033             }
5034             else
5035             {
5036                 ci_block = get_ci_block_size(gridi, nbs->DomDec, nnbl);
5037             }
5038
5039 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5040             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5041             {
5042                 /* Re-init the thread-local work flag data before making
5043                  * the first list (not an elegant conditional).
5044                  */
5045                 if (nbat->bUseBufferFlags && ((zi == 0 && zj == 0) ||
5046                                               (bGPUCPU && zi == 0 && zj == 1)))
5047                 {
5048                     init_buffer_flags(&nbs->work[th].buffer_flags, nbat->natoms);
5049                 }
5050
5051                 if (CombineNBLists && th > 0)
5052                 {
5053                     clear_pairlist(nbl[th]);
5054                 }
5055
5056                 /* With GPU: generate progressively smaller lists for
5057                  * load balancing for local only or non-local with 2 zones.
5058                  */
5059                 progBal = (LOCAL_I(iloc) || nbs->zones->n <= 2);
5060
5061                 /* Divide the i super cell equally over the nblists */
5062                 nbnxn_make_pairlist_part(nbs, gridi, gridj,
5063                                          &nbs->work[th], nbat, excl,
5064                                          rlist,
5065                                          nb_kernel_type,
5066                                          ci_block,
5067                                          nbat->bUseBufferFlags,
5068                                          nsubpair_max,
5069                                          progBal, min_ci_balanced,
5070                                          th, nnbl,
5071                                          nbl[th]);
5072             }
5073             nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5074
5075             np_tot = 0;
5076             np_noq = 0;
5077             np_hlj = 0;
5078             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5079             {
5080                 inc_nrnb(nrnb, eNR_NBNXN_DIST2, nbs->work[th].ndistc);
5081
5082                 if (nbl_list->bSimple)
5083                 {
5084                     np_tot += nbl[th]->ncj;
5085                     np_noq += nbl[th]->work->ncj_noq;
5086                     np_hlj += nbl[th]->work->ncj_hlj;
5087                 }
5088                 else
5089                 {
5090                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
5091                     np_tot += nbl[th]->nci_tot;
5092                 }
5093             }
5094             nap                   = nbl[0]->na_ci*nbl[0]->na_cj;
5095             nbl_list->natpair_ljq = (np_tot - np_noq)*nap - np_hlj*nap/2;
5096             nbl_list->natpair_lj  = np_noq*nap;
5097             nbl_list->natpair_q   = np_hlj*nap/2;
5098
5099             if (CombineNBLists && nnbl > 1)
5100             {
5101                 nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5102
5103                 combine_nblists(nnbl-1, nbl+1, nbl[0]);
5104
5105                 nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5106             }
5107         }
5108     }
5109
5110     if (!nbl_list->bSimple)
5111     {
5112         /* Sort the entries on size, large ones first */
5113         if (CombineNBLists || nnbl == 1)
5114         {
5115             sort_sci(nbl[0]);
5116         }
5117         else
5118         {
5119 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5120             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5121             {
5122                 sort_sci(nbl[th]);
5123             }
5124         }
5125     }
5126
5127     if (nbat->bUseBufferFlags)
5128     {
5129         reduce_buffer_flags(nbs, nnbl, &nbat->buffer_flags);
5130     }
5131
5132     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
5133     if (LOCAL_I(iloc))
5134     {
5135         nbs->search_count++;
5136     }
5137     if (nbs->print_cycles &&
5138         (!nbs->DomDec || (nbs->DomDec && !LOCAL_I(iloc))) &&
5139         nbs->search_count % 100 == 0)
5140     {
5141         nbs_cycle_print(stderr, nbs);
5142     }
5143
5144     if (debug && (CombineNBLists && nnbl > 1))
5145     {
5146         if (nbl[0]->bSimple)
5147         {
5148             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5149         }
5150         else
5151         {
5152             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5153         }
5154     }
5155
5156     if (debug)
5157     {
5158         if (gmx_debug_at)
5159         {
5160             if (nbl[0]->bSimple)
5161             {
5162                 print_nblist_ci_cj(debug, nbl[0]);
5163             }
5164             else
5165             {
5166                 print_nblist_sci_cj(debug, nbl[0]);
5167             }
5168         }
5169
5170         if (nbat->bUseBufferFlags)
5171         {
5172             print_reduction_cost(&nbat->buffer_flags, nnbl);
5173         }
5174     }
5175 }