Implement user guide
[alexxy/gromacs.git] / docs / manual / algorithms.tex
1 %
2 % This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3 %
4 % Copyright (c) 2013,2014,2015, by the GROMACS development team, led by
5 % Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
6 % and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
7 % top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
8 %
9 % GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
10 % modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
11 % as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
12 % of the License, or (at your option) any later version.
13 %
14 % GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
15 % but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
16 % MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
17 % Lesser General Public License for more details.
18 %
19 % You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
20 % License along with GROMACS; if not, see
21 % http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
22 % Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
23 %
24 % If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
25 % consider that scientific software is very special. Version
26 % control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
27 % consider code for inclusion in the official distribution, but
28 % derived work must not be called official GROMACS. Details are found
29 % in the README & COPYING files - if they are missing, get the
30 % official version at http://www.gromacs.org.
31 %
32 % To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
33 % the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
34
35 \newcommand{\nproc}{\mbox{$M$}}
36 \newcommand{\natom}{\mbox{$N$}}
37 \newcommand{\nx}{\mbox{$n_x$}}
38 \newcommand{\ny}{\mbox{$n_y$}}
39 \newcommand{\nz}{\mbox{$n_z$}}
40 \newcommand{\nsgrid}{NS grid}
41 \newcommand{\fftgrid}{FFT grid}
42 \newcommand{\dgrid}{\mbox{$\delta_{grid}$}}
43 \newcommand{\bfv}[1]{{\mbox{\boldmath{$#1$}}}}
44 % non-italicized boldface for math (e.g. matrices)                              
45 \newcommand{\bfm}[1]{{\bf #1}}
46 \newcommand{\dt}{\Delta t}
47 \newcommand{\rv}{\bfv{r}}
48 \newcommand{\vv}{\bfv{v}}
49 \newcommand{\F}{\bfv{F}}
50 \newcommand{\pb}{\bfv{p}}
51 \newcommand{\veps}{v_{\epsilon}}
52 \newcommand{\peps}{p_{\epsilon}}
53 \newcommand{\sinhx}[1]{\frac{\sinh{\left( #1\right)}}{#1}}
54 \chapter{Algorithms}
55 \label{ch:algorithms}
56 \section{Introduction}
57 In this chapter we first give describe some general concepts used in
58 {\gromacs}:  {\em periodic boundary conditions} (\secref{pbc})
59 and the {\em group concept} (\secref{groupconcept}). The MD algorithm is
60 described in \secref{MD}: first a global form of the algorithm is
61 given, which is refined in subsequent subsections. The (simple) EM
62 (Energy Minimization) algorithm is described in \secref{EM}. Some
63 other algorithms for special purpose dynamics are described after
64 this.  
65
66 %\ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
67 %In the final \secref{par} of this chapter a few principles are
68 %given on which parallelization of {\gromacs} is based. The
69 %parallelization is hardly visible for the user and is therefore not
70 %treated in detail.
71 %} % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
72
73 A few issues are of general interest. In all cases the {\em system}
74 must be defined, consisting of molecules. Molecules again consist of
75 particles  with defined interaction functions. The detailed
76 description of the {\em topology} of the molecules and of the {\em force
77 field} and the calculation of forces is given in
78 \chref{ff}. In the present chapter we describe
79 other aspects of the algorithm, such as pair list generation, update of
80 velocities  and positions, coupling to external temperature and
81 pressure,  conservation of constraints. 
82 \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
83 The {\em analysis} of the data generated by an MD simulation is treated in \chref{analysis}.
84 } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
85
86 \section{Periodic boundary conditions\index{periodic boundary conditions}}
87 \label{sec:pbc}
88 \begin{figure}
89 \centerline{\includegraphics[width=9cm]{plots/pbctric}}
90 \caption {Periodic boundary conditions in two dimensions.}
91 \label{fig:pbc}
92 \end{figure}
93 The classical way to minimize edge effects in a finite system is to
94 apply {\em periodic boundary conditions}. The atoms of the system to
95 be simulated are put into a space-filling box, which is surrounded by
96 translated copies of itself (\figref{pbc}).  Thus there are no
97 boundaries of the system; the artifact caused by unwanted boundaries
98 in an isolated cluster is now replaced by the artifact of periodic
99 conditions. If the system is crystalline, such boundary conditions are
100 desired (although motions are naturally restricted to periodic motions
101 with wavelengths fitting into the box). If one wishes to simulate
102 non-periodic systems, such as liquids or solutions, the periodicity by
103 itself causes errors. The errors can be evaluated by comparing various
104 system sizes; they are expected to be less severe than the errors
105 resulting from an unnatural boundary with vacuum.
106
107 There are several possible shapes for space-filling unit cells. Some,
108 like the {\em \normindex{rhombic dodecahedron}} and the
109 {\em \normindex{truncated octahedron}}~\cite{Adams79} are closer to being a sphere
110 than a cube is, and are therefore better suited to the 
111 study of an approximately spherical macromolecule in solution, since
112 fewer solvent molecules are required to fill the box given a minimum
113 distance between macromolecular images. At the same time, rhombic 
114 dodecahedra and truncated octahedra are special cases of {\em triclinic} 
115 unit cells\index{triclinic unit cell}; the most general space-filling unit cells
116 that comprise all possible space-filling shapes~\cite{Bekker95}.
117 For this reason, {\gromacs} is based on the triclinic unit cell.
118   
119 {\gromacs} uses periodic boundary conditions, combined with the {\em
120 \normindex{minimum image convention}}: only one -- the nearest -- image of each
121 particle is considered for short-range non-bonded interaction terms.
122 For long-range electrostatic interactions this is not always accurate
123 enough, and {\gromacs} therefore also incorporates lattice sum methods
124 such as Ewald Sum, PME and PPPM.
125
126 {\gromacs} supports triclinic boxes of any shape.
127 The simulation box (unit cell) is defined by the 3 box vectors 
128 ${\bf a}$,${\bf b}$ and ${\bf c}$.
129 The box vectors must satisfy the following conditions:
130 \beq
131 \label{eqn:box_rot}
132 a_y = a_z = b_z = 0
133 \eeq
134 \beq
135 \label{eqn:box_shift1}
136 a_x>0,~~~~b_y>0,~~~~c_z>0
137 \eeq
138 \beq
139 \label{eqn:box_shift2}
140 |b_x| \leq \frac{1}{2} \, a_x,~~~~
141 |c_x| \leq \frac{1}{2} \, a_x,~~~~
142 |c_y| \leq \frac{1}{2} \, b_y
143 \eeq
144 Equations \ref{eqn:box_rot} can always be satisfied by rotating the box.
145 Inequalities (\ref{eqn:box_shift1}) and (\ref{eqn:box_shift2}) can always be
146 satisfied by adding and subtracting box vectors.
147
148 Even when simulating using a triclinic box, {\gromacs} always keeps the
149 particles in a brick-shaped volume for efficiency,
150 as illustrated in \figref{pbc} for a 2-dimensional system.
151 Therefore, from the output trajectory it might seem that the simulation was
152 done in a rectangular box. The program {\tt trjconv} can be used to convert 
153 the trajectory to a different unit-cell representation.
154
155 It is also possible to simulate without periodic boundary conditions,
156 but it is usually more efficient to simulate an isolated cluster of molecules
157 in a large periodic box, since fast grid searching can only be used 
158 in a periodic system.
159
160 \begin{figure}
161 \centerline{
162 \includegraphics[width=5cm]{plots/rhododec}
163 ~~~~\includegraphics[width=5cm]{plots/truncoct}
164 }
165 \caption {A rhombic dodecahedron and truncated octahedron
166 (arbitrary orientations).}
167 \label{fig:boxshapes}
168 \end{figure}
169
170 \subsection{Some useful box types}
171 \begin{table}
172 \centerline{
173 \begin{tabular}{|c|c|c|ccc|ccc|}
174 \dline
175 box type & image & box & \multicolumn{3}{c|}{box vectors} & \multicolumn{3}{c|}{box vector angles} \\
176  & distance & volume & ~{\bf a}~ & {\bf b} & {\bf c} &
177    $\angle{\bf bc}$ & $\angle{\bf ac}$ & $\angle{\bf ab}$ \\
178 \dline
179              &     &       & $d$ & 0              & 0              & & & \\
180 cubic        & $d$ & $d^3$ & 0   & $d$            & 0              & $90^\circ$ & $90^\circ$ & $90^\circ$ \\
181              &     &       & 0   & 0              & $d$            & & & \\
182 \hline
183 rhombic      &     &       & $d$ & 0              & $\frac{1}{2}\,d$ & & & \\
184 dodecahedron & $d$ & $\frac{1}{2}\sqrt{2}\,d^3$ & 0   & $d$            & $\frac{1}{2}\,d$ & $60^\circ$ & $60^\circ$ & $90^\circ$ \\
185 (xy-square)  &     & $0.707\,d^3$ & 0   & 0              & $\frac{1}{2}\sqrt{2}\,d$ & & & \\
186 \hline
187 rhombic      &     &       & $d$ & $\frac{1}{2}\,d$ & $\frac{1}{2}\,d$ & & & \\
188 dodecahedron & $d$ & $\frac{1}{2}\sqrt{2}\,d^3$ & 0 & $\frac{1}{2}\sqrt{3}\,d$ & $\frac{1}{6}\sqrt{3}\,d$ & $60^\circ$ & $60^\circ$ & $60^\circ$ \\
189 (xy-hexagon) &     & $0.707\,d^3$ & 0   & 0              & $\frac{1}{3}\sqrt{6}\,d$ & & & \\
190 \hline
191 truncated    &     &       & $d$ & $\frac{1}{3}\,d$ & $-\frac{1}{3}\,d$ & & &\\
192 octahedron   & $d$ & $\frac{4}{9}\sqrt{3}\,d^3$ & 0   & $\frac{2}{3}\sqrt{2}\,d$ & $\frac{1}{3}\sqrt{2}\,d$ & $71.53^\circ$ & $109.47^\circ$ & $71.53^\circ$ \\
193              &     & $0.770\,d^3$ & 0   & 0              & $\frac{1}{3}\sqrt{6}\,d$ & & & \\
194 \dline
195 \end{tabular}
196 }
197 \caption{The cubic box, the rhombic \normindex{dodecahedron} and the truncated
198 \normindex{octahedron}.}
199 \label{tab:boxtypes}
200 \end{table}
201 The three most useful box types for simulations of solvated systems
202 are described in \tabref{boxtypes}.  The rhombic dodecahedron
203 (\figref{boxshapes}) is the smallest and most regular space-filling
204 unit cell. Each of the 12 image cells is at the same distance.  The
205 volume is 71\% of the volume of a cube having the same image
206 distance. This saves about 29\% of CPU-time when simulating a
207 spherical or flexible molecule in solvent. There are two different
208 orientations of a rhombic dodecahedron that satisfy equations
209 \ref{eqn:box_rot}, \ref{eqn:box_shift1} and \ref{eqn:box_shift2}.
210 The program {\tt editconf} produces the orientation
211 which has a square intersection with the xy-plane.  This orientation
212 was chosen because the first two box vectors coincide with the x and
213 y-axis, which is easier to comprehend. The other orientation can be
214 useful for simulations of membrane proteins. In this case the
215 cross-section with the xy-plane is a hexagon, which has an area which
216 is 14\% smaller than the area of a square with the same image
217 distance.  The height of the box ($c_z$) should be changed to obtain
218 an optimal spacing.  This box shape not only saves CPU time, it
219 also results in a more uniform arrangement of the proteins.
220
221 \subsection{Cut-off restrictions}
222 The \normindex{minimum image convention} implies that the cut-off radius used to
223 truncate non-bonded interactions may not exceed half the shortest box
224 vector:
225 \beq
226 \label{eqn:physicalrc}
227   R_c < \half \min(\|{\bf a}\|,\|{\bf b}\|,\|{\bf c}\|),
228 \eeq
229 because otherwise more than one image would be within the cut-off distance 
230 of the force. When a macromolecule, such as a protein, is studied in
231 solution, this restriction alone is not sufficient: in principle, a single
232 solvent molecule should not be able
233 to `see' both sides of the macromolecule. This means that the length of
234 each box vector must exceed the length of the macromolecule in the
235 direction of that edge {\em plus} two times the cut-off radius $R_c$.
236 It is, however, common to compromise in this respect, and make the solvent 
237 layer somewhat smaller in order to reduce the computational cost.
238 For efficiency reasons the cut-off with triclinic boxes is more restricted.
239 For grid search the extra restriction is weak:
240 \beq
241 \label{eqn:gridrc}
242 R_c < \min(a_x,b_y,c_z)
243 \eeq
244 For simple search the extra restriction is stronger:
245 \beq
246 \label{eqn:simplerc}
247 R_c < \half \min(a_x,b_y,c_z)
248 \eeq
249
250 Each unit cell (cubic, rectangular or triclinic)
251 is surrounded by 26 translated images. A
252 particular image can therefore always be identified by an index pointing to one
253 of 27 {\em translation vectors} and constructed by applying a
254 translation with the indexed vector (see \ssecref{forces}).
255 Restriction (\ref{eqn:gridrc}) ensures that only 26 images need to be
256 considered.
257
258 %\ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
259 \section{The group concept}
260 \label{sec:groupconcept}\index{group}
261 The {\gromacs} MD and analysis programs use user-defined {\em groups} of
262 atoms to perform certain actions on. The maximum number of groups is
263 256, but each atom can only belong to six different groups, one 
264 each of the following:
265 \begin{description}
266 \item[\swapindex{temperature-coupling}{group}]
267 The \normindex{temperature coupling} parameters (reference
268 temperature, time constant, number of degrees of freedom, see
269 \ssecref{update}) can be defined for each T-coupling group
270 separately. For example, in a solvated macromolecule the solvent (that
271 tends to generate more heating by force and integration errors) can be
272 coupled with a shorter time constant to a bath than is a macromolecule,
273 or a surface can be kept cooler than an adsorbing molecule. Many
274 different T-coupling groups may be defined. See also center of mass
275 groups below.
276
277 \item[\swapindex{freeze}{group}\index{frozen atoms}]
278 Atoms that belong to a freeze group are kept stationary in the
279 dynamics. This is useful during equilibration, {\eg} to avoid badly
280 placed solvent molecules giving unreasonable kicks to protein atoms,
281 although the same effect can also be obtained by putting a restraining
282 potential on the atoms that must be protected. The freeze option can
283 be used, if desired, on just one or two coordinates of an atom,
284 thereby freezing the atoms in a plane or on a line.  When an atom is
285 partially frozen, constraints will still be able to move it, even in a
286 frozen direction. A fully frozen atom can not be moved by constraints.
287 Many freeze groups can be defined.  Frozen coordinates are unaffected
288 by pressure scaling; in some cases this can produce unwanted results,
289 particularly when constraints are also used (in this case you will
290 get very large pressures). Accordingly, it is recommended to avoid
291 combining freeze groups with constraints and pressure coupling. For the
292 sake of equilibration it could suffice to start with freezing in a
293 constant volume simulation, and afterward use position restraints in
294 conjunction with constant pressure.
295
296 \item[\swapindex{accelerate}{group}]
297 On each atom in an ``accelerate group'' an acceleration
298 $\ve{a}^g$ is imposed. This is equivalent to an external
299 force. This feature makes it possible to drive the system into a
300 non-equilibrium state and enables the performance of 
301 \swapindex{non-equilibrium}{MD} and hence to obtain transport properties.
302
303 \item[\swapindex{energy-monitor}{group}]
304 Mutual interactions between all energy-monitor groups are compiled
305 during the simulation. This is done separately for Lennard-Jones and
306 Coulomb terms.  In principle up to 256 groups could be defined, but
307 that would lead to 256$\times$256 items! Better use this concept
308 sparingly.
309
310 All non-bonded interactions between pairs of energy-monitor groups can
311 be excluded\index{exclusions}
312 \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}
313 {.}
314 {(see details in the User Guide).}
315 Pairs of particles from excluded pairs of energy-monitor groups
316 are not put into the pair list.
317 This can result in a significant speedup
318 for simulations where interactions within or between parts of the system
319 are not required.
320
321 \item[\swapindex{center of mass}{group}\index{removing COM motion}]
322 In \gromacs\ the center of mass (COM) motion can be removed, for
323 either the complete system or for groups of atoms. The latter is
324 useful, {\eg} for systems where there is limited friction ({\eg} gas
325 systems) to prevent center of mass motion to occur. It makes sense to
326 use the same groups for temperature coupling and center of mass motion
327 removal.
328
329 \item[\swapindex{Compressed position output}{group}]
330
331 In order to further reduce the size of the compressed trajectory file
332 ({\tt .xtc{\index{XTC}}} or {\tt .tng{\index{TNG}}}), it is possible
333 to store only a subset of all particles. All x-compression groups that
334 are specified are saved, the rest are not. If no such groups are
335 specified, than all atoms are saved to the compressed trajectory file.
336
337 \end{description}
338 The use of groups in {\gromacs} tools is described in
339 \secref{usinggroups}.
340 %} % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
341
342 \section{Molecular Dynamics}
343 \label{sec:MD}
344 \begin{figure}
345 \begin{center}
346 \addtolength{\fboxsep}{0.5cm}
347 \begin{shadowenv}[12cm]
348 {\large \bf THE GLOBAL MD ALGORITHM}
349 \rule{\textwidth}{2pt} \\
350 {\bf 1. Input initial conditions}\\[2ex]
351 Potential interaction $V$ as a function of atom positions\\
352 Positions $\ve{r}$ of all atoms in the system\\
353 Velocities $\ve{v}$ of all atoms in the system \\
354 $\Downarrow$\\
355 \rule{\textwidth}{1pt}\\
356 {\bf repeat 2,3,4} for the required number of steps:\\
357 \rule{\textwidth}{1pt}\\
358 {\bf 2. Compute forces} \\[1ex]
359 The force on any atom  \\[1ex]
360 $\ve{F}_i = - \displaystyle\frac{\partial V}{\partial \ve{r}_i}$ \\[1ex]
361 is computed by calculating the force between non-bonded atom pairs: \\
362 $\ve{F}_i = \sum_j \ve{F}_{ij}$ \\
363 plus the forces due to bonded interactions (which may depend on 1, 2,
364 3, or 4 atoms), plus restraining and/or external forces. \\
365 The potential and kinetic energies and the pressure tensor may be computed. \\
366 $\Downarrow$\\
367 {\bf 3. Update configuration} \\[1ex]
368 The movement of the atoms is simulated by numerically solving Newton's
369 equations of motion \\[1ex]
370 $\displaystyle
371 \frac {\de^2\ve{r}_i}{\de t^2} = \frac{\ve{F}_i}{m_i} $ \\
372 or \\
373 $\displaystyle
374 \frac{\de\ve{r}_i}{\de t} = \ve{v}_i ; \;\;
375 \frac{\de\ve{v}_i}{\de t} = \frac{\ve{F}_i}{m_i} $ \\[1ex]
376 $\Downarrow$ \\
377 {\bf 4.} if required: {\bf Output step} \\
378 write positions, velocities, energies, temperature, pressure, etc. \\
379 \end{shadowenv}
380 \caption{The global MD algorithm}
381 \label{fig:global}
382 \end{center}
383 \end{figure}
384 A global flow scheme for MD is given in \figref{global}. Each
385 MD or  EM run requires as input a set of initial coordinates and --
386 optionally -- initial velocities of all particles involved. This
387 chapter does not describe how these are obtained; for the setup of an
388 actual MD run check the online manual at {\wwwpage}.
389
390 \subsection{Initial conditions}
391 \subsubsection{Topology and force field}
392 The system topology, including a description of the force field, must
393 be read in.
394 \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}
395 {.}
396 {Force fields and topologies are described in \chref{ff}
397 and \ref{ch:top}, respectively.}
398 All this information is static; it is never modified during the run.
399
400 \subsubsection{Coordinates and velocities}
401 \begin{figure}
402 \centerline{\includegraphics[width=8cm]{plots/maxwell}}
403 \caption{A Maxwell-Boltzmann velocity distribution, generated from 
404     random numbers.}
405 \label{fig:maxwell}
406 \end{figure}
407
408 Then, before a run starts, the box size and the coordinates and
409 velocities of  all particles are required. The box size and shape is 
410 determined by three vectors (nine numbers) $\ve{b}_1, \ve{b}_2, \ve{b}_3$, 
411 which represent the three basis vectors of the periodic box.
412
413 If the run starts at $t=t_0$, the coordinates at $t=t_0$ must be
414 known. The {\em leap-frog algorithm}, the default algorithm used to 
415 update the time step with $\Dt$ (see \ssecref{update}), also requires 
416 that the velocities at $t=t_0 - \hDt$ are known. If velocities are not 
417 available, the program can generate initial atomic velocities 
418 $v_i, i=1\ldots 3N$ with a \index{Maxwell-Boltzmann distribution} 
419 (\figref{maxwell}) at a given absolute temperature $T$:
420 \beq 
421 p(v_i) = \sqrt{\frac{m_i}{2 \pi kT}}\exp\left(-\frac{m_i v_i^2}{2kT}\right)
422 \eeq
423 where $k$ is Boltzmann's constant (see \chref{defunits}).
424 To accomplish this, normally distributed random numbers are generated
425 by adding twelve random numbers $R_k$ in the range $0 \le R_k < 1$ and
426 subtracting 6.0 from their sum. The result is then multiplied by the
427 standard deviation of the velocity distribution $\sqrt{kT/m_i}$. Since
428 the resulting total energy will not correspond exactly to the required
429 temperature $T$, a correction is made: first the center-of-mass motion
430 is removed and then all velocities are scaled so that the total
431 energy corresponds exactly to $T$ (see \eqnref{E-T}). 
432 % Why so complicated? What's wrong with Box-Mueller transforms?
433
434 \subsubsection{Center-of-mass motion\index{removing COM motion}}
435 The \swapindex{center-of-mass}{velocity} is normally set to zero at
436 every step; there is (usually) no net external force acting on the
437 system and the center-of-mass velocity should remain constant. In
438 practice, however, the update algorithm introduces a very slow change in
439 the center-of-mass velocity, and therefore in the total kinetic energy of
440 the system -- especially when temperature coupling is used. If such
441 changes are not quenched, an appreciable center-of-mass motion
442 can develop in long runs, and the temperature will be
443 significantly misinterpreted. Something similar may happen due to overall
444 rotational motion, but only when an isolated cluster is simulated. In
445 periodic systems with filled boxes, the overall rotational motion is
446 coupled to other degrees of freedom and does not cause such problems.
447
448
449 \subsection{Neighbor searching\swapindexquiet{neighbor}{searching}}
450 \label{subsec:ns}
451 As mentioned in \chref{ff}, internal forces are
452 either generated from fixed (static) lists, or from dynamic lists.
453 The latter consist of non-bonded interactions between any pair of particles.
454 When calculating the non-bonded forces, it is convenient to have all
455 particles in a rectangular box.
456 As shown in \figref{pbc}, it is possible to transform a
457 triclinic box into a rectangular box.
458 The output coordinates are always in a rectangular box, even when a
459 dodecahedron or triclinic box was used for the simulation.
460 Equation \ref{eqn:box_rot} ensures that we can reset particles
461 in a rectangular box by first shifting them with
462 box vector ${\bf c}$, then with ${\bf b}$ and finally with ${\bf a}$.
463 Equations \ref{eqn:box_shift2}, \ref{eqn:physicalrc} and \ref{eqn:gridrc}
464 ensure that we can find the 14 nearest triclinic images within
465 a linear combination that does not involve multiples of box vectors.
466
467 \subsubsection{Pair lists generation}
468 The non-bonded pair forces need to be calculated only for those pairs
469 $i,j$  for which the distance $r_{ij}$ between $i$ and the 
470 \swapindex{nearest}{image} 
471 of $j$ is less than a given cut-off radius $R_c$. Some of the particle
472 pairs that fulfill this criterion are excluded, when their interaction
473 is already fully accounted for by bonded interactions.  {\gromacs}
474 employs a {\em pair list} that contains those particle pairs for which
475 non-bonded forces must be calculated.  The pair list contains atoms
476 $i$, a displacement vector for atom $i$, and all particles $j$ that
477 are within \verb'rlist' of this particular image of atom $i$.  The
478 list is updated every \verb'nstlist' steps, where \verb'nstlist' is
479 typically 10. There is an option to calculate the total non-bonded
480 force on each particle due to all particle in a shell around the
481 list cut-off, {\ie} at a distance between \verb'rlist' and
482 \verb'rlistlong'.  This force is calculated during the pair list update
483 and  retained during \verb'nstlist' steps.
484
485 To make the \normindex{neighbor list}, all particles that are close
486 ({\ie} within the neighbor list cut-off) to a given particle must be found.
487 This searching, usually called neighbor search (NS) or pair search,
488 involves periodic boundary conditions and determining the {\em image}
489 (see \secref{pbc}). The search algorithm is $O(N)$, although a simpler
490 $O(N^2)$ algorithm is still available under some conditions.
491
492 \subsubsection{\normindex{Cut-off schemes}: group versus Verlet}
493 From version 4.6, {\gromacs} supports two different cut-off scheme
494 setups: the original one based on atom groups and one using a Verlet
495 buffer. There are some important differences that affect results,
496 performance and feature support. The group scheme can be made to work
497 (almost) like the Verlet scheme, but this will lead to a decrease in
498 performance. The group scheme is especially fast for water molecules,
499 which are abundant in many simulations, but on the most recent x86
500 processors, this advantage is negated by the better instruction-level
501 parallelism available in the Verlet-scheme implementation. The group
502 scheme is deprecated in version 5.0, and will be removed in a future
503 version.
504
505 In the group scheme, a neighbor list is generated consisting of pairs
506 of groups of at least one atom. These groups were originally
507 \swapindex{charge}{group}s \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{(see
508   \secref{chargegroup})}, but with a proper treatment of long-range
509 electrostatics, performance is their only advantage. A pair of groups
510 is put into the neighbor list when their center of geometry is within
511 the cut-off distance. Interactions between all atom pairs (one from
512 each charge group) are calculated for a certain number of MD steps,
513 until the neighbor list is updated. This setup is efficient, as the
514 neighbor search only checks distance between charge group pair, not
515 atom pairs (saves a factor of $3 \times 3 = 9$ with a three-atom water
516 model) and the non-bonded force kernels can be optimized for, say, a
517 water molecule ``group''. Without explicit buffering, this setup leads
518 to energy drift as some atom pairs which are within the cut-off don't
519 interact and some outside the cut-off do interact. This can be caused
520 by
521 \begin{itemize}
522 \item atoms moving across the cut-off between neighbor search steps, and/or
523 \item for charge groups consisting of more than one atom, atom pairs
524   moving in/out of the cut-off when their charge group center of
525   geometry distance is outside/inside of the cut-off.
526 \end{itemize}
527 Explicitly adding a buffer to the neighbor list will remove such
528 artifacts, but this comes at a high computational cost. How severe the
529 artifacts are depends on the system, the properties in which you are
530 interested, and the cut-off setup.
531
532 The Verlet cut-off scheme uses a buffered pair list by default. It
533 also uses clusters of atoms, but these are not static as in the group
534 scheme. Rather, the clusters are defined spatially and consist of 4 or
535 8 atoms, which is convenient for stream computing, using e.g. SSE, AVX
536 or CUDA on GPUs. At neighbor search steps, a pair list is created
537 with a Verlet buffer, ie. the pair-list cut-off is larger than the
538 interaction cut-off. In the non-bonded force kernels, forces are only
539 added when an atom pair is within the cut-off distance at that
540 particular time step. This ensures that as atoms move between pair
541 search steps, forces between nearly all atoms within the cut-off
542 distance are calculated. We say {\em nearly} all atoms, because
543 {\gromacs} uses a fixed pair list update frequency for
544 efficiency. An atom-pair, whose distance was outside the cut-off,
545 could possibly move enough during this fixed number of
546 steps that its distance is now within the cut-off. This
547 small chance results in a small energy drift, and the size of the
548 chance depends on the temperature. When temperature
549 coupling is used, the buffer size can be determined automatically,
550 given a certain tolerance on the energy drift.
551
552 The {\tt mdp} file settings specific to the Verlet scheme are:
553 \begin{verbatim}
554 cutoff-scheme           = Verlet
555 verlet-buffer-tolerance = 0.005
556 \end{verbatim}
557 The Verlet buffer size is determined from the latter option, which is
558 by default set to 0.005 kJ/mol/ps pair energy error per atom. Note that
559 errors in pair energies cancel and the effect on the total energy drift
560 is usually at least an order of magnitude smaller than the tolerance.
561 Furthermore, the drift of the total energy is affected by many other
562 factors; often, the contribution from the constraint algorithm dominates.
563
564 For constant-energy (NVE) simulations, the buffer size will be
565 inferred from the temperature that corresponds to the velocities
566 (either those generated, if applicable, or those found in the input
567 configuration). Alternatively, the tolerance can be set to -1 and a
568 buffer set manually by specifying {\tt rlist} $>$ {\tt max(rcoulomb,
569   rvdw)}. The simplest way to get a reasonable buffer size is to use
570 an NVT {\tt mdp} file with the target temperature set to what you
571 expect in your NVE simulation, and transfer the buffer size printed by
572 {\tt grompp} to your NVE {\tt mdp} file.
573
574 The Verlet cut-off scheme is implemented in a very efficient fashion
575 based on clusters of particles. The simplest example is a cluster size
576 of 4 particles. The pair list is then constructed based on cluster
577 pairs. The cluster-pair search is much faster searching based on
578 particle pairs, because $4 \times 4 = 16$ particle pairs are put in
579 the list at once. The non-bonded force calculation kernel can then
580 calculate all 16 particle-pair interactions at once, which maps nicely
581 to SIMD units which can perform multiple floating operations at once
582 (e.g. SSE, AVX, CUDA on GPUs, BlueGene FPUs). These non-bonded kernels
583 are much faster than the kernels used in the group scheme for most
584 types of systems, except for water molecules on processors with short
585 SIMD widths when not using a buffered pair list. This latter case is
586 common for (bio-)molecular simulations, so for greatest speed, it is
587 worth comparing the performance of both schemes.
588
589 As the Verlet cut-off scheme was introduced in version 4.6, not
590 all features of the group scheme are supported yet. The Verlet scheme
591 supports a few new features which the group scheme does not support.
592 A list of features not (fully) supported in both cut-off schemes is
593 given in \tabref{cutoffschemesupport}.
594
595 \begin{table}
596 \centerline{
597 \begin{tabular}{|l|c|c|}
598 \dline
599 Non-bonded interaction feature    & group & Verlet \\
600 \dline
601 unbuffered cut-off scheme         & $\surd$ & not by default \\
602 exact cut-off                     & shift/switch & $\surd$ \\
603 shifted interactions              & force+energy & energy \\
604 switched potential                & $\surd$ & $\surd$ \\
605 switched forces                   & $\surd$ & $\surd$ \\
606 non-periodic systems              & $\surd$ & Z  + walls \\
607 implicit solvent                  & $\surd$ & \\
608 free energy perturbed non-bondeds & $\surd$ & $\surd$ \\
609 group energy contributions        & $\surd$ & CPU (not on GPU) \\
610 energy group exclusions           & $\surd$ & \\
611 AdResS multi-scale                & $\surd$ & \\
612 OpenMP multi-threading            & only PME & $\surd$ \\
613 native GPU support                &         & $\surd$ \\
614 Lennard-Jones PME                 & $\surd$ & $\surd$ \\
615 \dline
616 \end{tabular}
617 }
618 \caption{Differences (only) in the support of non-bonded features
619   between the group and Verlet cut-off schemes.}
620 \label{tab:cutoffschemesupport}
621 \end{table}
622
623 \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
624 \subsubsection{Energy drift and pair-list buffering}
625 For a canonical (NVT) ensemble, the average energy error caused by the
626 finite Verlet buffer size can be determined from the atomic
627 displacements and the shape of the potential at the cut-off.
628 %Since we are interested in the small drift regime, we will assume
629 %#that atoms will only move within the cut-off distance in the last step,
630 %$n_\mathrm{ps}-1$, of the pair list update interval $n_\mathrm{ps}$.
631 %Over this number of steps the displacment of an atom with mass $m$
632 The displacement distribution along one dimension for a freely moving
633 particle with mass $m$ over time $t$ at temperature $T$ is Gaussian
634 with zero mean and variance $\sigma^2 = t\,k_B T/m$. For the distance
635 between two atoms, the variance changes to $\sigma^2 = \sigma_{12}^2 =
636 t\,k_B T(1/m_1+1/m_2)$.  Note that in practice particles usually
637 interact with other particles over time $t$ and therefore the real
638 displacement distribution is much narrower.  Given a non-bonded
639 interaction cut-off distance of $r_c$ and a pair-list cut-off
640 $r_\ell=r_c+r_b$, we can then write the average energy error after
641 time $t$ for pair interactions between one particle of type 1
642 surrounded by particles of type 2 with number density $\rho_2$, when
643 the inter particle distance changes from $r_0$ to $r_t$, as:
644
645 \begin{eqnarray}
646 \langle \Delta V \rangle \! &=&
647 \int_{0}^{r_c} \int_{r_\ell}^\infty 4 \pi r_0^2 \rho_2 V(r_t) G\!\left(\frac{r_t-r_0}{\sigma}\right) d r_0\, d r_t \\
648 &\approx&
649 \int_{-\infty}^{r_c} \int_{r_\ell}^\infty 4 \pi r_0^2 \rho_2 \Big[ V'(r_c) (r_t - r_c) +
650 \nonumber\\
651 & &
652 \phantom{\int_{-\infty}^{r_c} \int_{r_\ell}^\infty 4 \pi r_0^2 \rho_2 \Big[}
653  V''(r_c)\frac{1}{2}(r_t - r_c)^2 \Big] G\!\left(\frac{r_t-r_0}{\sigma}\right) d r_0 \, d r_t\\
654 &\approx&
655 4 \pi (r_\ell+\sigma)^2 \rho_2
656 \int_{-\infty}^{r_c} \int_{r_\ell}^\infty \Big[ V'(r_c) (r_t - r_c) +
657 \nonumber\\
658 & &
659 \phantom{4 \pi (r_\ell+\sigma)^2 \rho_2 \int_{-\infty}^{r_c} \int_{r_\ell}^\infty \Big[}
660 V''(r_c)\frac{1}{2}(r_t - r_c)^2 +
661 \nonumber\\
662 & &
663 \phantom{4 \pi (r_\ell+\sigma)^2 \rho_2 \int_{-\infty}^{r_c} \int_{r_\ell}^\infty \Big[}
664 V'''(r_c)\frac{1}{6}(r_t - r_c)^3 \Big] G\!\left(\frac{r_t-r_0}{\sigma}\right)
665 d r_0 \, d r_t\\
666 &=&
667 4 \pi (r_\ell+\sigma)^2 \rho_2 \bigg\{
668 \frac{1}{2}V'(r_c)\left[r_b \sigma G\!\left(\frac{r_b}{\sigma}\right) - (r_b^2+\sigma^2)E\!\left(\frac{r_b}{\sigma}\right) \right] +
669 \nonumber\\
670 & &
671 \phantom{4 \pi (r_\ell+\sigma)^2 \rho_2 \bigg\{ }
672 \frac{1}{6}V''(r_c)\left[ \sigma(r_b^2+2\sigma^2)G\!\left(\frac{r_b}{\sigma}\right) - r_b(r_b^2+3\sigma^2 ) E\!\left(\frac{r_b}{\sigma}\right) \right] +
673 \nonumber\\
674 & &
675 \phantom{4 \pi (r_\ell+\sigma)^2 \rho_2 \bigg\{ }
676 \frac{1}{24}V'''(r_c)\left[ r_b\sigma(r_b^2+5\sigma^2)G\!\left(\frac{r_b}{\sigma}\right) - (r_b^4+6r_b^2\sigma^2+3\sigma^4 ) E\!\left(\frac{r_b}{\sigma}\right) \right]
677 \bigg\}
678 \end{eqnarray}
679
680 where $G$ is a Gaussian distribution with 0 mean and unit variance and
681 $E(x)=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}(x/\sqrt{2})$. We always want to achieve
682 small energy error, so $\sigma$ will be small compared to both $r_c$
683 and $r_\ell$, thus the approximations in the equations above are good,
684 since the Gaussian distribution decays rapidly. The energy error needs
685 to be averaged over all particle pair types and weighted with the
686 particle counts. In {\gromacs} we don't allow cancellation of error
687 between pair types, so we average the absolute values. To obtain the
688 average energy error per unit time, it needs to be divided by the
689 neighbor-list life time $t = ({\tt nstlist} - 1)\times{\tt dt}$. This
690 function can not be inverted analytically, so we use bisection to
691 obtain the buffer size $r_b$ for a target drift.  Again we note that
692 in practice the error we usually be much smaller than this estimate,
693 as in the condensed phase particle displacements will be much smaller
694 than for freely moving particles, which is the assumption used here.
695
696 When (bond) constraints are present, some particles will have fewer
697 degrees of freedom. This will reduce the energy errors. The
698 displacement in an arbitrary direction of a particle with 2 degrees of
699 freedom is not Gaussian, but rather follows the complementary error
700 function: \beq
701 \frac{\sqrt{\pi}}{2\sqrt{2}\sigma}\,\mathrm{erfc}\left(\frac{|r|}{\sqrt{2}\,\sigma}\right)
702 \eeq where $\sigma^2$ is again $k_B T/m$.  This distribution can no
703 longer be integrated analytically to obtain the energy error. But we
704 can generate a tight upper bound using a scaled and shifted Gaussian
705 distribution (not shown). This Gaussian distribution can then be used
706 to calculate the energy error as described above. We consider
707 particles constrained, i.e. having 2 degrees of freedom or fewer, when
708 they are connected by constraints to particles with a total mass of at
709 least 1.5 times the mass of the particles itself. For a particle with
710 a single constraint this would give a total mass along the constraint
711 direction of at least 2.5, which leads to a reduction in the variance
712 of the displacement along that direction by at least a factor of 6.25.
713 As the Gaussian distribution decays very rapidly, this effectively
714 removes one degree of freedom from the displacement. Multiple
715 constraints would reduce the displacement even more, but as this gets
716 very complex, we consider those as particles with 2 degrees of
717 freedom.
718
719 There is one important implementation detail that reduces the energy
720 errors caused by the finite Verlet buffer list size. The derivation
721 above assumes a particle pair-list. However, the {\gromacs}
722 implementation uses a cluster pair-list for efficiency. The pair list
723 consists of pairs of clusters of 4 particles in most cases, also
724 called a $4 \times 4$ list, but the list can also be $4 \times 8$ (GPU
725 CUDA kernels and AVX 256-bit single precision kernels) or $4 \times 2$
726 (SSE double-precision kernels). This means that the pair-list is
727 effectively much larger than the corresponding $1 \times 1$ list. Thus
728 slightly beyond the pair-list cut-off there will still be a large
729 fraction of particle pairs present in the list. This fraction can be
730 determined in a simulation and accurately estimated under some
731 reasonable assumptions. The fraction decreases with increasing
732 pair-list range, meaning that a smaller buffer can be used. For
733 typical all-atom simulations with a cut-off of 0.9 nm this fraction is
734 around 0.9, which gives a reduction in the energy errors of a factor of
735 10. This reduction is taken into account during the automatic Verlet
736 buffer calculation and results in a smaller buffer size.
737
738 \begin{figure}
739 \centerline{\includegraphics[width=9cm]{plots/verlet-drift}}
740 \caption {Energy drift per atom for an SPC/E water system at 300K with
741   a time step of 2 fs and a pair-list update period of 10 steps
742   (pair-list life time: 18 fs). PME was used with {\tt ewald-rtol} set
743   to 10$^{-5}$; this parameter affects the shape of the potential at
744   the cut-off. Error estimates due to finite Verlet buffer size are
745   shown for a $1 \times 1$ atom pair list and $4 \times 4$ atom pair
746   list without and with (dashed line) cancellation of positive and
747   negative errors. Real energy drift is shown for simulations using
748   double- and mixed-precision settings. Rounding errors in the SETTLE
749   constraint algorithm from the use of single precision causes
750   the drift to become negative
751   at large buffer size. Note that at zero buffer size, the real drift
752   is small because positive (H-H) and negative (O-H) energy errors
753   cancel.}
754 \label{fig:verletdrift}
755 \end{figure}
756
757 In \figref{verletdrift} one can see that for small buffer sizes the drift
758 of the total energy is much smaller than the pair energy error tolerance,
759 due to cancellation of errors. For larger buffer size, the error estimate
760 is a factor of 6 higher than drift of the total energy, or alternatively
761 the buffer estimate is 0.024 nm too large. This is because the protons
762 don't move freely over 18 fs, but rather vibrate.
763 %At a buffer size of zero there is cancellation of
764 %drift due to repulsive (H-H) and attractive (O-H) interactions.
765
766 \subsubsection{Cut-off artifacts and switched interactions}
767 With the Verlet scheme, the pair potentials are shifted to be zero at
768 the cut-off, which makes the potential the integral of the force.
769 This is only possible in the group scheme if the shape of the potential
770 is such that its value is zero at the cut-off distance.
771 However, there can still be energy drift when the
772 forces are non-zero at the cut-off. This effect is extremely small and
773 often not noticeable, as other integration errors (e.g. from constraints)
774 may dominate. To
775 completely avoid cut-off artifacts, the non-bonded forces can be
776 switched exactly to zero at some distance smaller than the neighbor
777 list cut-off (there are several ways to do this in {\gromacs}, see
778 \secref{mod_nb_int}). One then has a buffer with the size equal to the
779 neighbor list cut-off less the longest interaction cut-off.
780
781 } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
782
783 \subsubsection{Simple search\swapindexquiet{simple}{search}}
784 Due to \eqnsref{box_rot}{simplerc}, the vector $\rvij$
785 connecting images within the cut-off $R_c$ can be found by constructing:
786 \bea
787 \ve{r}'''   & = & \ve{r}_j-\ve{r}_i \\
788 \ve{r}''    & = & \ve{r}''' - {\bf c}*\verb'round'(r'''_z/c_z) \\
789 \ve{r}'     & = & \ve{r}'' - {\bf b}*\verb'round'(r''_y/b_y) \\
790 \ve{r}_{ij} & = & \ve{r}' - {\bf a}*\verb'round'(r'_x/a_x)
791 \eea
792 When distances between two particles in a triclinic box are needed
793 that do not obey \eqnref{box_rot},
794 many shifts of combinations of box vectors need to be considered to find
795 the nearest image.
796
797 \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
798
799 \begin{figure}
800 \centerline{\includegraphics[width=8cm]{plots/nstric}}
801 \caption {Grid search in two dimensions. The arrows are the box vectors.}
802 \label{fig:grid}
803 \end{figure}
804
805 \subsubsection{Grid search\swapindexquiet{grid}{search}}
806 \label{sec:nsgrid}
807 The grid search is schematically depicted in \figref{grid}.  All
808 particles are put on the {\nsgrid}, with the smallest spacing $\ge$
809 $R_c/2$ in each of the directions.  In the direction of each box
810 vector, a particle $i$ has three images. For each direction the image
811 may be -1,0 or 1, corresponding to a translation over -1, 0 or +1 box
812 vector. We do not search the surrounding {\nsgrid} cells for neighbors
813 of $i$ and then calculate the image, but rather construct the images
814 first and then search neighbors corresponding to that image of $i$.
815 As \figref{grid} shows, some grid cells may be searched more than once
816 for different images of $i$. This is not a problem, since, due to the
817 minimum image convention, at most one image will ``see'' the
818 $j$-particle.  For every particle, fewer than 125 (5$^3$) neighboring
819 cells are searched.  Therefore, the algorithm scales linearly with the
820 number of particles.  Although the prefactor is large, the scaling
821 behavior makes the algorithm far superior over the standard $O(N^2)$
822 algorithm when there are more than a few hundred particles.  The
823 grid search is equally fast for rectangular and triclinic boxes.  Thus
824 for most protein and peptide simulations the rhombic dodecahedron will
825 be the preferred box shape.
826 } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
827
828 \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
829 \subsubsection{Charge groups}
830 \label{sec:chargegroup}\swapindexquiet{charge}{group}%
831 Charge groups were originally introduced to reduce cut-off artifacts
832 of Coulomb interactions. When a plain cut-off is used, significant
833 jumps in the potential and forces arise when atoms with (partial) charges
834 move in and out of the cut-off radius. When all chemical moieties have
835 a net charge of zero, these jumps can be reduced by moving groups
836 of atoms with net charge zero, called charge groups, in and
837 out of the neighbor list. This reduces the cut-off effects from
838 the charge-charge level to the dipole-dipole level, which decay
839 much faster. With the advent of full range electrostatics methods,
840 such as particle-mesh Ewald (\secref{pme}), the use of charge groups is
841 no longer required for accuracy. It might even have a slight negative effect
842 on the accuracy or efficiency, depending on how the neighbor list is made
843 and the interactions are calculated.
844
845 But there is still an important reason for using ``charge groups'': efficiency with the group cut-off scheme.
846 Where applicable, neighbor searching is carried out on the basis of
847 charge groups which are defined in the molecular topology.
848 If the nearest image distance between the {\em
849 geometrical centers} of the atoms of two charge groups is less than
850 the cut-off radius, all atom pairs between the charge groups are
851 included in the pair list.
852 The neighbor searching for a water system, for instance,
853 is $3^2=9$ times faster when each molecule is treated as a charge group.
854 Also the highly optimized water force loops (see \secref{waterloops})
855 only work when all atoms in a water molecule form a single charge group.
856 Currently the name {\em neighbor-search group} would be more appropriate,
857 but the name charge group is retained for historical reasons.
858 When developing a new force field, the advice is to use charge groups
859 of 3 to 4 atoms for optimal performance. For all-atom force fields
860 this is relatively easy, as one can simply put hydrogen atoms, and in some
861 case oxygen atoms, in the same charge group as the heavy atom they
862 are connected to; for example: CH$_3$, CH$_2$, CH, NH$_2$, NH, OH, CO$_2$, CO.
863
864 With the Verlet cut-off scheme, charge groups are ignored.
865
866 } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
867
868 \subsection{Compute forces}
869 \label{subsec:forces}
870
871 \subsubsection{Potential energy}
872 When forces are computed, the \swapindex{potential}{energy} of each
873 interaction term is computed as well. The total potential energy is
874 summed for various contributions, such as Lennard-Jones, Coulomb, and
875 bonded terms. It is also possible to compute these contributions for
876 {\em energy-monitor groups} of atoms that are separately defined (see
877 \secref{groupconcept}).
878
879 \subsubsection{Kinetic energy and temperature}
880 The \normindex{temperature} is given by the total
881 \swapindex{kinetic}{energy} of the $N$-particle system:
882 \beq
883 E_{kin} = \half \sum_{i=1}^N m_i v_i^2
884 \eeq
885 From this the absolute temperature $T$ can be computed using:
886 \beq
887 \half N_{\mathrm{df}} kT = E_{\mathrm{kin}}
888 \label{eqn:E-T}
889 \eeq
890 where $k$ is Boltzmann's constant and $N_{df}$ is the number of
891 degrees of freedom which can be computed from:
892 \beq
893 N_{\mathrm{df}}  ~=~     3 N - N_c - N_{\mathrm{com}}
894 \eeq
895 Here $N_c$ is the number of {\em \normindex{constraints}} imposed on the system.
896 When performing molecular dynamics $N_{\mathrm{com}}=3$ additional degrees of
897 freedom must be removed, because the three
898 center-of-mass velocities are constants of the motion, which are usually
899 set to zero. When simulating in vacuo, the rotation around the center of mass
900 can also be removed, in this case $N_{\mathrm{com}}=6$.
901 When more than one temperature-coupling group\index{temperature-coupling group} is used, the number of degrees
902 of freedom for group $i$ is:
903 \beq
904 N^i_{\mathrm{df}}  ~=~  (3 N^i - N^i_c) \frac{3 N - N_c - N_{\mathrm{com}}}{3 N - N_c}
905 \eeq
906
907 The kinetic energy can also be written as a tensor, which is necessary
908 for pressure calculation in a triclinic system, or systems where shear
909 forces  are imposed:
910 \beq
911 {\bf E}_{\mathrm{kin}} = \half \sum_i^N m_i \vvi \otimes \vvi
912 \eeq
913
914 \subsubsection{Pressure and virial}
915 The \normindex{pressure} 
916 tensor {\bf P} is calculated from the difference between 
917 kinetic energy $E_{\mathrm{kin}}$ and the \normindex{virial} ${\bf \Xi}$:
918 \beq
919 {\bf P} = \frac{2}{V} ({\bf E}_{\mathrm{kin}}-{\bf \Xi})
920 \label{eqn:P}
921 \eeq
922 where $V$ is the volume of the computational box. 
923 The scalar pressure $P$, which can be used for pressure coupling in the case
924 of isotropic systems, is computed as:
925 \beq
926 P       = {\rm trace}({\bf P})/3
927 \eeq
928
929 The virial ${\bf \Xi}$ tensor is defined as:
930 \beq
931 {\bf \Xi} = -\half \sum_{i<j} \rvij \otimes \Fvij 
932 \label{eqn:Xi}
933 \eeq
934
935 \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
936 The {\gromacs} implementation of the virial computation is described
937 in \secref{virial}.
938 } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
939
940
941 \subsection{The \swapindex{leap-frog}{integrator}}
942 \label{subsec:update}
943 \begin{figure}
944 \centerline{\includegraphics[width=8cm]{plots/leapfrog}}
945 \caption[The Leap-Frog integration method.]{The Leap-Frog integration method. The algorithm is called Leap-Frog because $\ve{r}$ and $\ve{v}$ are leaping
946 like  frogs over each other's backs.}
947 \label{fig:leapfrog}
948 \end{figure}
949
950 The default MD integrator in {\gromacs} is the so-called {\em leap-frog} 
951 algorithm~\cite{Hockney74} for the integration of the equations of
952 motion.  When extremely accurate integration with temperature
953 and/or pressure coupling is required, the velocity Verlet integrators
954 are also present and may be preferable (see \ssecref{vverlet}). The leap-frog
955 algorithm uses positions $\ve{r}$ at time $t$ and
956 velocities $\ve{v}$ at time $t-\hDt$; it updates positions and
957 velocities using the forces
958 $\ve{F}(t)$ determined by the positions at time $t$ using these relations:
959 \bea
960 \label{eqn:leapfrogv}
961 \ve{v}(t+\hDt)  &~=~&   \ve{v}(t-\hDt)+\frac{\Dt}{m}\ve{F}(t)   \\
962 \ve{r}(t+\Dt)   &~=~&   \ve{r}(t)+\Dt\ve{v}(t+\hDt)
963 \eea
964 The algorithm is visualized in \figref{leapfrog}.
965 It produces trajectories that are identical to the Verlet~\cite{Verlet67} algorithm,
966 whose position-update relation is
967 \beq
968 \ve{r}(t+\Dt)~=~2\ve{r}(t) - \ve{r}(t-\Dt) + \frac{1}{m}\ve{F}(t)\Dt^2+O(\Dt^4)
969 \eeq
970 The algorithm is of third order in $\ve{r}$ and is time-reversible.
971 See ref.~\cite{Berendsen86b} for the merits of this algorithm and comparison
972 with other time integration algorithms.
973
974 The \swapindex{equations of}{motion} are modified for temperature
975 coupling and pressure coupling, and extended to include the
976 conservation of constraints, all of which are described below.  
977
978 \subsection{The \swapindex{velocity Verlet}{integrator}}
979 \label{subsec:vverlet}
980 The velocity Verlet algorithm~\cite{Swope82} is also implemented in
981 {\gromacs}, though it is not yet fully integrated with all sets of
982 options.  In velocity Verlet, positions $\ve{r}$ and velocities
983 $\ve{v}$ at time $t$ are used to integrate the equations of motion;
984 velocities at the previous half step are not required.  \bea
985 \label{eqn:velocityverlet1}
986 \ve{v}(t+\hDt)  &~=~&   \ve{v}(t)+\frac{\Dt}{2m}\ve{F}(t)   \\
987 \ve{r}(t+\Dt)   &~=~&   \ve{r}(t)+\Dt\,\ve{v}(t+\hDt) \\
988 \ve{v}(t+\Dt)   &~=~&   \ve{v}(t+\hDt)+\frac{\Dt}{2m}\ve{F}(t+\Dt)
989 \eea
990 or, equivalently,
991 \bea
992 \label{eqn:velocityverlet2}
993 \ve{r}(t+\Dt)   &~=~&   \ve{r}(t)+ \Dt\,\ve{v} + \frac{\Dt^2}{2m}\ve{F}(t) \\
994 \ve{v}(t+\Dt)   &~=~&   \ve{v}(t)+ \frac{\Dt}{2m}\left[\ve{F}(t) + \ve{F}(t+\Dt)\right]
995 \eea
996 With no temperature or pressure coupling, and with {\em corresponding}
997 starting points, leap-frog and velocity Verlet will generate identical
998 trajectories, as can easily be verified by hand from the equations
999 above.  Given a single starting file with the {\em same} starting
1000 point $\ve{x}(0)$ and $\ve{v}(0)$, leap-frog and velocity Verlet will
1001 {\em not} give identical trajectories, as leap-frog will interpret the
1002 velocities as corresponding to $t=-\hDt$, while velocity Verlet will
1003 interpret them as corresponding to the timepoint $t=0$.
1004
1005 \subsection{Understanding reversible integrators: The Trotter decomposition}
1006 To further understand the relationship between velocity Verlet and
1007 leap-frog integration, we introduce the reversible Trotter formulation
1008 of dynamics, which is also useful to understanding implementations of
1009 thermostats and barostats in {\gromacs}.
1010
1011 A system of coupled, first-order differential equations can be evolved
1012 from time $t = 0$ to time $t$ by applying the evolution operator
1013 \bea
1014 \Gamma(t) &=& \exp(iLt) \Gamma(0) \nonumber \\
1015 iL &=& \dot{\Gamma}\cdot \nabla_{\Gamma},
1016 \eea
1017 where $L$ is the Liouville operator, and $\Gamma$ is the
1018 multidimensional vector of independent variables (positions and
1019 velocities).
1020 A short-time approximation to the true operator, accurate at time $\Dt
1021 = t/P$, is applied $P$ times in succession to evolve the system as
1022 \beq
1023 \Gamma(t) = \prod_{i=1}^P \exp(iL\Dt) \Gamma(0)
1024 \eeq
1025 For NVE dynamics, the Liouville operator is
1026 \bea
1027 iL = \sum_{i=1}^{N} \vv_i \cdot \nabla_{\rv_i} + \sum_{i=1}^N \frac{1}{m_i}\F(r_i) \cdot \nabla_{\vv_i}.
1028 \eea
1029 This can be split into two additive operators
1030 \bea
1031 iL_1 &=& \sum_{i=1}^N \frac{1}{m_i}\F(r_i) \cdot \nabla_{\vv_i} \nonumber \\
1032 iL_2 &=& \sum_{i=1}^{N} \vv_i \cdot \nabla_{\rv_i} 
1033 \eea
1034 Then a short-time, symmetric, and thus reversible approximation of the true dynamics will be
1035 \bea
1036 \exp(iL\Dt) = \exp(iL_2\hDt) \exp(iL_1\Dt) \exp(iL_2\hDt) + \mathcal{O}(\Dt^3).
1037 \label{eq:NVE_Trotter}
1038 \eea
1039 This corresponds to velocity Verlet integration.  The first
1040 exponential term over $\hDt$ corresponds to a velocity half-step, the
1041 second exponential term over $\Dt$ corresponds to a full velocity
1042 step, and the last exponential term over $\hDt$ is the final velocity
1043 half step.  For future times $t = n\Dt$, this becomes
1044 \bea
1045 \exp(iLn\Dt) &\approx&  \left(\exp(iL_2\hDt) \exp(iL_1\Dt) \exp(iL_2\hDt)\right)^n \nonumber \\
1046              &\approx&  \exp(iL_2\hDt) \bigg(\exp(iL_1\Dt) \exp(iL_2\Dt)\bigg)^{n-1} \nonumber \\
1047              &       &  \;\;\;\; \exp(iL_1\Dt) \exp(iL_2\hDt) 
1048 \eea
1049 This formalism allows us to easily see the difference between the
1050 different flavors of Verlet integrators.  The leap-frog integrator can
1051 be seen as starting with Eq.~\ref{eq:NVE_Trotter} with the
1052 $\exp\left(iL_1 \dt\right)$ term, instead of the half-step velocity
1053 term, yielding
1054 \bea 
1055 \exp(iLn\dt) &=& \exp\left(iL_1 \dt\right) \exp\left(iL_2 \Dt \right) + \mathcal{O}(\Dt^3).
1056 \eea 
1057 Here, the full step in velocity is between $t-\hDt$ and $t+\hDt$,
1058 since it is a combination of the velocity half steps in velocity
1059 Verlet. For future times $t = n\Dt$, this becomes
1060 \bea 
1061 \exp(iLn\dt) &\approx& \bigg(\exp\left(iL_1 \dt\right) \exp\left(iL_2 \Dt \right)  \bigg)^{n}.
1062 \eea 
1063 Although at first this does not appear symmetric, as long as the full velocity
1064 step is between $t-\hDt$ and $t+\hDt$, then this is simply a way of
1065 starting velocity Verlet at a different place in the cycle.
1066
1067 Even though the trajectory and thus potential energies are identical
1068 between leap-frog and velocity Verlet, the kinetic energy and
1069 temperature will not necessarily be the same.  Standard velocity
1070 Verlet uses the velocities at the $t$ to calculate the kinetic energy
1071 and thus the temperature only at time $t$; the kinetic energy is then a sum over all particles
1072 \bea
1073 KE_{\mathrm{full}}(t) &=& \sum_i \left(\frac{1}{2m_i}\ve{v}_i(t)\right)^2 \nonumber\\ 
1074       &=& \sum_i \frac{1}{2m_i}\left(\frac{1}{2}\ve{v}_i(t-\hDt)+\frac{1}{2}\ve{v}_i(t+\hDt)\right)^2,
1075 \eea
1076 with the square on the {\em outside} of the average.  Standard
1077 leap-frog calculates the kinetic energy at time $t$ based on the
1078 average kinetic energies at the timesteps $t+\hDt$ and $t-\hDt$, or
1079 the sum over all particles
1080 \bea
1081 KE_{\mathrm{average}}(t) &=& \sum_i \frac{1}{2m_i}\left(\frac{1}{2}\ve{v}_i(t-\hDt)^2+\frac{1}{2}\ve{v}_i(t+\hDt)^2\right),
1082 \eea
1083 where the square is {\em inside} the average.
1084
1085 A non-standard variant of velocity Verlet which averages the kinetic
1086 energies $KE(t+\hDt)$ and $KE(t-\hDt)$, exactly like leap-frog, is also
1087 now implemented in {\gromacs} (as {\tt .mdp} file option {\tt md-vv-avek}).  Without
1088 temperature and pressure coupling, velocity Verlet with
1089 half-step-averaged kinetic energies and leap-frog will be identical up
1090 to numerical precision.  For temperature- and pressure-control schemes,
1091 however, velocity Verlet with half-step-averaged kinetic energies and
1092 leap-frog will be different, as will be discussed in the section in
1093 thermostats and barostats.
1094
1095 The half-step-averaged kinetic energy and temperature are slightly more
1096 accurate for a given step size; the difference in average kinetic
1097 energies using the half-step-averaged kinetic energies ({\em md} and
1098 {\em md-vv-avek}) will be closer to the kinetic energy obtained in the
1099 limit of small step size than will the full-step kinetic energy (using
1100 {\em md-vv}).  For NVE simulations, this difference is usually not
1101 significant, since the positions and velocities of the particles are
1102 still identical; it makes a difference in the way the the temperature
1103 of the simulations are {\em interpreted}, but {\em not} in the
1104 trajectories that are produced.  Although the kinetic energy is more
1105 accurate with the half-step-averaged method, meaning that it changes
1106 less as the timestep gets large, it is also more noisy.  The RMS deviation
1107 of the total energy of the system (sum of kinetic plus
1108 potential) in the half-step-averaged kinetic energy case will be
1109 higher (about twice as high in most cases) than the full-step kinetic
1110 energy.  The drift will still be the same, however, as again, the
1111 trajectories are identical.
1112
1113 For NVT simulations, however, there {\em will} be a difference, as
1114 discussed in the section on temperature control, since the velocities
1115 of the particles are adjusted such that kinetic energies of the
1116 simulations, which can be calculated either way, reach the
1117 distribution corresponding to the set temperature.  In this case, the
1118 three methods will not give identical results.
1119
1120 Because the velocity and position are both defined at the same time
1121 $t$ the velocity Verlet integrator can be used for some methods,
1122 especially rigorously correct pressure control methods, that are not
1123 actually possible with leap-frog.  The integration itself takes
1124 negligibly more time than leap-frog, but twice as many communication
1125 calls are currently required.  In most cases, and especially for large
1126 systems where communication speed is important for parallelization and
1127 differences between thermodynamic ensembles vanish in the $1/N$ limit,
1128 and when only NVT ensembles are required, leap-frog will likely be the
1129 preferred integrator.  For pressure control simulations where the fine
1130 details of the thermodynamics are important, only velocity Verlet
1131 allows the true ensemble to be calculated.  In either case, simulation
1132 with double precision may be required to get fine details of
1133 thermodynamics correct.
1134
1135 \subsection{Twin-range cut-offs\index{twin-range!cut-off}}
1136 To save computation time, slowly varying forces can be calculated
1137 less often than rapidly varying forces. In {\gromacs}
1138 such a \normindex{multiple time step} splitting is possible between
1139 short and long range non-bonded interactions.
1140 In {\gromacs} versions up to 4.0, an irreversible integration scheme
1141 was used which is also used by the {\gromos} simulation package:
1142 every $n$ steps the long range forces are determined and these are
1143 then also used (without modification) for the next $n-1$ integration steps
1144 in \eqnref{leapfrogv}. Such an irreversible scheme can result in bad energy
1145 conservation and, possibly, bad sampling.
1146 Since version 4.5, a leap-frog version of the reversible Trotter decomposition scheme~\cite{Tuckerman1992a} is used.
1147 In this integrator the long-range forces are determined every $n$ steps
1148 and are then integrated into the velocity in \eqnref{leapfrogv} using
1149 a time step of $\Dt_\mathrm{LR} = n \Dt$:
1150 \beq
1151 \ve{v}(t+\hDt) =
1152 \left\{ \begin{array}{lll} \displaystyle
1153   \ve{v}(t-\hDt) + \frac{1}{m}\left[\ve{F}_\mathrm{SR}(t) + n \ve{F}_\mathrm{LR}(t)\right] \Dt &,& \mathrm{step} ~\%~ n = 0  \\ \noalign{\medskip} \displaystyle
1154   \ve{v}(t-\hDt) + \frac{1}{m}\ve{F}_\mathrm{SR}(t)\Dt &,& \mathrm{step} ~\%~ n \neq 0  \\
1155 \end{array} \right.
1156 \eeq
1157
1158 The parameter $n$ is equal to the neighbor list update frequency. In
1159 4.5, the velocity Verlet version of multiple time-stepping is not yet
1160 fully implemented.
1161
1162 Several other simulation packages uses multiple time stepping for
1163 bonds and/or the PME mesh forces. In {\gromacs} we have not implemented
1164 this (yet), since we use a different philosophy. Bonds can be constrained
1165 (which is also a more sound approximation of a physical quantum
1166 oscillator), which allows the smallest time step to be increased
1167 to the larger one. This not only halves the number of force calculations,
1168 but also the update calculations. For even larger time steps, angle vibrations
1169 involving hydrogen atoms can be removed using virtual interaction
1170 \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}
1171 {sites,}
1172 {sites (see \secref{rmfast}),}
1173 which brings the shortest time step up to
1174 PME mesh update frequency of a multiple time stepping scheme.
1175
1176 As an example we show the energy conservation for integrating
1177 the equations of motion for SPC/E water at 300 K. To avoid cut-off
1178 effects, reaction-field electrostatics with $\epsilon_{RF}=\infty$ and
1179 shifted Lennard-Jones interactions are used, both with a buffer region.
1180 The long-range interactions were evaluated between 1.0 and 1.4 nm.
1181 In \figref{leapfrog} one can see that for electrostatics the Trotter scheme
1182 does an order of magnitude better up to  $\Dt_{LR}$ = 16 fs.
1183 The electrostatics depends strongly on the orientation of the water molecules,
1184 which changes rapidly.
1185 For Lennard-Jones interactions, the energy drift is linear in $\Dt_{LR}$
1186 and roughly two orders of magnitude smaller than for the electrostatics.
1187 Lennard-Jones forces are smaller than Coulomb forces and
1188 they are mainly affected by translation of water molecules, not rotation.
1189
1190 \begin{figure}
1191 \centerline{\includegraphics[width=12cm]{plots/drift-all}}
1192 \caption{Energy drift per degree of freedom in SPC/E water
1193 with twin-range cut-offs
1194 for reaction field (left) and Lennard-Jones interaction (right)
1195 as a function of the long-range time step length for the irreversible
1196 ``\gromos'' scheme and a reversible Trotter scheme.}
1197 \label{fig:twinrangeener}
1198 \end{figure}
1199
1200 \subsection{Temperature coupling\index{temperature coupling}}
1201 While direct use of molecular dynamics gives rise to the NVE (constant
1202 number, constant volume, constant energy ensemble), most quantities
1203 that we wish to calculate are actually from a constant temperature
1204 (NVT) ensemble, also called the canonical ensemble. {\gromacs} can use
1205 the {\em weak-coupling} scheme of Berendsen~\cite{Berendsen84},
1206 stochastic randomization through the Andersen
1207 thermostat~\cite{Andersen80}, the extended ensemble Nos{\'e}-Hoover
1208 scheme~\cite{Nose84,Hoover85}, or a velocity-rescaling
1209 scheme~\cite{Bussi2007a} to simulate constant temperature, with
1210 advantages of each of the schemes laid out below.
1211
1212 There are several other reasons why it might be necessary to control
1213 the temperature of the system (drift during equilibration, drift as a
1214 result of force truncation and integration errors, heating due to
1215 external or frictional forces), but this is not entirely correct to do
1216 from a thermodynamic standpoint, and in some cases only masks the
1217 symptoms (increase in temperature of the system) rather than the
1218 underlying problem (deviations from correct physics in the dynamics).
1219 For larger systems, errors in ensemble averages and structural
1220 properties incurred by using temperature control to remove slow drifts
1221 in temperature appear to be negligible, but no completely
1222 comprehensive comparisons have been carried out, and some caution must
1223 be taking in interpreting the results.
1224
1225 \subsubsection{Berendsen temperature coupling\pawsindexquiet{Berendsen}{temperature coupling}\index{weak coupling}}
1226 The Berendsen algorithm mimics weak coupling with first-order 
1227 kinetics to an external heat bath with given temperature $T_0$. 
1228 See ref.~\cite{Berendsen91} for a comparison with the
1229 Nos{\'e}-Hoover scheme. The effect of this algorithm is
1230 that a deviation of the system temperature from $T_0$ is slowly
1231 corrected according to:
1232 \beq
1233 \frac{\de T}{\de t} = \frac{T_0-T}{\tau}
1234 \label{eqn:Tcoupling}
1235 \eeq
1236 which means that a temperature deviation decays exponentially with a
1237 time constant $\tau$.
1238 This method of coupling has the advantage that the strength of the
1239 coupling can be varied and adapted to the user requirement: for
1240 equilibration purposes the coupling time can be taken quite short
1241 ({\eg} 0.01 ps), but for reliable equilibrium runs it can be taken much
1242 longer ({\eg} 0.5 ps) in which case it hardly influences the
1243 conservative dynamics. 
1244
1245 The Berendsen thermostat suppresses the fluctuations of the kinetic
1246 energy.  This means that one does not generate a proper canonical
1247 ensemble, so rigorously, the sampling will be incorrect.  This
1248 error scales with $1/N$, so for very large systems most ensemble
1249 averages will not be affected significantly, except for the
1250 distribution of the kinetic energy itself.  However, fluctuation
1251 properties, such as the heat capacity, will be affected.  A similar
1252 thermostat which does produce a correct ensemble is the velocity
1253 rescaling thermostat~\cite{Bussi2007a} described below.
1254
1255 The heat flow into or out of the system is affected by scaling the
1256 velocities of each particle every step, or every $n_\mathrm{TC}$ steps,
1257 with a time-dependent factor $\lambda$, given by:
1258 \beq 
1259 \lambda = \left[ 1 + \frac{n_\mathrm{TC} \Delta t}{\tau_T}
1260 \left\{\frac{T_0}{T(t -  \hDt)} - 1 \right\} \right]^{1/2}
1261 \label{eqn:lambda}
1262 \eeq
1263 The parameter $\tau_T$ is close, but not exactly equal, to the time constant
1264 $\tau$ of the temperature coupling (\eqnref{Tcoupling}):
1265 \beq
1266 \tau = 2 C_V \tau_T / N_{df} k
1267 \eeq
1268 where $C_V$ is the total heat capacity of the system, $k$ is Boltzmann's
1269 constant, and $N_{df}$ is the total number of degrees of freedom. The
1270 reason that $\tau \neq \tau_T$ is that the kinetic energy change
1271 caused by scaling the velocities is partly redistributed between
1272 kinetic and potential energy and hence the change in temperature is
1273 less than the scaling energy.  In practice, the ratio $\tau / \tau_T$
1274 ranges from 1 (gas) to 2 (harmonic solid) to 3 (water). When we use
1275 the term ``temperature coupling time constant,'' we mean the parameter
1276 \normindex{$\tau_T$}.  
1277 {\bf Note} that in practice the scaling factor $\lambda$ is limited to 
1278 the range of 0.8 $<= \lambda <=$ 1.25, to avoid scaling by very large
1279 numbers which may crash the simulation. In normal use, 
1280 $\lambda$ will always be much closer to 1.0.
1281
1282 \subsubsection{Velocity-rescaling temperature coupling\pawsindexquiet{velocity-rescaling}{temperature coupling}}
1283 The velocity-rescaling thermostat~\cite{Bussi2007a} is essentially a Berendsen
1284 thermostat (see above) with an additional stochastic term that ensures
1285 a correct kinetic energy distribution by modifying it according to
1286 \beq
1287 \de K = (K_0 - K) \frac{\de t}{\tau_T} + 2 \sqrt{\frac{K K_0}{N_f}} \frac{\de W}{\sqrt{\tau_T}},
1288 \label{eqn:vrescale}
1289 \eeq
1290 where $K$ is the kinetic energy, $N_f$ the number of degrees of freedom and $\de W$ a Wiener process.
1291 There are no additional parameters, except for a random seed.
1292 This thermostat produces a correct canonical ensemble and still has
1293 the advantage of the Berendsen thermostat: first order decay of
1294 temperature deviations and no oscillations.
1295 When an $NVT$ ensemble is used, the conserved energy quantity
1296 is written to the energy and log file.  
1297
1298 \subsubsection{\normindex{Andersen thermostat}}
1299 One simple way to maintain a thermostatted ensemble is to take an
1300 $NVE$ integrator and periodically re-select the velocities of the
1301 particles from a Maxwell-Boltzmann distribution.~\cite{Andersen80}
1302 This can either be done by randomizing all the velocities
1303 simultaneously (massive collision) every $\tau_T/\Dt$ steps ({\tt andersen-massive}), or by
1304 randomizing every particle with some small probability every timestep ({\tt andersen}),
1305 equal to $\Dt/\tau$, where in both cases $\Dt$ is the timestep and
1306 $\tau_T$ is a characteristic coupling time scale.
1307 Because of the way constraints operate, all particles in the same
1308 constraint group must be randomized simultaneously.  Because of
1309 parallelization issues, the {\tt andersen} version cannot currently (5.0) be
1310 used in systems with constraints. {\tt andersen-massive} can be used regardless of constraints.
1311 This thermostat is also currently only possible with velocity Verlet algorithms,
1312 because it operates directly on the velocities at each timestep.
1313
1314 This algorithm completely avoids some of the ergodicity issues of other thermostatting
1315 algorithms, as energy cannot flow back and forth between energetically
1316 decoupled components of the system as in velocity scaling motions.
1317 However, it can slow down the kinetics of system by randomizing
1318 correlated motions of the system, including slowing sampling when
1319 $\tau_T$ is at moderate levels (less than 10 ps). This algorithm
1320 should therefore generally not be used when examining kinetics or
1321 transport properties of the system.~\cite{Basconi2013}
1322
1323 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
1324 \subsubsection{Nos{\'e}-Hoover temperature coupling\index{Nose-Hoover temperature coupling@Nos{\'e}-Hoover temperature coupling|see{temperature coupling, Nos{\'e}-Hoover}}{\index{temperature coupling Nose-Hoover@temperature coupling Nos{\'e}-Hoover}}\index{extended ensemble}}
1325
1326 The Berendsen weak-coupling algorithm is
1327 extremely efficient for relaxing a system to the target temperature,
1328 but once the system has reached equilibrium it might be more
1329 important to probe a correct canonical ensemble. This is unfortunately
1330 not the case for the weak-coupling scheme.
1331
1332 To enable canonical ensemble simulations, {\gromacs} also supports the
1333 extended-ensemble approach first proposed by Nos{\'e}~\cite{Nose84}
1334 and later modified by Hoover~\cite{Hoover85}. The system Hamiltonian is
1335 extended by introducing a thermal reservoir and a friction term in the
1336 equations of motion.  The friction force is proportional to the
1337 product of each particle's velocity and a friction parameter, $\xi$.
1338 This friction parameter (or ``heat bath'' variable) is a fully
1339 dynamic quantity with its own momentum ($p_{\xi}$) and equation of
1340 motion; the time derivative is calculated from the difference between
1341 the current kinetic energy and the reference temperature.  
1342
1343 In this formulation, the particles' equations of motion in
1344 \figref{global} are replaced by:
1345 \beq
1346 \frac {\de^2\ve{r}_i}{\de t^2} = \frac{\ve{F}_i}{m_i} - 
1347 \frac{p_{\xi}}{Q}\frac{\de \ve{r}_i}{\de t} ,
1348 \label{eqn:NH-eqn-of-motion}
1349 \eeq where the equation of motion for the heat bath parameter $\xi$ is:
1350 \beq \frac {\de p_{\xi}}{\de t} = \left( T - T_0 \right).  \eeq The
1351 reference temperature is denoted $T_0$, while $T$ is the current
1352 instantaneous temperature of the system. The strength of the coupling
1353 is determined by the constant $Q$ (usually called the ``mass parameter''
1354 of the reservoir) in combination with the reference
1355 temperature.~\footnote{Note that some derivations, an alternative
1356   notation $\xi_{\mathrm{alt}} = v_{\xi} = p_{\xi}/Q$ is used.}
1357
1358 The conserved quantity for the Nos{\'e}-Hoover equations of motion is not 
1359 the total energy, but rather
1360 \bea
1361 H = \sum_{i=1}^{N} \frac{\pb_i}{2m_i} + U\left(\rv_1,\rv_2,\ldots,\rv_N\right) +\frac{p_{\xi}^2}{2Q} + N_fkT\xi,
1362 \eea
1363 where $N_f$ is the total number of degrees of freedom.
1364
1365 In our opinion, the mass parameter is a somewhat awkward way of
1366 describing coupling strength, especially due to its dependence on
1367 reference temperature (and some implementations even include the
1368 number of degrees of freedom in your system when defining $Q$).  To
1369 maintain the coupling strength, one would have to change $Q$ in
1370 proportion to the change in reference temperature. For this reason, we
1371 prefer to let the {\gromacs} user work instead with the period
1372 $\tau_T$ of the oscillations of kinetic energy between the system and
1373 the reservoir instead. It is directly related to $Q$ and $T_0$ via:
1374 \beq
1375 Q = \frac {\tau_T^2 T_0}{4 \pi^2}.
1376 \eeq
1377 This provides a much more intuitive way of selecting the
1378 Nos{\'e}-Hoover coupling strength (similar to the weak-coupling
1379 relaxation), and in addition $\tau_T$ is independent of system size
1380 and reference temperature.
1381
1382 It is however important to keep the difference between the 
1383 weak-coupling scheme and the Nos{\'e}-Hoover algorithm in mind: 
1384 Using weak coupling you get a
1385 strongly damped {\em exponential relaxation}, 
1386 while the Nos{\'e}-Hoover approach
1387 produces an {\em oscillatory relaxation}. 
1388 The actual time it takes to relax with Nos{\'e}-Hoover coupling is 
1389 several times larger than the period of the
1390 oscillations that you select. These oscillations (in contrast
1391 to exponential relaxation) also means that
1392 the time constant normally should be 4--5 times larger
1393 than the relaxation time used with weak coupling, but your 
1394 mileage may vary.
1395
1396 Nos{\'e}-Hoover dynamics in simple systems such as collections of
1397 harmonic oscillators, can be {\em nonergodic}, meaning that only a
1398 subsection of phase space is ever sampled, even if the simulations
1399 were to run for infinitely long.  For this reason, the Nos{\'e}-Hoover
1400 chain approach was developed, where each of the Nos{\'e}-Hoover
1401 thermostats has its own Nos{\'e}-Hoover thermostat controlling its
1402 temperature.  In the limit of an infinite chain of thermostats, the
1403 dynamics are guaranteed to be ergodic. Using just a few chains can
1404 greatly improve the ergodicity, but recent research has shown that the
1405 system will still be nonergodic, and it is still not entirely clear
1406 what the practical effect of this~\cite{Cooke2008}. Currently, the
1407 default number of chains is 10, but this can be controlled by the
1408 user.  In the case of chains, the equations are modified in the
1409 following way to include a chain of thermostatting
1410 particles~\cite{Martyna1992}:
1411
1412 \bea
1413 \frac {\de^2\ve{r}_i}{\de t^2} &~=~& \frac{\ve{F}_i}{m_i} - \frac{p_{{\xi}_1}}{Q_1} \frac{\de \ve{r}_i}{\de t} \nonumber \\
1414 \frac {\de p_{{\xi}_1}}{\de t} &~=~& \left( T - T_0 \right) - p_{{\xi}_1} \frac{p_{{\xi}_2}}{Q_2} \nonumber \\
1415 \frac {\de p_{{\xi}_{i=2\ldots N}}}{\de t} &~=~& \left(\frac{p_{\xi_{i-1}}^2}{Q_{i-1}} -kT\right) - p_{\xi_i} \frac{p_{\xi_{i+1}}}{Q_{i+1}} \nonumber \\
1416 \frac {\de p_{\xi_N}}{\de t} &~=~& \left(\frac{p_{\xi_{N-1}}^2}{Q_{N-1}}-kT\right)
1417 \label{eqn:NH-chain-eqn-of-motion}
1418 \eea
1419 The conserved quantity for Nos{\'e}-Hoover chains is
1420 \bea
1421 H = \sum_{i=1}^{N} \frac{\pb_i}{2m_i} + U\left(\rv_1,\rv_2,\ldots,\rv_N\right) +\sum_{k=1}^M\frac{p^2_{\xi_k}}{2Q^{\prime}_k} + N_fkT\xi_1 + kT\sum_{k=2}^M \xi_k 
1422 \eea
1423 The values and velocities of the Nos{\'e}-Hoover thermostat variables
1424 are generally not included in the output, as they take up a fair
1425 amount of space and are generally not important for analysis of
1426 simulations, but this can be overridden by defining the environment
1427 variable {\tt GMX_NOSEHOOVER_CHAINS}, which will print the values of all
1428 the positions and velocities of all Nos{\'e}-Hoover particles in the
1429 chain to the {\tt .edr} file.  Leap-frog simulations currently can only have 
1430 Nos{\'e}-Hoover chain lengths of 1, but this will likely be updated in 
1431 later version.
1432
1433 As described in the integrator section, for temperature coupling, the
1434 temperature that the algorithm attempts to match to the reference
1435 temperature is calculated differently in velocity Verlet and leap-frog
1436 dynamics.  Velocity Verlet ({\em md-vv}) uses the full-step kinetic
1437 energy, while leap-frog and {\em md-vv-avek} use the half-step-averaged
1438 kinetic energy.
1439
1440 We can examine the Trotter decomposition again to better understand
1441 the differences between these constant-temperature integrators.  In
1442 the case of Nos{\'e}-Hoover dynamics (for simplicity, using a chain
1443 with $N=1$, with more details in Ref.~\cite{Martyna1996}), we split
1444 the Liouville operator as
1445 \beq
1446 iL = iL_1 + iL_2 + iL_{\mathrm{NHC}},
1447 \eeq
1448 where
1449 \bea
1450 iL_1 &=& \sum_{i=1}^N \left[\frac{\pb_i}{m_i}\right]\cdot \frac{\partial}{\partial \rv_i} \nonumber \\
1451 iL_2 &=& \sum_{i=1}^N \F_i\cdot \frac{\partial}{\partial \pb_i} \nonumber \\
1452 iL_{\mathrm{NHC}} &=& \sum_{i=1}^N-\frac{p_{\xi}}{Q}\vv_i\cdot \nabla_{\vv_i} +\frac{p_{\xi}}{Q}\frac{\partial }{\partial \xi} + \left( T - T_0 \right)\frac{\partial }{\partial p_{\xi}}
1453 \eea
1454 For standard velocity Verlet with Nos{\'e}-Hoover temperature control, this becomes
1455 \bea  
1456 \exp(iL\dt) &=& \exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right) \exp\left(iL_2 \dt/2\right) \nonumber \\
1457 &&\exp\left(iL_1 \dt\right) \exp\left(iL_2 \dt/2\right) \exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right) + \mathcal{O}(\Dt^3).
1458 \eea
1459 For half-step-averaged temperature control using {\em md-vv-avek},
1460 this decomposition will not work, since we do not have the full step
1461 temperature until after the second velocity step.  However, we can
1462 construct an alternate decomposition that is still reversible, by
1463 switching the place of the NHC and velocity portions of the
1464 decomposition:
1465 \bea  
1466 \exp(iL\dt) &=& \exp\left(iL_2 \dt/2\right) \exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right)\exp\left(iL_1 \dt\right)\nonumber \\
1467 &&\exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right) \exp\left(iL_2 \dt/2\right)+ \mathcal{O}(\Dt^3)
1468 \label{eq:half_step_NHC_integrator}
1469 \eea
1470 This formalism allows us to easily see the difference between the
1471 different flavors of velocity Verlet integrator.  The leap-frog
1472 integrator can be seen as starting with
1473 Eq.~\ref{eq:half_step_NHC_integrator} just before the $\exp\left(iL_1
1474 \dt\right)$ term, yielding:
1475 \bea  
1476 \exp(iL\dt) &=&  \exp\left(iL_1 \dt\right) \exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right) \nonumber \\
1477 &&\exp\left(iL_2 \dt\right) \exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right) + \mathcal{O}(\Dt^3)
1478 \eea
1479 and then using some algebra tricks to solve for some quantities are
1480 required before they are actually calculated~\cite{Holian95}.
1481
1482 % }
1483
1484 \subsubsection{Group temperature coupling}\index{temperature-coupling group}%
1485 In {\gromacs} temperature coupling can be performed on groups of
1486 atoms, typically a protein and solvent. The reason such algorithms
1487 were introduced is that energy exchange between different components
1488 is not perfect, due to different effects including cut-offs etc. If
1489 now the whole system is coupled to one heat bath, water (which
1490 experiences the largest cut-off noise) will tend to heat up and the
1491 protein will cool down. Typically 100 K differences can be obtained.
1492 With the use of proper electrostatic methods (PME) these difference
1493 are much smaller but still not negligible.  The parameters for
1494 temperature coupling in groups are given in the {\tt mdp} file.
1495 Recent investigation has shown that small temperature differences
1496 between protein and water may actually be an artifact of the way
1497 temperature is calculated when there are finite timesteps, and very
1498 large differences in temperature are likely a sign of something else
1499 seriously going wrong with the system, and should be investigated
1500 carefully~\cite{Eastwood2010}.
1501
1502 One special case should be mentioned: it is possible to temperature-couple only
1503 part of the system, leaving other parts without temperature
1504 coupling. This is done by specifying ${-1}$ for the time constant
1505 $\tau_T$ for the group that should not be thermostatted.  If only
1506 part of the system is thermostatted, the system will still eventually
1507 converge to an NVT system.  In fact, one suggestion for minimizing
1508 errors in the temperature caused by discretized timesteps is that if
1509 constraints on the water are used, then only the water degrees of
1510 freedom should be thermostatted, not protein degrees of freedom, as
1511 the higher frequency modes in the protein can cause larger deviations
1512 from the ``true'' temperature, the temperature obtained with small
1513 timesteps~\cite{Eastwood2010}.
1514
1515 \subsection{Pressure coupling\index{pressure coupling}}
1516 In the same spirit as the temperature coupling, the system can also be
1517 coupled to a ``pressure bath.'' {\gromacs} supports both the Berendsen
1518 algorithm~\cite{Berendsen84} that scales coordinates and box vectors
1519 every step, the extended-ensemble Parrinello-Rahman approach~\cite{Parrinello81,Nose83}, and for
1520 the velocity Verlet variants, the Martyna-Tuckerman-Tobias-Klein
1521 (MTTK) implementation of pressure
1522 control~\cite{Martyna1996}. Parrinello-Rahman and Berendsen can be
1523 combined with any of the temperature coupling methods above. MTTK can
1524 only be used with Nos{\'e}-Hoover temperature control. From 5.1 afterwards,
1525 it can only used when the system does not have constraints.
1526
1527 \subsubsection{Berendsen pressure coupling\pawsindexquiet{Berendsen}{pressure coupling}\index{weak coupling}}
1528 \label{sec:berendsen_pressure_coupling}
1529 The Berendsen algorithm rescales the 
1530 coordinates and box vectors every step, or every $n_\mathrm{PC}$ steps,
1531  with a matrix {\boldmath $\mu$},
1532 which has the effect of a first-order kinetic relaxation of the pressure
1533 towards a given reference pressure ${\bf P}_0$ according to
1534 \beq
1535 \frac{\de {\bf P}}{\de t} = \frac{{\bf P}_0-{\bf P}}{\tau_p}.
1536 \eeq
1537 The scaling matrix {\boldmath $\mu$} is given by
1538 \beq
1539 \mu_{ij}
1540 = \delta_{ij} - \frac{n_\mathrm{PC}\Delta t}{3\, \tau_p} \beta_{ij} \{P_{0ij} - P_{ij}(t) \}.
1541 \label{eqn:mu}
1542 \eeq
1543 \index{isothermal compressibility}
1544 \index{compressibility}
1545 Here, {\boldmath $\beta$} is the isothermal compressibility of the system.
1546 In most cases this will be a diagonal matrix, with equal elements on the
1547 diagonal, the value of which is generally not known.
1548 It suffices to take a rough estimate because the value of {\boldmath $\beta$}
1549 only influences the non-critical time constant of the
1550 pressure relaxation without affecting the average pressure itself.
1551 For water at 1 atm and 300 K 
1552 $\beta = 4.6 \times 10^{-10}$ Pa$^{-1} = 4.6 \times 10^{-5}$ bar$^{-1}$,
1553 which is $7.6 \times 10^{-4}$ MD units (see \chref{defunits}).
1554 Most other liquids have similar values.
1555 When scaling completely anisotropically, the system has to be rotated in
1556 order to obey \eqnref{box_rot}.
1557 This rotation is approximated in first order in the scaling, which is usually
1558 less than $10^{-4}$. The actual scaling matrix {\boldmath $\mu'$} is
1559 \beq
1560 \mbox{\boldmath $\mu'$} = 
1561 \left(\begin{array}{ccc}
1562 \mu_{xx} & \mu_{xy} + \mu_{yx} & \mu_{xz} + \mu_{zx} \\
1563 0        & \mu_{yy}            & \mu_{yz} + \mu_{zy} \\
1564 0        & 0                   & \mu_{zz}
1565 \end{array}\right).
1566 \eeq
1567 The velocities are neither scaled nor rotated.
1568
1569 In {\gromacs}, the Berendsen scaling can also be done isotropically, 
1570 which means that instead of $\ve{P}$ a diagonal matrix with elements of size
1571 trace$(\ve{P})/3$ is used. For systems with interfaces, semi-isotropic 
1572 scaling can be useful.
1573 In this case, the $x/y$-directions are scaled isotropically and the $z$
1574 direction is scaled independently. The compressibility in the $x/y$ or
1575 $z$-direction can be set to zero, to scale only in the other direction(s).
1576
1577 If you allow full anisotropic deformations and use constraints you
1578 might have to scale more slowly or decrease your timestep to avoid
1579 errors from the constraint algorithms.  It is important to note that
1580 although the Berendsen pressure control algorithm yields a simulation
1581 with the correct average pressure, it does not yield the exact NPT
1582 ensemble, and it is not yet clear exactly what errors this approximation
1583 may yield.
1584
1585 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
1586 \subsubsection{Parrinello-Rahman pressure coupling\pawsindexquiet{Parrinello-Rahman}{pressure coupling}}
1587
1588 In cases where the fluctuations in pressure or volume are important
1589 {\em per se} ({\eg} to calculate thermodynamic properties), especially
1590 for small systems, it may be a problem that the exact ensemble is not
1591 well defined for the weak-coupling scheme, and that it does not
1592 simulate the true NPT ensemble.
1593
1594 {\gromacs} also supports constant-pressure simulations using the
1595 Parrinello-Rahman approach~\cite{Parrinello81,Nose83}, which is similar
1596 to the Nos{\'e}-Hoover temperature coupling, and in theory gives the
1597 true NPT ensemble.  With the Parrinello-Rahman barostat, the box
1598 vectors as represented by the matrix \ve{b} obey the matrix equation
1599 of motion\footnote{The box matrix representation \ve{b} in {\gromacs}
1600 corresponds to the transpose of the box matrix representation \ve{h}
1601 in the paper by Nos{\'e} and Klein. Because of this, some of our
1602 equations will look slightly different.}
1603 \beq
1604 \frac{\de \ve{b}^2}{\de t^2}= V \ve{W}^{-1} \ve{b}'^{-1} \left( \ve{P} - \ve{P}_{ref}\right).
1605 \eeq
1606
1607 The volume of the box is denoted $V$, and $\ve{W}$ is a matrix parameter that determines
1608 the strength of the coupling. The matrices \ve{P} and \ve{P}$_{ref}$ are the 
1609 current and reference pressures, respectively.
1610
1611 The equations of motion for the particles are also changed, just as
1612 for the Nos{\'e}-Hoover coupling. In most cases you would combine the 
1613 Parrinello-Rahman barostat with the Nos{\'e}-Hoover
1614 thermostat, but to keep it simple we only show the Parrinello-Rahman 
1615 modification here:
1616
1617 \bea \frac {\de^2\ve{r}_i}{\de t^2} & = & \frac{\ve{F}_i}{m_i} -
1618 \ve{M} \frac{\de \ve{r}_i}{\de t} , \\ \ve{M} & = & \ve{b}^{-1} \left[
1619   \ve{b} \frac{\de \ve{b}'}{\de t} + \frac{\de \ve{b}}{\de t} \ve{b}'
1620   \right] \ve{b}'^{-1}.  \eea The (inverse) mass parameter matrix
1621 $\ve{W}^{-1}$ determines the strength of the coupling, and how the box
1622 can be deformed.  The box restriction (\ref{eqn:box_rot}) will be
1623 fulfilled automatically if the corresponding elements of $\ve{W}^{-1}$
1624 are zero. Since the coupling strength also depends on the size of your
1625 box, we prefer to calculate it automatically in {\gromacs}.  You only
1626 have to provide the approximate isothermal compressibilities
1627 {\boldmath $\beta$} and the pressure time constant $\tau_p$ in the
1628 input file ($L$ is the largest box matrix element): \beq \left(
1629 \ve{W}^{-1} \right)_{ij} = \frac{4 \pi^2 \beta_{ij}}{3 \tau_p^2 L}.
1630 \eeq Just as for the Nos{\'e}-Hoover thermostat, you should realize
1631 that the Parrinello-Rahman time constant is {\em not} equivalent to
1632 the relaxation time used in the Berendsen pressure coupling algorithm.
1633 In most cases you will need to use a 4--5 times larger time constant
1634 with Parrinello-Rahman coupling. If your pressure is very far from
1635 equilibrium, the Parrinello-Rahman coupling may result in very large
1636 box oscillations that could even crash your run.  In that case you
1637 would have to increase the time constant, or (better) use the weak-coupling
1638 scheme to reach the target pressure, and then switch to
1639 Parrinello-Rahman coupling once the system is in equilibrium.
1640 Additionally, using the leap-frog algorithm, the pressure at time $t$
1641 is not available until after the time step has completed, and so the
1642 pressure from the previous step must be used, which makes the algorithm
1643 not directly reversible, and may not be appropriate for high precision
1644 thermodynamic calculations.
1645
1646 \subsubsection{Surface-tension coupling\pawsindexquiet{surface-tension}{pressure coupling}}
1647 When a periodic system consists of more than one phase, separated by
1648 surfaces which are parallel to the $xy$-plane,
1649 the surface tension and the $z$-component of the pressure can be coupled
1650 to a pressure bath. Presently, this only works with the Berendsen
1651 pressure coupling algorithm in {\gromacs}.
1652 The average surface tension $\gamma(t)$ can be calculated from
1653 the difference between the normal and the lateral pressure
1654 \bea
1655 \gamma(t) & = & 
1656 \frac{1}{n} \int_0^{L_z}
1657 \left\{ P_{zz}(z,t) - \frac{P_{xx}(z,t) + P_{yy}(z,t)}{2} \right\} \mbox{d}z \\
1658 & = &
1659 \frac{L_z}{n} \left\{ P_{zz}(t) - \frac{P_{xx}(t) + P_{yy}(t)}{2} \right\},
1660 \eea
1661 where $L_z$ is the height of the box and $n$ is the number of surfaces.
1662 The pressure in the z-direction is corrected by scaling the height of
1663 the box with $\mu_{zz}$
1664 \beq
1665 \Delta P_{zz} = \frac{\Delta t}{\tau_p} \{ P_{0zz} - P_{zz}(t) \}
1666 \eeq
1667 \beq
1668 \mu_{zz} = 1 + \beta_{zz} \Delta P_{zz}
1669 \eeq
1670 This is similar to normal pressure coupling, except that the factor
1671 of $1/3$ is missing. 
1672 The pressure correction in the $z$-direction is then used to get the
1673 correct convergence for the surface tension to the reference value $\gamma_0$.
1674 The correction factor for the box length in the $x$/$y$-direction is
1675 \beq
1676 \mu_{x/y} = 1 + \frac{\Delta t}{2\,\tau_p} \beta_{x/y}
1677         \left( \frac{n \gamma_0}{\mu_{zz} L_z}
1678         - \left\{ P_{zz}(t)+\Delta P_{zz} - \frac{P_{xx}(t) + P_{yy}(t)}{2} \right\} 
1679         \right)
1680 \eeq
1681 The value of $\beta_{zz}$ is more critical than with normal pressure
1682 coupling. Normally an incorrect compressibility will just scale $\tau_p$,
1683 but with surface tension coupling it affects the convergence of the surface
1684 tension. 
1685 When $\beta_{zz}$ is set to zero (constant box height), $\Delta P_{zz}$ is also set
1686 to zero, which is necessary for obtaining the correct surface tension. 
1687
1688 \subsubsection{MTTK pressure control algorithms}
1689
1690 As mentioned in the previous section, one weakness of leap-frog
1691 integration is in constant pressure simulations, since the pressure
1692 requires a calculation of both the virial and the kinetic energy at
1693 the full time step; for leap-frog, this information is not available
1694 until {\em after} the full timestep.  Velocity Verlet does allow the
1695 calculation, at the cost of an extra round of global communication,
1696 and can compute, mod any integration errors, the true NPT ensemble.
1697
1698 The full equations, combining both pressure coupling and temperature
1699 coupling, are taken from Martyna {\em et al.}~\cite{Martyna1996} and
1700 Tuckerman~\cite{Tuckerman2006} and are referred to here as MTTK
1701 equations (Martyna-Tuckerman-Tobias-Klein).  We introduce for
1702 convenience $\epsilon = (1/3)\ln (V/V_0)$, where $V_0$ is a reference
1703 volume.  The momentum of $\epsilon$ is $\veps = p_{\epsilon}/W =
1704 \dot{\epsilon} = \dot{V}/3V$, and define $\alpha = 1 + 3/N_{dof}$ (see
1705 Ref~\cite{Tuckerman2006})
1706
1707 The isobaric equations are
1708 \bea
1709 \dot{\rv}_i &=& \frac{\pb_i}{m_i} + \frac{\peps}{W} \rv_i \nonumber \\
1710 \frac{\dot{\pb}_i}{m_i} &=& \frac{1}{m_i}\F_i - \alpha\frac{\peps}{W} \frac{\pb_i}{m_i} \nonumber \\
1711 \dot{\epsilon} &=& \frac{\peps}{W} \nonumber \\
1712 \frac{\dot{\peps}}{W} &=& \frac{3V}{W}(P_{\mathrm{int}} - P) + (\alpha-1)\left(\sum_{n=1}^N\frac{\pb_i^2}{m_i}\right),\\
1713 \eea
1714 where
1715 \bea
1716 P_{\mathrm{int}} &=& P_{\mathrm{kin}} -P_{\mathrm{vir}} = \frac{1}{3V}\left[\sum_{i=1}^N \left(\frac{\pb_i^2}{2m_i} - \rv_i \cdot \F_i\
1717 \right)\right].
1718 \eea
1719 The terms including $\alpha$ are required to make phase space
1720 incompressible~\cite{Tuckerman2006}. The $\epsilon$ acceleration term
1721 can be rewritten as
1722 \bea
1723 \frac{\dot{\peps}}{W} &=& \frac{3V}{W}\left(\alpha P_{\mathrm{kin}} - P_{\mathrm{vir}} - P\right)
1724 \eea
1725 In terms of velocities, these equations become
1726 \bea
1727 \dot{\rv}_i &=& \vv_i + \veps \rv_i \nonumber \\
1728 \dot{\vv}_i &=& \frac{1}{m_i}\F_i - \alpha\veps \vv_i \nonumber \\
1729 \dot{\epsilon} &=& \veps \nonumber \\
1730 \dot{\veps} &=& \frac{3V}{W}(P_{\mathrm{int}} - P) + (\alpha-1)\left( \sum_{n=1}^N \frac{1}{2} m_i \vv_i^2\right)\nonumber \\
1731 P_{\mathrm{int}} &=& P_{\mathrm{kin}} - P_{\mathrm{vir}} = \frac{1}{3V}\left[\sum_{i=1}^N \left(\frac{1}{2} m_i\vv_i^2 - \rv_i \cdot \F_i\right)\right]
1732 \eea
1733 For these equations, the conserved quantity is
1734 \bea
1735 H = \sum_{i=1}^{N} \frac{\pb_i^2}{2m_i} + U\left(\rv_1,\rv_2,\ldots,\rv_N\right) + \frac{p_\epsilon}{2W} + PV
1736 \eea
1737 The next step is to add temperature control.  Adding Nos{\'e}-Hoover
1738 chains, including to the barostat degree of freedom, where we use
1739 $\eta$ for the barostat Nos{\'e}-Hoover variables, and $Q^{\prime}$
1740 for the coupling constants of the thermostats of the barostats, we get
1741 \bea
1742 \dot{\rv}_i &=& \frac{\pb_i}{m_i} + \frac{\peps}{W} \rv_i \nonumber \\
1743 \frac{\dot{\pb}_i}{m_i} &=& \frac{1}{m_i}\F_i - \alpha\frac{\peps}{W} \frac{\pb_i}{m_i} - \frac{p_{\xi_1}}{Q_1}\frac{\pb_i}{m_i}\nonumber \\
1744 \dot{\epsilon} &=& \frac{\peps}{W} \nonumber \\
1745 \frac{\dot{\peps}}{W} &=& \frac{3V}{W}(\alpha P_{\mathrm{kin}} - P_{\mathrm{vir}} - P) -\frac{p_{\eta_1}}{Q^{\prime}_1}\peps \nonumber \\
1746 \dot{\xi}_k &=& \frac{p_{\xi_k}}{Q_k} \nonumber \\ 
1747 \dot{\eta}_k &=& \frac{p_{\eta_k}}{Q^{\prime}_k} \nonumber \\
1748 \dot{p}_{\xi_k} &=& G_k - \frac{p_{\xi_{k+1}}}{Q_{k+1}} \;\;\;\; k=1,\ldots, M-1 \nonumber \\ 
1749 \dot{p}_{\eta_k} &=& G^\prime_k - \frac{p_{\eta_{k+1}}}{Q^\prime_{k+1}} \;\;\;\; k=1,\ldots, M-1 \nonumber \\
1750 \dot{p}_{\xi_M} &=& G_M \nonumber \\
1751 \dot{p}_{\eta_M} &=& G^\prime_M, \nonumber \\
1752 \eea
1753 where
1754 \bea
1755 P_{\mathrm{int}} &=& P_{\mathrm{kin}} - P_{\mathrm{vir}} = \frac{1}{3V}\left[\sum_{i=1}^N \left(\frac{\pb_i^2}{2m_i} - \rv_i \cdot \F_i\right)\right] \nonumber \\
1756 G_1  &=& \sum_{i=1}^N \frac{\pb^2_i}{m_i} - N_f kT \nonumber \\
1757 G_k  &=&  \frac{p^2_{\xi_{k-1}}}{2Q_{k-1}} - kT \;\; k = 2,\ldots,M \nonumber \\
1758 G^\prime_1 &=& \frac{\peps^2}{2W} - kT \nonumber \\
1759 G^\prime_k &=& \frac{p^2_{\eta_{k-1}}}{2Q^\prime_{k-1}} - kT \;\; k = 2,\ldots,M
1760 \eea
1761 The conserved quantity is now
1762 \bea
1763 H = \sum_{i=1}^{N} \frac{\pb_i}{2m_i} + U\left(\rv_1,\rv_2,\ldots,\rv_N\right) + \frac{p^2_\epsilon}{2W} + PV + \nonumber \\
1764 \sum_{k=1}^M\frac{p^2_{\xi_k}}{2Q_k} +\sum_{k=1}^M\frac{p^2_{\eta_k}}{2Q^{\prime}_k} + N_fkT\xi_1 +  kT\sum_{i=2}^M \xi_k + kT\sum_{k=1}^M \eta_k
1765 \eea
1766 Returning to the Trotter decomposition formalism, for pressure control and temperature control~\cite{Martyna1996} we get:
1767 \bea
1768 iL = iL_1 + iL_2 + iL_{\epsilon,1} + iL_{\epsilon,2} + iL_{\mathrm{NHC-baro}} + iL_{\mathrm{NHC}}
1769 \eea
1770 where ``NHC-baro'' corresponds to the Nos{\`e}-Hoover chain of the barostat,
1771 and NHC corresponds to the NHC of the particles,
1772 \bea
1773 iL_1 &=& \sum_{i=1}^N \left[\frac{\pb_i}{m_i} + \frac{\peps}{W}\rv_i\right]\cdot \frac{\partial}{\partial \rv_i} \\
1774 iL_2 &=& \sum_{i=1}^N \F_i - \alpha \frac{\peps}{W}\pb_i \cdot \frac{\partial}{\partial \pb_i} \\
1775 iL_{\epsilon,1} &=& \frac{p_\epsilon}{W} \frac{\partial}{\partial \epsilon}\\
1776 iL_{\epsilon,2} &=& G_{\epsilon} \frac{\partial}{\partial p_\epsilon}
1777 \eea
1778 and where
1779 \bea
1780 G_{\epsilon} = 3V\left(\alpha P_{\mathrm{kin}} - P_{\mathrm{vir}} - P\right)
1781 \eea 
1782 Using the Trotter decomposition, we get
1783 \bea  
1784 \exp(iL\dt) &=& \exp\left(iL_{\mathrm{NHC-baro}}\dt/2\right)\exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right) \nonumber \nonumber \\
1785 &&\exp\left(iL_{\epsilon,2}\dt/2\right) \exp\left(iL_2 \dt/2\right) \nonumber \nonumber \\
1786 &&\exp\left(iL_{\epsilon,1}\dt\right) \exp\left(iL_1 \dt\right) \nonumber \nonumber \\
1787 &&\exp\left(iL_2 \dt/2\right) \exp\left(iL_{\epsilon,2}\dt/2\right) \nonumber \nonumber \\
1788 &&\exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right)\exp\left(iL_{\mathrm{NHC-baro}}\dt/2\right) + \mathcal{O}(\dt^3)
1789 \eea
1790 The action of $\exp\left(iL_1 \dt\right)$ comes from the solution of
1791 the the differential equation 
1792 $\dot{\rv}_i = \vv_i + \veps \rv_i$
1793 with $\vv_i = \pb_i/m_i$ and $\veps$ constant with initial condition
1794 $\rv_i(0)$, evaluate at $t=\Delta t$.  This yields the evolution
1795 \beq
1796 \rv_i(\dt) = \rv_i(0)e^{\veps \dt} + \Delta t \vv_i(0) e^{\veps \dt/2} \sinhx{\veps \dt/2}.
1797 \eeq
1798 The action of $\exp\left(iL_2 \dt/2\right)$ comes from the solution
1799 of the differential equation $\dot{\vv}_i = \frac{\F_i}{m_i} -
1800 \alpha\veps\vv_i$, yielding
1801 \beq
1802 \vv_i(\dt/2) = \vv_i(0)e^{-\alpha\veps \dt/2} + \frac{\Delta t}{2m_i}\F_i(0) e^{-\alpha\veps \dt/4}\sinhx{\alpha\veps \dt/4}.
1803 \eeq
1804 {\em md-vv-avek} uses the full step kinetic energies for determining the pressure with the pressure control,
1805 but the half-step-averaged kinetic energy for the temperatures, which can be written as a Trotter decomposition as
1806 \bea  
1807 \exp(iL\dt) &=& \exp\left(iL_{\mathrm{NHC-baro}}\dt/2\right)\nonumber \exp\left(iL_{\epsilon,2}\dt/2\right) \exp\left(iL_2 \dt/2\right) \nonumber \\
1808 &&\exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right) \exp\left(iL_{\epsilon,1}\dt\right) \exp\left(iL_1 \dt\right) \exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right) \nonumber \\
1809 &&\exp\left(iL_2 \dt/2\right) \exp\left(iL_{\epsilon,2}\dt/2\right) \exp\left(iL_{\mathrm{NHC-baro}}\dt/2\right) + \mathcal{O}(\dt^3)
1810 \eea
1811
1812 With constraints, the equations become significantly more complicated,
1813 in that each of these equations need to be solved iteratively for the
1814 constraint forces. Previous to Gromacs 5.1, these iterative
1815 constraints were solved as described in~\cite{Yu2010}. From Gromacs
1816 5.1 onward, MTTK with constraints has been removed because of
1817 numerical stability issues with the iterations.
1818
1819 \subsubsection{Infrequent evaluation of temperature and pressure coupling}
1820
1821 Temperature and pressure control require global communication to
1822 compute the kinetic energy and virial, which can become costly if
1823 performed every step for large systems.  We can rearrange the Trotter
1824 decomposition to give alternate symplectic, reversible integrator with
1825 the coupling steps every $n$ steps instead of every steps.  These new
1826 integrators will diverge if the coupling time step is too large, as
1827 the auxiliary variable integrations will not converge.  However, in
1828 most cases, long coupling times are more appropriate, as they disturb
1829 the dynamics less~\cite{Martyna1996}.
1830
1831 Standard velocity Verlet with Nos{\'e}-Hoover temperature control has a Trotter expansion
1832 \bea  
1833 \exp(iL\dt) &\approx& \exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right) \exp\left(iL_2 \dt/2\right) \nonumber \\
1834 &&\exp\left(iL_1 \dt\right) \exp\left(iL_2 \dt/2\right) \exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}\dt/2\right).
1835 \eea
1836 If the Nos{\'e}-Hoover chain is sufficiently slow with respect to the motions of the system, we can
1837 write an alternate integrator over $n$ steps for velocity Verlet as
1838 \bea  
1839 \exp(iL\dt) &\approx& (\exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}(n\dt/2)\right)\left[\exp\left(iL_2 \dt/2\right)\right. \nonumber \\
1840 &&\left.\exp\left(iL_1 \dt\right) \exp\left(iL_2 \dt/2\right)\right]^n \exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}(n\dt/2)\right).
1841 \eea
1842 For pressure control, this becomes
1843 \bea  
1844 \exp(iL\dt) &\approx& \exp\left(iL_{\mathrm{NHC-baro}}(n\dt/2)\right)\exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}(n\dt/2)\right) \nonumber \nonumber \\
1845 &&\exp\left(iL_{\epsilon,2}(n\dt/2)\right) \left[\exp\left(iL_2 \dt/2\right)\right. \nonumber \nonumber \\
1846 &&\exp\left(iL_{\epsilon,1}\dt\right) \exp\left(iL_1 \dt\right) \nonumber \nonumber \\
1847 &&\left.\exp\left(iL_2 \dt/2\right)\right]^n \exp\left(iL_{\epsilon,2}(n\dt/2)\right) \nonumber \nonumber \\
1848 &&\exp\left(iL_{\mathrm{NHC}}(n\dt/2)\right)\exp\left(iL_{\mathrm{NHC-baro}}(n\dt/2)\right),
1849 \eea
1850 where the box volume integration occurs every step, but the auxiliary variable
1851 integrations happen every $n$ steps.
1852
1853 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
1854
1855
1856 \subsection{The complete update algorithm}
1857 \begin{figure}
1858 \begin{center}
1859 \addtolength{\fboxsep}{0.5cm}
1860 \begin{shadowenv}[12cm]
1861 {\large \bf THE UPDATE ALGORITHM}
1862 \rule{\textwidth}{2pt} \\
1863 Given:\\
1864 Positions $\ve{r}$ of all atoms at time $t$ \\
1865 Velocities $\ve{v}$ of all atoms at time $t-\hDt$ \\
1866 Accelerations $\ve{F}/m$ on all atoms at time $t$.\\
1867 (Forces are computed disregarding any constraints)\\
1868 Total kinetic energy and virial at $t-\Dt$\\
1869 $\Downarrow$ \\
1870 {\bf 1.} Compute the scaling factors $\lambda$ and $\mu$\\
1871 according to \eqnsref{lambda}{mu}\\   
1872 $\Downarrow$ \\
1873 {\bf 2.} Update and scale velocities: $\ve{v}' =  \lambda (\ve{v} +
1874 \ve{a} \Delta t)$ \\
1875 $\Downarrow$ \\
1876 {\bf 3.} Compute new unconstrained coordinates: $\ve{r}' = \ve{r} + \ve{v}'
1877 \Delta t$ \\
1878 $\Downarrow$ \\
1879 {\bf 4.} Apply constraint algorithm to coordinates: constrain($\ve{r}^{'} \rightarrow  \ve{r}'';
1880 \,  \ve{r}$) \\
1881 $\Downarrow$ \\
1882 {\bf 5.} Correct velocities for constraints: $\ve{v} = (\ve{r}'' -
1883 \ve{r}) / \Delta t$ \\
1884 $\Downarrow$ \\
1885 {\bf 6.} Scale coordinates and box: $\ve{r} = \mu \ve{r}''; \ve{b} =
1886 \mu  \ve{b}$ \\
1887 \end{shadowenv}
1888 \caption{The MD update algorithm with the leap-frog integrator}
1889 \label{fig:complete-update}
1890 \end{center}
1891 \end{figure}
1892 The complete algorithm for the update of velocities and coordinates is
1893 given using leap-frog in \figref{complete-update}. The SHAKE algorithm of step
1894 4 is explained below. 
1895
1896 {\gromacs} has a provision to ``freeze''  (prevent motion of) selected
1897 particles\index{frozen atoms}, which must be defined as a ``\swapindex{freeze}{group}.'' This is implemented
1898 using a {\em freeze factor $\ve{f}_g$}, which is a vector, and differs for each
1899 freeze group (see \secref{groupconcept}). This vector contains only
1900 zero (freeze) or one (don't freeze).
1901 When we take this freeze factor and the external acceleration $\ve{a}_h$ into 
1902 account the update algorithm for the velocities becomes
1903 \beq
1904 \ve{v}(t+\hdt)~=~\ve{f}_g * \lambda * \left[ \ve{v}(t-\hdt) +\frac{\ve{F}(t)}{m}\Delta t + \ve{a}_h \Delta t \right],
1905 \eeq
1906 where $g$ and $h$ are group indices which differ per atom.
1907
1908 \subsection{Output step}
1909 The most important output of the MD run is the {\em
1910 \swapindex{trajectory}{file}}, which contains particle coordinates
1911 and (optionally) velocities at regular intervals.
1912 The trajectory file contains frames that could include positions,
1913 velocities and/or forces, as well as information about the dimensions
1914 of the simulation volume, integration step, integration time, etc. The
1915 interpretation of the time varies with the integrator chosen, as
1916 described above. For Velocity Verlet integrators, velocities labeled
1917 at time $t$ are for that time. For other integrators (e.g. leap-frog,
1918 stochastic dynamics), the velocities labeled at time $t$ are for time
1919 $t - \hDt$.
1920
1921 Since the trajectory
1922 files are lengthy, one should not save every step! To retain all
1923 information it suffices to write a frame every 15 steps, since at
1924 least 30 steps are made per period of the highest frequency in the
1925 system, and Shannon's \normindex{sampling} theorem states that two samples per
1926 period of the highest frequency in a band-limited signal contain all
1927 available information. But that still gives very long files! So, if
1928 the highest frequencies are not of interest, 10 or 20 samples per ps
1929 may suffice. Be aware of the distortion of high-frequency motions by
1930 the {\em stroboscopic effect}, called {\em aliasing}: higher frequencies
1931 are  mirrored with respect to the sampling frequency and appear as
1932 lower frequencies.
1933
1934 {\gromacs} can also write reduced-precision coordinates for a subset of
1935 the simulation system to a special compressed trajectory file
1936 format. All the other tools can read and write this format. See
1937 the User Guide for details on how to set up your {\tt .mdp} file
1938 to have {\tt mdrun} use this feature.
1939
1940 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
1941 \section{Shell molecular dynamics}
1942 {\gromacs} can simulate \normindex{polarizability} using the 
1943 \normindex{shell model} of Dick and Overhauser~\cite{Dick58}. In such models
1944 a shell particle representing the electronic degrees of freedom is
1945 attached to a nucleus by a spring. The potential energy is minimized with
1946 respect to the shell position  at every step of the simulation (see below).
1947 Successful applications of shell models in {\gromacs} have been published
1948 for $N_2$~\cite{Jordan95} and water~\cite{Maaren2001a}.
1949
1950 \subsection{Optimization of the shell positions}
1951 The force \ve{F}$_S$ on a shell particle $S$ can be decomposed into two
1952 components
1953 \begin{equation}
1954 \ve{F}_S ~=~ \ve{F}_{bond} + \ve{F}_{nb}
1955 \end{equation}
1956 where \ve{F}$_{bond}$ denotes the component representing the
1957 polarization energy, usually represented by a harmonic potential and
1958 \ve{F}$_{nb}$ is the sum of Coulomb and van der Waals interactions. If we
1959 assume that \ve{F}$_{nb}$ is almost constant we can analytically derive the
1960 optimal position of the shell, i.e. where \ve{F}$_S$ = 0. If we have the
1961 shell S connected to atom A we have
1962 \begin{equation}
1963 \ve{F}_{bond} ~=~ k_b \left( \ve{x}_S - \ve{x}_A\right).
1964 \end{equation}
1965 In an iterative solver, we have positions \ve{x}$_S(n)$ where $n$ is
1966 the iteration count. We now have at iteration $n$
1967 \begin{equation}
1968 \ve{F}_{nb} ~=~ \ve{F}_S - k_b \left( \ve{x}_S(n) - \ve{x}_A\right)
1969 \end{equation}
1970 and the optimal position for the shells $x_S(n+1)$ thus follows from
1971 \begin{equation}
1972 \ve{F}_S - k_b \left( \ve{x}_S(n) - \ve{x}_A\right) + k_b \left( \ve{x}_S(n+1) - \ve{x}_A\right) = 0
1973 \end{equation}
1974 if we write
1975 \begin{equation}
1976 \Delta \ve{x}_S = \ve{x}_S(n+1) - \ve{x}_S(n)
1977 \end{equation}
1978 we finally obtain
1979 \begin{equation}
1980 \Delta \ve{x}_S = \ve{F}_S/k_b
1981 \end{equation}
1982 which then yields the algorithm to compute the next trial in the optimization
1983 of shell positions
1984 \begin{equation}
1985 \ve{x}_S(n+1) ~=~ \ve{x}_S(n) + \ve{F}_S/k_b.
1986 \end{equation}
1987 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
1988
1989 \section{Constraint algorithms\index{constraint algorithms}}
1990 Constraints can be imposed in {\gromacs} using LINCS (default) or
1991 the traditional SHAKE method.
1992
1993 \subsection{\normindex{SHAKE}}
1994 \label{subsec:SHAKE}
1995 The SHAKE~\cite{Ryckaert77} algorithm changes a set of unconstrained
1996 coordinates $\ve{r}^{'}$ to a set of coordinates $\ve{r}''$ that
1997 fulfill a  list of distance constraints, using a set $\ve{r}$
1998 reference, as
1999 \beq
2000 {\rm SHAKE}(\ve{r}^{'} \rightarrow \ve{r}'';\, \ve{r})
2001 \eeq
2002 This action is consistent with solving a set of Lagrange multipliers
2003 in the constrained equations of motion. SHAKE needs a {\em relative tolerance};
2004 it will continue until all constraints are satisfied within
2005 that relative tolerance. An error message is
2006 given if SHAKE cannot reset the coordinates because the deviation is
2007 too large, or if a given number of iterations is surpassed. 
2008
2009 Assume the equations of motion must fulfill $K$ holonomic constraints,
2010 expressed as
2011 \beq
2012 \sigma_k(\ve{r}_1 \ldots \ve{r}_N) = 0; \;\; k=1 \ldots K.
2013 \eeq
2014 For example, $(\ve{r}_1 - \ve{r}_2)^2 - b^2 = 0$.
2015 Then the forces are defined as
2016 \beq
2017 - \frac{\partial}{\partial \ve{r}_i} \left( V + \sum_{k=1}^K \lambda_k
2018 \sigma_k \right),
2019 \eeq
2020 where $\lambda_k$ are Lagrange multipliers which must be solved to
2021 fulfill the constraint equations. The second part of this sum
2022 determines the {\em constraint forces} $\ve{G}_i$, defined by
2023 \beq
2024 \ve{G}_i = -\sum_{k=1}^K \lambda_k \frac{\partial \sigma_k}{\partial
2025 \ve{r}_i}
2026 \eeq
2027 The displacement due to the constraint forces in the leap-frog or
2028 Verlet algorithm is equal to $(\ve{G}_i/m_i)(\Dt)^2$. Solving the
2029 Lagrange multipliers (and hence the displacements) requires the
2030 solution of a set of coupled equations of the second degree. These are
2031 solved iteratively by SHAKE.
2032 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
2033 \label{subsec:SETTLE}
2034 For the special case of rigid water molecules, that often make up more
2035 than 80\% of the simulation system we have implemented the 
2036 \normindex{SETTLE}
2037 algorithm~\cite{Miyamoto92} (\secref{constraints}).
2038
2039 For velocity Verlet, an additional round of constraining must be
2040 done, to constrain the velocities of the second velocity half step,
2041 removing any component of the velocity parallel to the bond vector.
2042 This step is called RATTLE, and is covered in more detail in the
2043 original Andersen paper~\cite{Andersen1983a}.
2044
2045 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
2046
2047
2048
2049
2050 \newcommand{\fs}[1]{\begin{equation} \label{eqn:#1}}
2051 \newcommand{\fe}{\end{equation}}
2052 \newcommand{\p}{\partial}
2053 \newcommand{\Bm}{\ve{B}}
2054 \newcommand{\M}{\ve{M}}
2055 \newcommand{\iM}{\M^{-1}}
2056 \newcommand{\Tm}{\ve{T}}
2057 \newcommand{\Sm}{\ve{S}}
2058 \newcommand{\fo}{\ve{f}}
2059 \newcommand{\con}{\ve{g}}
2060 \newcommand{\lenc}{\ve{d}}
2061
2062 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
2063 \subsection{\normindex{LINCS}}
2064 \label{subsec:lincs}
2065
2066 \subsubsection{The LINCS algorithm}
2067 LINCS is an algorithm that resets bonds to their correct lengths
2068 after an unconstrained update~\cite{Hess97}. 
2069 The method is non-iterative, as it always uses two steps.
2070 Although LINCS is based on matrices, no matrix-matrix multiplications are 
2071 needed. The method is more stable and faster than SHAKE, 
2072 but it can only be used with bond constraints and 
2073 isolated angle constraints, such as the proton angle in OH. 
2074 Because of its stability, LINCS is especially useful for Brownian dynamics. 
2075 LINCS has two parameters, which are explained in the subsection parameters.
2076 The parallel version of LINCS, P-LINCS, is described
2077 in subsection \ssecref{plincs}.
2078  
2079 \subsubsection{The LINCS formulas}
2080 We consider a system of $N$ particles, with positions given by a
2081 $3N$ vector $\ve{r}(t)$.
2082 For molecular dynamics the equations of motion are given by Newton's Law
2083 \fs{c1}
2084 {\de^2 \ve{r} \over \de t^2} = \iM \ve{F},
2085 \fe
2086 where $\ve{F}$ is the $3N$ force vector 
2087 and $\M$ is a $3N \times 3N$ diagonal matrix,
2088 containing the masses of the particles.
2089 The system is constrained by $K$ time-independent constraint equations
2090 \fs{c2}
2091 g_i(\ve{r}) = | \ve{r}_{i_1}-\ve{r}_{i_2} | - d_i = 0 ~~~~~~i=1,\ldots,K.
2092 \fe
2093
2094 In a numerical integration scheme, LINCS is applied after an
2095 unconstrained update, just like SHAKE. The algorithm works in two
2096 steps (see figure \figref{lincs}). In the first step, the projections
2097 of the new bonds on the old bonds are set to zero. In the second step,
2098 a correction is applied for the lengthening of the bonds due to
2099 rotation. The numerics for the first step and the second step are very
2100 similar. A complete derivation of the algorithm can be found in
2101 \cite{Hess97}. Only a short description of the first step is given
2102 here.
2103
2104 \begin{figure}
2105 \centerline{\includegraphics[height=50mm]{plots/lincs}}
2106 \caption[The three position updates needed for one time step.]{The
2107 three position updates needed for one time step. The dashed line is
2108 the old bond of length $d$, the solid lines are the new bonds. $l=d
2109 \cos \theta$ and $p=(2 d^2 - l^2)^{1 \over 2}$.}
2110 \label{fig:lincs}
2111 \end{figure}
2112
2113 A new notation is introduced for the gradient matrix of the constraint 
2114 equations which appears on the right hand side of this equation:
2115 \fs{c3}
2116 B_{hi} = {\p g_h \over \p r_i}
2117 \fe
2118 Notice that $\Bm$ is a $K \times 3N$ matrix, it contains the directions
2119 of the constraints.
2120 The following equation shows how the new constrained coordinates 
2121 $\ve{r}_{n+1}$ are related to the unconstrained coordinates
2122 $\ve{r}_{n+1}^{unc}$ by
2123 \fs{m0}
2124 \begin{array}{c}
2125   \ve{r}_{n+1}=(\ve{I}-\Tm_n \ve{B}_n) \ve{r}_{n+1}^{unc} + \Tm_n \lenc=  
2126   \\[2mm]
2127   \ve{r}_{n+1}^{unc} - 
2128 \iM \Bm_n (\Bm_n \iM \Bm_n^T)^{-1} (\Bm_n \ve{r}_{n+1}^{unc} - \lenc) 
2129 \end{array}
2130 \fe
2131 where $\Tm = \iM \Bm^T (\Bm \iM \Bm^T)^{-1}$.
2132 The derivation of this equation from \eqnsref{c1}{c2} can be found
2133 in \cite{Hess97}.
2134
2135 This first step does not set the real bond lengths to the prescribed lengths,
2136 but the projection of the new bonds onto the old directions of the bonds.
2137 To correct for the rotation of bond $i$, the projection of the
2138 bond, $p_i$, on the old direction is set to
2139 \fs{m1a}
2140 p_i=\sqrt{2 d_i^2 - l_i^2},
2141 \fe
2142 where $l_i$ is the bond length after the first projection.
2143 The corrected positions are
2144 \fs{m1b}
2145 \ve{r}_{n+1}^*=(\ve{I}-\Tm_n \Bm_n)\ve{r}_{n+1} + \Tm_n \ve{p}.
2146 \fe
2147 This correction for rotational effects is actually an iterative process,
2148 but during MD only one iteration is applied.
2149 The relative constraint deviation after this procedure will be less than
2150 0.0001 for every constraint.
2151 In energy minimization, this might not be accurate enough, so the number
2152 of iterations is equal to the order of the expansion (see below).
2153
2154 Half of the CPU time goes to inverting the constraint coupling 
2155 matrix $\Bm_n \iM \Bm_n^T$, which has to be done every time step.
2156 This $K \times K$ matrix
2157 has $1/m_{i_1} + 1/m_{i_2}$ on the diagonal.
2158 The off-diagonal elements are only non-zero when two bonds are connected,
2159 then the element is 
2160 $\cos \phi /m_c$,  where $m_c$ is 
2161 the mass of the atom connecting the
2162 two bonds and $\phi$ is the angle between the bonds.
2163
2164 The matrix $\Tm$ is inverted through a power expansion.
2165 A $K \times K$ matrix $\ve{S}$ is 
2166 introduced which is the inverse square root of 
2167 the diagonal of $\Bm_n \iM \Bm_n^T$.
2168 This matrix is used to convert the diagonal elements 
2169 of the coupling matrix to one:
2170 \fs{m2}
2171 \begin{array}{c}
2172 (\Bm_n \iM \Bm_n^T)^{-1}
2173 = \Sm \Sm^{-1} (\Bm_n \iM \Bm_n^T)^{-1} \Sm^{-1} \Sm  \\[2mm]
2174 = \Sm (\Sm \Bm_n \iM \Bm_n^T \Sm)^{-1} \Sm =
2175   \Sm (\ve{I} - \ve{A}_n)^{-1} \Sm
2176 \end{array}
2177 \fe
2178 The matrix $\ve{A}_n$ is symmetric and sparse and has zeros on the diagonal.
2179 Thus a simple trick can be used to calculate the inverse:
2180 \fs{m3}
2181 (\ve{I}-\ve{A}_n)^{-1}= 
2182         \ve{I} + \ve{A}_n + \ve{A}_n^2 + \ve{A}_n^3 + \ldots
2183 \fe
2184
2185 This inversion method is only valid if the absolute values of all the
2186 eigenvalues of $\ve{A}_n$ are smaller than one.
2187 In molecules with only bond constraints, the connectivity is so low
2188 that this will always be true, even if ring structures are present.
2189 Problems can arise in angle-constrained molecules.
2190 By constraining angles with additional distance constraints,
2191 multiple small ring structures are introduced.
2192 This gives a high connectivity, leading to large eigenvalues.
2193 Therefore LINCS should NOT be used with coupled angle-constraints.
2194
2195 For molecules with all bonds constrained the eigenvalues of $A$
2196 are around 0.4. This means that with each additional order
2197 in the expansion \eqnref{m3} the deviations decrease by a factor 0.4.
2198 But for relatively isolated triangles of constraints the largest
2199 eigenvalue is around 0.7.
2200 Such triangles can occur when removing hydrogen angle vibrations
2201 with an additional angle constraint in alcohol groups
2202 or when constraining water molecules with LINCS, for instance
2203 with flexible constraints.
2204 The constraints in such triangles converge twice as slow as
2205 the other constraints. Therefore, starting with {\gromacs} 4,
2206 additional terms are added to the expansion for such triangles
2207 \fs{m3_ang}
2208 (\ve{I}-\ve{A}_n)^{-1} \approx
2209         \ve{I} + \ve{A}_n + \ldots + \ve{A}_n^{N_i} +
2210         \left(\ve{A}^*_n + \ldots + {\ve{A}_n^*}^{N_i} \right) \ve{A}_n^{N_i}
2211 \fe
2212 where $N_i$ is the normal order of the expansion and
2213 $\ve{A}^*$ only contains the elements of $\ve{A}$ that couple
2214 constraints within rigid triangles, all other elements are zero.
2215 In this manner, the accuracy of angle constraints comes close
2216 to that of the other constraints, while the series of matrix vector
2217 multiplications required for determining the expansion
2218 only needs to be extended for a few constraint couplings.
2219 This procedure is described in the P-LINCS paper\cite{Hess2008a}.
2220
2221 \subsubsection{The LINCS Parameters}
2222 The accuracy of LINCS depends on the number of matrices used
2223 in the expansion \eqnref{m3}. For MD calculations a fourth order
2224 expansion is enough. For Brownian dynamics with
2225 large time steps an eighth order expansion may be necessary.
2226 The order is a parameter in the {\tt *.mdp} file.
2227 The implementation of LINCS is done in such a way that the 
2228 algorithm will never crash. Even when it is impossible to
2229 to reset the constraints LINCS will generate a conformation
2230 which fulfills the constraints as well as possible.
2231 However, LINCS will generate a warning when in one step a bond 
2232 rotates over more than a predefined angle.
2233 This angle is set by the user in the {\tt *.mdp} file.
2234
2235 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
2236
2237
2238 \section{Simulated Annealing}
2239 \label{sec:SA}
2240 The well known \swapindex{simulated}{annealing}
2241 (SA) protocol is supported in {\gromacs}, and you can even couple multiple
2242 groups of atoms separately with an arbitrary number of reference temperatures
2243 that change during the simulation. The annealing is implemented by simply 
2244 changing the current reference temperature for each group in the temperature
2245 coupling, so the actual relaxation and coupling properties depends on the
2246 type of thermostat you use and how hard you are coupling it. Since we are
2247 changing the reference temperature it is important to remember that the system
2248 will NOT instantaneously reach this value - you need to allow for the inherent
2249 relaxation time in the coupling algorithm too. If you are changing the 
2250 annealing reference temperature faster than the temperature relaxation you
2251 will probably end up with a crash when the difference becomes too large.
2252
2253 The annealing protocol is specified as a series of corresponding times and 
2254 reference temperatures for each group, and you can also choose whether you only
2255 want a single sequence (after which the temperature will be coupled to the 
2256 last reference value), or if the annealing should be periodic and restart at 
2257 the first reference point once the sequence is completed. You can mix and
2258 match both types of annealing and non-annealed groups in your simulation.
2259
2260 \newcommand{\vrond}{\stackrel{\circ}{\ve{r}}}
2261 \newcommand{\rond}{\stackrel{\circ}{r}}
2262 \newcommand{\ruis}{\ve{r}^G}
2263
2264 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
2265 \section{Stochastic Dynamics\swapindexquiet{stochastic}{dynamics}}
2266 \label{sec:SD}
2267 Stochastic or velocity \swapindex{Langevin}{dynamics} adds a friction
2268 and a noise term to Newton's equations of motion, as
2269 \beq
2270 \label{SDeq}
2271 m_i {\de^2 \ve{r}_i \over \de t^2} =
2272 - m_i \gamma_i {\de \ve{r}_i \over \de t} + \ve{F}_i(\ve{r}) + \vrond_i,
2273 \eeq 
2274 where $\gamma_i$ is the friction constant $[1/\mbox{ps}]$ and
2275 $\vrond_i\!\!(t)$  is a noise process with 
2276 $\langle \rond_i\!\!(t) \rond_j\!\!(t+s) \rangle = 
2277     2 m_i \gamma_i k_B T \delta(s) \delta_{ij}$.
2278 When $1/\gamma_i$ is large compared to the time scales present in the system,
2279 one could see stochastic dynamics as molecular dynamics with stochastic
2280 temperature-coupling. The advantage compared to MD with Berendsen
2281 temperature-coupling is that in case of SD the generated ensemble is known.
2282 For simulating a system in vacuum there is the additional advantage that there is no
2283 accumulation of errors for the overall translational and rotational
2284 degrees of freedom.
2285 When $1/\gamma_i$ is small compared to the time scales present in the system,
2286 the dynamics will be completely different from MD, but the sampling is
2287 still correct.
2288
2289 In {\gromacs} there are two algorithms to integrate equation (\ref{SDeq}):
2290 a simple and efficient one
2291 and a more complex leap-frog algorithm~\cite{Gunsteren88}, which is now deprecated.
2292 The accuracy of both integrators is equivalent to the normal MD leap-frog and
2293 Velocity Verlet integrator, except with constraints where the complex
2294 SD integrator samples at a temperature that is slightly too high (although that error is smaller than the one from the Velocity Verlet integrator that uses the kinetic energy from the full-step velocity). The simple integrator is nearly identical to the common way of discretizing the Langevin equation, but the friction and velocity term are applied in an impulse fashion~\cite{Goga2012}.
2295 The simple integrator is:
2296 \bea
2297 \label{eqn:sd_int1}
2298 \ve{v}'  &~=~&   \ve{v}(t-\hDt) + \frac{1}{m}\ve{F}(t)\Dt \\
2299 \Delta\ve{v}     &~=~&   -\alpha \, \ve{v}'(t+\hDt) + \sqrt{\frac{k_B T}{m}(1 - \alpha^2)} \, \ruis_i \\
2300 \ve{r}(t+\Dt)   &~=~&   \ve{r}(t)+\left(\ve{v}' +\frac{1}{2}\Delta \ve{v}\right)\Dt \label{eqn:sd1_x_upd}\\
2301 \ve{v}(t+\hDt)  &~=~&   \ve{v}' + \Delta \ve{v} \\
2302 \alpha &~=~& 1 - e^{-\gamma \Dt}
2303 \eea
2304 where $\ruis_i$ is Gaussian distributed noise with $\mu = 0$, $\sigma = 1$.
2305 The velocity is first updated a full time step without friction and noise to get $\ve{v}'$, identical to the normal update in leap-frog. The friction and noise are then applied as an impulse at step $t+\Dt$. The advantage of this scheme is that the velocity-dependent terms act at the full time step, which makes the correct integration of forces that depend on both coordinates and velocities, such as constraints and dissipative particle dynamics (DPD, not implented yet), straightforward. With constraints, the coordinate update \eqnref{sd1_x_upd} is split into a normal leap-frog update and a $\Delta \ve{v}$. After both of these updates the constraints are applied to coordinates and velocities.
2306
2307 In the deprecated complex algorithm, four Gaussian random numbers are required
2308 per integration step per degree of freedom, and with constraints the
2309 coordinates need to be constrained twice per integration step.
2310 Depending on the computational cost of the force calculation,
2311 this can take a significant part of the simulation time.
2312 Exact continuation of a stochastic dynamics simulation is not possible,
2313 because the state of the random number generator is not stored.
2314
2315 When using SD as a thermostat, an appropriate value for $\gamma$ is e.g. 0.5 ps$^{-1}$,
2316 since this results in a friction that is lower than the internal friction
2317 of water, while it still provides efficient thermostatting.
2318
2319
2320 \section{Brownian Dynamics\swapindexquiet{Brownian}{dynamics}}
2321 \label{sec:BD}
2322 In the limit of high friction, stochastic dynamics reduces to 
2323 Brownian dynamics, also called position Langevin dynamics.
2324 This applies to over-damped systems, 
2325 {\ie} systems in which the inertia effects are negligible.
2326 The equation is
2327 \beq
2328 {\de \ve{r}_i \over \de t} = \frac{1}{\gamma_i} \ve{F}_i(\ve{r}) + \vrond_i
2329 \eeq 
2330 where $\gamma_i$ is the friction coefficient $[\mbox{amu/ps}]$ and
2331 $\vrond_i\!\!(t)$  is a noise process with 
2332 $\langle \rond_i\!\!(t) \rond_j\!\!(t+s) \rangle = 
2333     2 \delta(s) \delta_{ij} k_B T / \gamma_i$.
2334 In {\gromacs} the equations are integrated with a simple, explicit scheme
2335 \beq
2336 \ve{r}_i(t+\Delta t) = \ve{r}_i(t) +
2337         {\Delta t \over \gamma_i} \ve{F}_i(\ve{r}(t)) 
2338         + \sqrt{2 k_B T {\Delta t \over \gamma_i}}\, \ruis_i,
2339 \eeq
2340 where $\ruis_i$ is Gaussian distributed noise with $\mu = 0$, $\sigma = 1$.
2341 The friction coefficients $\gamma_i$ can be chosen the same for all
2342 particles or as $\gamma_i = m_i\,\gamma_i$, where the friction constants
2343 $\gamma_i$ can be different for different groups of atoms. 
2344 Because the system is assumed to be over-damped, large timesteps
2345 can be used. LINCS should be used for the constraints since SHAKE
2346 will not converge for large atomic displacements.
2347 BD is an option of the {\tt mdrun} program.
2348 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
2349
2350 \section{Energy Minimization}
2351 \label{sec:EM}\index{energy minimization}%
2352 Energy minimization in {\gromacs} can be done using steepest descent,
2353 conjugate gradients, or l-bfgs (limited-memory
2354 Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno quasi-Newtonian minimizer...we
2355 prefer the abbreviation). EM is just an option of the {\tt mdrun}
2356 program.
2357
2358 \subsection{Steepest Descent\index{steepest descent}}
2359 Although steepest descent is certainly not the most efficient
2360 algorithm for searching, it is robust and easy to implement.
2361
2362 We define the vector $\ve{r}$ as the vector of all $3N$ coordinates.
2363 Initially a maximum displacement $h_0$ ({\eg} 0.01 nm) must be given. 
2364
2365 First the forces $\ve{F}$ and potential energy are calculated.
2366 New positions are calculated by
2367 \beq
2368 \ve{r}_{n+1} =  \ve{r}_n + \frac{\ve{F}_n}{\max (|\ve{F}_n|)} h_n,
2369 \eeq
2370 where $h_n$ is the maximum displacement and $\ve{F}_n$ is the force,
2371 or the negative gradient of the  potential $V$. The notation $\max
2372 (|\ve{F}_n|)$ means the largest of the absolute values of the force
2373 components.  The forces and energy are again computed for the new positions \\
2374 If ($V_{n+1} < V_n$) the new positions are accepted and $h_{n+1} = 1.2
2375 h_n$. \\
2376 If ($V_{n+1} \geq V_n$) the new positions are rejected and $h_n = 0.2 h_n$.
2377
2378 The algorithm stops when either a user-specified number of force 
2379 evaluations has been performed ({\eg} 100), or when the maximum of the absolute
2380 values of the force (gradient) components is smaller than a specified
2381 value $\epsilon$.
2382 Since force truncation produces some noise in the
2383 energy evaluation, the stopping criterion should not be made too tight
2384 to avoid endless iterations. A reasonable value for $\epsilon$ can be
2385 estimated from the root mean square force $f$ a harmonic oscillator would exhibit at a
2386 temperature $T$. This value is
2387 \beq
2388   f = 2 \pi \nu \sqrt{ 2mkT},
2389 \eeq
2390 where $\nu$ is the oscillator frequency, $m$ the (reduced) mass, and
2391 $k$ Boltzmann's constant. For a weak oscillator with a wave number of
2392 100 cm$^{-1}$ and a mass of 10 atomic units, at a temperature of 1 K,
2393 $f=7.7$ kJ~mol$^{-1}$~nm$^{-1}$. A value for $\epsilon$ between 1 and
2394 10 is acceptable.   
2395
2396 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
2397 \subsection{Conjugate Gradient\index{conjugate gradient}}
2398 Conjugate gradient is slower than steepest descent in the early stages
2399 of the minimization, but becomes more efficient closer to the energy
2400 minimum.  The parameters and stop criterion are the same as for
2401 steepest descent.  In {\gromacs} conjugate gradient can not be used
2402 with constraints, including the SETTLE algorithm for
2403 water~\cite{Miyamoto92}, as this has not been implemented. If water is
2404 present it must be of a flexible model, which can be specified in the
2405 {\tt *.mdp} file by {\tt define = -DFLEXIBLE}.
2406
2407 This is not really a restriction, since the accuracy of conjugate
2408 gradient is only required for minimization prior to a normal-mode
2409 analysis, which cannot be performed with constraints.  For most other
2410 purposes steepest descent is efficient enough.
2411 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
2412
2413 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
2414 \subsection{\normindex{L-BFGS}}
2415 The original BFGS algorithm works by successively creating better
2416 approximations of the inverse Hessian matrix, and moving the system to
2417 the currently estimated minimum. The memory requirements for this are
2418 proportional to the square of the number of particles, so it is not
2419 practical for large systems like biomolecules. Instead, we use the
2420 L-BFGS algorithm of Nocedal~\cite{Byrd95a,Zhu97a}, which approximates
2421 the inverse Hessian by a fixed number of corrections from previous
2422 steps. This sliding-window technique is almost as efficient as the
2423 original method, but the memory requirements are much lower -
2424 proportional to the number of particles multiplied with the correction
2425 steps. In practice we have found it to converge faster than conjugate
2426 gradients, but due to the correction steps it is not yet parallelized.
2427 It is also noteworthy that switched or shifted interactions usually
2428 improve the convergence, since sharp cut-offs mean the potential
2429 function at the current coordinates is slightly different from the
2430 previous steps used to build the inverse Hessian approximation.
2431 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
2432
2433 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
2434 \section{Normal-Mode Analysis\index{normal-mode analysis}\index{NMA}}
2435 Normal-mode analysis~\cite{Levitt83,Go83,BBrooks83b} 
2436 can be performed using {\gromacs}, by diagonalization of the mass-weighted
2437 \normindex{Hessian} $H$:
2438 \bea
2439 R^T M^{-1/2} H M^{-1/2} R   &=& \mbox{diag}(\lambda_1,\ldots,\lambda_{3N})
2440 \\
2441 \lambda_i &=& (2 \pi \omega_i)^2
2442 \eea
2443 where $M$ contains the atomic masses, $R$ is a matrix that contains
2444 the eigenvectors as columns, $\lambda_i$ are the eigenvalues
2445 and $\omega_i$ are the corresponding frequencies.
2446
2447 First the Hessian matrix, which is a $3N \times 3N$ matrix where $N$
2448 is the number of atoms, needs to be calculated:
2449 \bea
2450 H_{ij}  &=&     \frac{\partial^2 V}{\partial x_i \partial x_j}
2451 \eea
2452 where $x_i$ and $x_j$ denote the atomic x, y or z coordinates.
2453 In practice, this equation is not used, but the Hessian is
2454 calculated numerically from the force as:
2455 \bea
2456 H_{ij} &=& -
2457   \frac{f_i({\bf x}+h{\bf e}_j) - f_i({\bf x}-h{\bf e}_j)}{2h}
2458 \\
2459 f_i     &=& - \frac{\partial V}{\partial x_i}
2460 \eea
2461 where ${\bf e}_j$ is the unit vector in direction $j$.
2462 It should be noted that
2463 for a usual normal-mode calculation, it is necessary to completely minimize 
2464 the energy prior to computation of the Hessian.
2465 The tolerance required depends on the type of system,
2466 but a rough indication is 0.001 kJ mol$^{-1}$.
2467 Minimization should be done with conjugate gradients or L-BFGS in double precision.
2468
2469 A number of {\gromacs} programs are involved in these
2470 calculations. First, the energy should be minimized using {\tt mdrun}.
2471 Then, {\tt mdrun} computes the Hessian.  {\bf Note} that for generating
2472 the run input file, one should use the minimized conformation from
2473 the full precision trajectory file, as the structure file is not
2474 accurate enough.
2475 {\tt \normindex{g_nmeig}} does the diagonalization and
2476 the sorting of the normal modes according to their frequencies.
2477 Both {\tt mdrun} and {\tt g_nmeig} should be run in double precision.
2478 The normal modes can be analyzed with the program {\tt g_anaeig}.
2479 Ensembles of structures at any temperature and for any subset of
2480 normal modes can be generated with {\tt \normindex{g_nmens}}.
2481 An overview of normal-mode analysis and the related principal component
2482 analysis (see \secref{covanal}) can be found in~\cite{Hayward95b}.
2483 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
2484
2485 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
2486
2487 \section{Free energy calculations\index{free energy calculations}}
2488 \label{sec:fecalc}
2489 \subsection{Slow-growth methods\index{slow-growth methods}}
2490 Free energy calculations can be performed
2491 in {\gromacs} using  a number of methods, including ``slow-growth.'' An example problem 
2492 might be calculating the difference in free energy of binding of an inhibitor {\bf I}
2493 to an enzyme {\bf E} and to a mutated enzyme {\bf E$^{\prime}$}. It 
2494 is not feasible with computer simulations to perform a docking
2495 calculation for such a large complex, or even releasing the inhibitor from
2496 the enzyme in a reasonable amount of computer time with reasonable accuracy.
2497 However, if we consider the free energy cycle in~\figref{free}A
2498 we can write:
2499 \beq
2500 \Delta G_1 - \Delta G_2 =       \Delta G_3 - \Delta G_4
2501 \label{eqn:ddg}
2502 \eeq
2503 If we are interested in the left-hand term we can equally well compute
2504 the right-hand term.
2505 \begin{figure}
2506 \centerline{\includegraphics[width=6cm,angle=270]{plots/free1}\hspace{2cm}\includegraphics[width=6cm,angle=270]{plots/free2}}
2507 \caption[Free energy cycles.]{Free energy cycles. {\bf A:} to
2508 calculate $\Delta G_{12}$, the free energy difference between the
2509 binding of inhibitor {\bf I} to enzymes {\bf E} respectively {\bf
2510 E$^{\prime}$}. {\bf B:} to calculate $\Delta G_{12}$, the free energy
2511 difference for binding of inhibitors {\bf I} respectively {\bf I$^{\prime}$} to
2512 enzyme {\bf E}.}
2513 \label{fig:free}
2514 \end{figure}
2515
2516 If we want to compute the difference in free energy of binding of two
2517 inhibitors {\bf I} and {\bf I$^{\prime}$} to an enzyme {\bf E} (\figref{free}B)
2518 we can again use \eqnref{ddg} to compute the desired property.
2519
2520 \newcommand{\sA}{^{\mathrm{A}}}
2521 \newcommand{\sB}{^{\mathrm{B}}}
2522 Free energy differences between two molecular species can
2523 be calculated in {\gromacs} using the ``slow-growth'' method.
2524 Such free energy differences between different molecular species are
2525 physically meaningless, but they can be used to obtain meaningful
2526 quantities employing a thermodynamic cycle.
2527 The method requires a simulation during which the Hamiltonian of the
2528 system changes slowly from that describing one system (A) to that
2529 describing the other system (B). The change must be so slow that the
2530 system remains in equilibrium during the process; if that requirement
2531 is fulfilled, the change is reversible and a slow-growth simulation from B to A
2532 will yield the same results (but with a different sign) as a slow-growth
2533 simulation from A to B. This is a useful check, but the user should be
2534 aware of the danger that equality of forward and backward growth results does
2535 not guarantee correctness of the results.
2536
2537 The required modification of the Hamiltonian $H$ is realized by making
2538 $H$ a function of a \textit{coupling parameter} $\lambda:
2539 H=H(p,q;\lambda)$ in such a way that $\lambda=0$ describes system A
2540 and $\lambda=1$ describes system B: 
2541 \beq
2542   H(p,q;0)=H\sA (p,q);~~~~ H(p,q;1)=H\sB (p,q).
2543 \eeq
2544 In {\gromacs}, the functional form of the $\lambda$-dependence is
2545 different for the various force-field contributions and is described
2546 in section \secref{feia}.
2547
2548 The Helmholtz free energy $A$ is related to the
2549 partition function $Q$ of an $N,V,T$ ensemble, which is assumed to be
2550 the equilibrium ensemble generated by a MD simulation at constant
2551 volume and temperature. The generally more useful Gibbs free energy
2552 $G$ is related to the partition function $\Delta$ of an $N,p,T$
2553 ensemble, which is assumed to be the equilibrium ensemble generated by
2554 a MD simulation at constant pressure and temperature:
2555 \bea
2556  A(\lambda) &=&  -k_BT \ln Q \\
2557  Q &=& c \int\!\!\int \exp[-\beta H(p,q;\lambda)]\,dp\,dq \\
2558  G(\lambda) &=&  -k_BT \ln \Delta \\
2559  \Delta &=& c \int\!\!\int\!\!\int \exp[-\beta H(p,q;\lambda) -\beta
2560 pV]\,dp\,dq\,dV \\
2561 G &=& A + pV, 
2562 \eea
2563 where $\beta = 1/(k_BT)$ and $c = (N! h^{3N})^{-1}$.
2564 These integrals over phase space cannot be evaluated from a
2565 simulation, but it is possible to evaluate the derivative with 
2566 respect to $\lambda$ as an ensemble average:
2567 \beq
2568  \frac{dA}{d\lambda} =  \frac{\int\!\!\int (\partial H/ \partial
2569 \lambda) \exp[-\beta H(p,q;\lambda)]\,dp\,dq}{\int\!\!\int \exp[-\beta
2570 H(p,q;\lambda)]\,dp\,dq} = 
2571 \left\langle \frac{\partial H}{\partial \lambda} \right\rangle_{NVT;\lambda},
2572 \eeq
2573 with a similar relation for $dG/d\lambda$ in the $N,p,T$
2574 ensemble.  The difference in free energy between A and B can be found
2575 by integrating the derivative over $\lambda$:
2576 \bea
2577   A\sB(V,T)-A\sA(V,T) &=& \int_0^1 \left\langle \frac{\partial
2578 H}{\partial \lambda} \right\rangle_{NVT;\lambda} \,d\lambda 
2579 \label{eq:delA} \\
2580  G\sB(p,T)-G\sA(p,T) &=& \int_0^1 \left\langle \frac{\partial
2581 H}{\partial \lambda} \right\rangle_{NpT;\lambda} \,d\lambda.
2582 \label{eq:delG}
2583 \eea
2584 If one wishes to evaluate $G\sB(p,T)-G\sA(p,T)$,
2585 the natural choice is a constant-pressure simulation. However, this
2586 quantity can also be obtained from a slow-growth simulation at
2587 constant volume, starting with system A at pressure $p$ and volume $V$
2588 and ending with system B at pressure $p_B$, by applying the following
2589 small (but, in principle, exact) correction: 
2590 \beq
2591   G\sB(p)-G\sA(p) =
2592 A\sB(V)-A\sA(V) - \int_p^{p\sB}[V\sB(p')-V]\,dp'
2593 \eeq
2594 Here we omitted the constant $T$ from the notation. This correction is
2595 roughly equal to $-\frac{1}{2} (p\sB-p)\Delta V=(\Delta V)^2/(2
2596 \kappa V)$, where $\Delta V$ is the volume change at $p$ and $\kappa$
2597 is the isothermal compressibility. This is usually
2598 small; for example, the growth of a water molecule from nothing
2599 in a bath of 1000 water molecules at constant volume would produce an
2600 additional pressure of as much as 22 bar, but a correction to the 
2601 Helmholtz free energy of just -1 kJ mol$^{-1}$. %-20 J/mol.
2602
2603 In Cartesian coordinates, the kinetic energy term in the Hamiltonian
2604 depends only on the momenta, and can be separately integrated and, in
2605 fact, removed from the equations. When masses do not change, there is
2606 no contribution from the kinetic energy at all; otherwise the
2607 integrated contribution to the free energy is $-\frac{3}{2} k_BT \ln
2608 (m\sB/m\sA)$. {\bf Note} that this is only true in the absence of constraints.
2609
2610 \subsection{Thermodynamic integration\index{thermodynamic integration}\index{BAR}\index{Bennett's acceptance ratio}}  
2611 {\gromacs} offers the possibility to integrate eq.~\ref{eq:delA} or
2612 eq. \ref{eq:delG} in one simulation over the full range from A to
2613 B. However, if the change is large and insufficient sampling can be
2614 expected, the user may prefer to determine the value of $\langle
2615 dG/d\lambda \rangle$ accurately at a number of well-chosen
2616 intermediate values of $\lambda$. This can easily be done by setting
2617 the stepsize {\tt delta_lambda} to zero. Each simulation can be
2618 equilibrated first, and a proper error estimate can be made for each
2619 value of $dG/d\lambda$ from the fluctuation of $\partial H/\partial
2620 \lambda$. The total free energy change is then determined afterward
2621 by an appropriate numerical integration procedure.
2622
2623 {\gromacs} now also supports the use of Bennett's Acceptance Ratio~\cite{Bennett1976}
2624 for calculating values of $\Delta$G for transformations from state A to state B using
2625 the program {\tt \normindex{g_bar}}. The same data can also be used to calculate free
2626 energies using MBAR~\cite{Shirts2008}, though the analysis currently requires external tools from
2627 the external {\tt pymbar} package, at https://SimTK.org/home/pymbar.
2628
2629 The $\lambda$-dependence for the force-field contributions is
2630 described in detail in section \secref{feia}.
2631 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
2632
2633 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
2634 \section{Replica exchange\index{replica exchange}}
2635 Replica exchange molecular dynamics (\normindex{REMD})
2636 is a method that can be used to speed up
2637 the sampling of any type of simulation, especially if
2638 conformations are separated by relatively high energy barriers.
2639 It involves simulating multiple replicas of the same system
2640 at different temperatures and randomly exchanging the complete state
2641 of two replicas at regular intervals with the probability:
2642 \beq
2643 P(1 \leftrightarrow 2)=\min\left(1,\exp\left[
2644 \left(\frac{1}{k_B T_1} - \frac{1}{k_B T_2}\right)(U_1 - U_2)
2645  \right] \right)
2646 \eeq
2647 where $T_1$ and $T_2$ are the reference temperatures and $U_1$ and $U_2$
2648 are the instantaneous potential energies of replicas 1 and 2 respectively.
2649 After exchange the velocities are scaled by $(T_1/T_2)^{\pm0.5}$
2650 and a neighbor search is performed the next step.
2651 This combines the fast sampling and frequent barrier-crossing
2652 of the highest temperature with correct Boltzmann sampling at
2653 all the different temperatures~\cite{Hukushima96a,Sugita99}.
2654 We only attempt exchanges for neighboring temperatures as the probability
2655 decreases very rapidly with the temperature difference.
2656 One should not attempt exchanges for all possible pairs in one step.
2657 If, for instance, replicas 1 and 2 would exchange, the chance of
2658 exchange for replicas 2 and 3 not only depends on the energies of
2659 replicas 2 and 3, but also on the energy of replica 1.
2660 In {\gromacs} this is solved by attempting exchange for all ``odd''
2661 pairs on ``odd'' attempts and for all ``even'' pairs on ``even'' attempts.
2662 If we have four replicas: 0, 1, 2 and 3, ordered in temperature
2663 and we attempt exchange every 1000 steps, pairs 0-1 and 2-3
2664 will be tried at steps 1000, 3000 etc. and pair 1-2 at steps 2000, 4000 etc.
2665
2666 How should one choose the temperatures?
2667 The energy difference can be written as:
2668 \beq
2669 U_1 - U_2 =  N_{df} \frac{c}{2} k_B (T_1 - T_2)
2670 \eeq
2671 where $N_{df}$ is the total number of degrees of freedom of one replica
2672 and $c$ is 1 for harmonic potentials and around 2 for protein/water systems.
2673 If $T_2 = (1+\epsilon) T_1$ the probability becomes:
2674 \beq
2675 P(1 \leftrightarrow 2)
2676   = \exp\left( -\frac{\epsilon^2 c\,N_{df}}{2 (1+\epsilon)} \right)
2677 \approx \exp\left(-\epsilon^2 \frac{c}{2} N_{df} \right)
2678 \eeq
2679 Thus for a probability of $e^{-2}\approx 0.135$
2680 one obtains $\epsilon \approx 2/\sqrt{c\,N_{df}}$.
2681 With all bonds constrained one has $N_{df} \approx 2\, N_{atoms}$
2682 and thus for $c$ = 2 one should choose $\epsilon$ as $1/\sqrt{N_{atoms}}$.
2683 However there is one problem when using pressure coupling. The density at
2684 higher temperatures will decrease, leading to higher energy~\cite{Seibert2005a},
2685 which should be taken into account. The {\gromacs} website features a
2686 so-called ``REMD calculator,'' that lets you type in the temperature range and
2687 the number of atoms, and based on that proposes a set of temperatures.
2688
2689 An extension to the REMD for the isobaric-isothermal ensemble was
2690 proposed by Okabe {\em et al.}~\cite{Okabe2001a}. In this work the
2691 exchange probability is modified to:
2692 \beq
2693 P(1 \leftrightarrow 2)=\min\left(1,\exp\left[
2694 \left(\frac{1}{k_B T_1} - \frac{1}{k_B T_2}\right)(U_1 - U_2) +
2695 \left(\frac{P_1}{k_B T_1} - \frac{P_2}{k_B T_2}\right)\left(V_1-V_2\right)
2696  \right] \right)
2697 \eeq
2698 where $P_1$ and $P_2$ are the respective reference pressures and $V_1$ and
2699 $V_2$ are the respective instantaneous volumes in the simulations.
2700 In most cases the differences in volume are so small that the second
2701 term is negligible. It only plays a role when the difference between
2702 $P_1$ and $P_2$ is large or in phase transitions.
2703
2704 Hamiltonian replica exchange is also supported in {\gromacs}.  In
2705 Hamiltonian replica exchange, each replica has a different
2706 Hamiltonian, defined by the free energy pathway specified for the simulation.  The
2707 exchange probability to maintain the correct ensemble probabilities is:
2708 \beq P(1 \leftrightarrow 2)=\min\left(1,\exp\left[
2709     \left(\frac{1}{k_B T} - \frac{1}{k_B T}\right)((U_1(x_2) - U_1(x_1)) + (U_2(x_1) - U_2(x_2)))
2710 \right]
2711 \right)
2712 \eeq
2713 The separate Hamiltonians are defined by the free energy functionality
2714 of {\gromacs}, with swaps made between the different values of
2715 $\lambda$ defined in the mdp file.
2716
2717 Hamiltonian and temperature replica exchange can also be performed
2718 simultaneously, using the acceptance criteria:
2719 \beq
2720 P(1 \leftrightarrow 2)=\min\left(1,\exp\left[
2721 \left(\frac{1}{k_B T} - \right)(\frac{U_1(x_2) - U_1(x_1)}{k_B T_1} + \frac{U_2(x_1) - U_2(x_2)}{k_B T_2})
2722  \right] \right)
2723 \eeq
2724
2725 Gibbs sampling replica exchange has also been implemented in
2726 {\gromacs}~\cite{Chodera2011}.  In Gibbs sampling replica exchange, all
2727 possible pairs are tested for exchange, allowing swaps between
2728 replicas that are not neighbors.
2729
2730 Gibbs sampling replica exchange requires no additional potential
2731 energy calculations.  However there is an additional communication
2732 cost in Gibbs sampling replica exchange, as for some permutations,
2733 more than one round of swaps must take place.  In some cases, this
2734 extra communication cost might affect the efficiency.
2735
2736 All replica exchange variants are options of the {\tt mdrun}
2737 program. It will only work when MPI is installed, due to the inherent
2738 parallelism in the algorithm. For efficiency each replica can run on a
2739 separate rank.  See the manual page of {\tt mdrun} on how to use these
2740 multinode features.
2741
2742 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
2743
2744 \section{Essential Dynamics sampling\index{essential dynamics}\index{principal component analysis}\seeindexquiet{PCA}{covariance analysis}}
2745 The results from Essential Dynamics (see \secref{covanal})
2746 of a protein can be used to guide MD simulations. The idea is that
2747 from an initial MD simulation (or from other sources) a definition of
2748 the collective fluctuations with largest amplitude is obtained. The
2749 position along one or more of these collective modes can be
2750 constrained in a (second) MD simulation in a number of ways for
2751 several purposes. For example, the position along a certain mode may
2752 be kept fixed to monitor the average force (free-energy gradient) on
2753 that coordinate in that position. Another application is to enhance
2754 sampling efficiency with respect to usual MD
2755 \cite{Degroot96a,Degroot96b}. In this case, the system is encouraged
2756 to sample its available configuration space more systematically than
2757 in a diffusion-like path that proteins usually take.
2758
2759 Another possibility to enhance sampling is \normindex{flooding}.
2760 Here a flooding potential is added to certain
2761 (collective) degrees of freedom to expel the system out
2762 of a region of phase space \cite{Lange2006a}.
2763
2764 The procedure for essential dynamics sampling or flooding is as follows.
2765 First, the eigenvectors and eigenvalues need to be determined
2766 using covariance analysis ({\tt g_covar})
2767 or normal-mode analysis ({\tt g_nmeig}).
2768 Then, this information is fed into {\tt make_edi},
2769 which has many options for selecting vectors and setting parameters,
2770 see {\tt gmx make_edi -h}.
2771 The generated {\tt edi} input file is then passed to {\tt mdrun}.
2772
2773 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
2774
2775 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}{}{
2776 \section{\normindex{Expanded Ensemble}}
2777
2778 In an expanded ensemble simulation~\cite{Lyubartsev1992}, both the coordinates and the
2779 thermodynamic ensemble are treated as configuration variables that can
2780 be sampled over.  The probability of any given state can be written as:
2781 \beq
2782 P(\vec{x},k) \propto \exp\left(-\beta_k U_k + g_k\right),
2783 \eeq
2784 where $\beta_k = \frac{1}{k_B T_k}$ is the $\beta$ corresponding to the $k$th
2785 thermodynamic state, and $g_k$ is a user-specified weight factor corresponding
2786 to the $k$th state.  This space is therefore a {\em mixed}, {\em generalized}, or {\em
2787   expanded} ensemble which samples from multiple thermodynamic
2788 ensembles simultaneously. $g_k$ is chosen to give a specific weighting
2789 of each subensemble in the expanded ensemble, and can either be fixed,
2790 or determined by an iterative procedure. The set of $g_k$ is
2791 frequently chosen to give each thermodynamic ensemble equal
2792 probability, in which case $g_k$ is equal to the free energy in
2793 non-dimensional units, but they can be set to arbitrary values as
2794 desired.  Several different algorithms can be used to equilibrate
2795 these weights, described in the mdp option listings.
2796 % } % Brace matches ifthenelse test for gmxlite
2797
2798 In {\gromacs}, this space is sampled by alternating sampling in the $k$
2799 and $\vec{x}$ directions.  Sampling in the $\vec{x}$ direction is done
2800 by standard molecular dynamics sampling; sampling between the
2801 different thermodynamics states is done by Monte Carlo, with several
2802 different Monte Carlo moves supported. The $k$ states can be defined
2803 by different temperatures, or choices of the free energy $\lambda$
2804 variable, or both.  Expanded ensemble simulations thus represent a
2805 serialization of the replica exchange formalism, allowing a single
2806 simulation to explore many thermodynamic states.
2807
2808
2809
2810 \section{Parallelization\index{parallelization}}
2811 The CPU time required for a simulation can be reduced by running the simulation
2812 in parallel over more than one core.
2813 Ideally, one would want to have linear scaling: running on $N$ cores
2814 makes the simulation $N$ times faster. In practice this can only be
2815 achieved for a small number of cores. The scaling will depend
2816 a lot on the algorithms used. Also, different algorithms can have different
2817 restrictions on the interaction ranges between atoms.
2818
2819 \section{Domain decomposition\index{domain decomposition}}
2820 Since most interactions in molecular simulations are local,
2821 domain decomposition is a natural way to decompose the system.
2822 In domain decomposition, a spatial domain is assigned to each rank,
2823 which will then integrate the equations of motion for the particles
2824 that currently reside in its local domain. With domain decomposition,
2825 there are two choices that have to be made: the division of the unit cell
2826 into domains and the assignment of the forces to domains.
2827 Most molecular simulation packages use the half-shell method for assigning
2828 the forces. But there are two methods that always require less communication:
2829 the eighth shell~\cite{Liem1991} and the midpoint~\cite{Shaw2006} method.
2830 {\gromacs} currently uses the eighth shell method, but for certain systems
2831 or hardware architectures it might be advantageous to use the midpoint
2832 method. Therefore, we might implement the midpoint method in the future.
2833 Most of the details of the domain decomposition can be found
2834 in the {\gromacs} 4 paper~\cite{Hess2008b}.
2835
2836 \subsection{Coordinate and force communication}
2837 In the most general case of a triclinic unit cell,
2838 the space in divided with a 1-, 2-, or 3-D grid in parallelepipeds
2839 that we call domain decomposition cells.
2840 Each cell is assigned to a particle-particle rank.
2841 The system is partitioned over the ranks at the beginning
2842 of each MD step in which neighbor searching is performed.
2843 Since the neighbor searching is based on charge groups, charge groups
2844 are also the units for the domain decomposition.
2845 Charge groups are assigned to the cell where their center of geometry resides.
2846 Before the forces can be calculated, the coordinates from some
2847 neighboring cells need to be communicated,
2848 and after the forces are calculated, the forces need to be communicated
2849 in the other direction.
2850 The communication and force assignment is based on zones that 
2851 can cover one or multiple cells.
2852 An example of a zone setup is shown in \figref{ddcells}.
2853
2854 \begin{figure}
2855 \centerline{\includegraphics[width=6cm]{plots/dd-cells}}
2856 \caption{
2857 A non-staggered domain decomposition grid of 3$\times$2$\times$2 cells.
2858 Coordinates in zones 1 to 7 are communicated to the corner cell
2859 that has its home particles in zone 0.
2860 $r_c$ is the cut-off radius. 
2861 \label{fig:ddcells}
2862 }
2863 \end{figure}
2864
2865 The coordinates are communicated by moving data along the ``negative''
2866 direction in $x$, $y$ or $z$ to the next neighbor. This can be done in one
2867 or multiple pulses. In \figref{ddcells} two pulses in $x$ are required,
2868 then one in $y$ and then one in $z$. The forces are communicated by
2869 reversing this procedure. See the {\gromacs} 4 paper~\cite{Hess2008b}
2870 for details on determining which non-bonded and bonded forces
2871 should be calculated on which rank.
2872
2873 \subsection{Dynamic load balancing\swapindexquiet{dynamic}{load balancing}}
2874 When different ranks have a different computational load
2875 (load imbalance), all ranks will have to wait for the one
2876 that takes the most time. One would like to avoid such a situation.
2877 Load imbalance can occur due to three reasons:
2878 \begin{itemize}
2879 \item inhomogeneous particle distribution
2880 \item inhomogeneous interaction cost distribution (charged/uncharged,
2881   water/non-water due to {\gromacs} water innerloops)
2882 \item statistical fluctuation (only with small particle numbers)
2883 \end{itemize}
2884 So we need a dynamic load balancing algorithm
2885 where the volume of each domain decomposition cell
2886 can be adjusted {\em independently}.
2887 To achieve this, the 2- or 3-D domain decomposition grids need to be
2888 staggered. \figref{ddtric} shows the most general case in 2-D.
2889 Due to the staggering, one might require two distance checks
2890 for deciding if a charge group needs to be communicated:
2891 a non-bonded distance and a bonded distance check.
2892
2893 \begin{figure}
2894 \centerline{\includegraphics[width=7cm]{plots/dd-tric}}
2895 \caption{
2896 The zones to communicate to the rank of zone 0,
2897 see the text for details. $r_c$ and $r_b$ are the non-bonded
2898 and bonded cut-off radii respectively, $d$ is an example
2899 of a distance between following, staggered boundaries of cells.
2900 \label{fig:ddtric}
2901 }
2902 \end{figure}
2903
2904 By default, {\tt mdrun} automatically turns on the dynamic load
2905 balancing during a simulation when the total performance loss
2906 due to the force calculation imbalance is 5\% or more.
2907 {\bf Note} that the reported force load imbalance numbers might be higher,
2908 since the force calculation is only part of work that needs to be done
2909 during an integration step.
2910 The load imbalance is reported in the log file at log output steps
2911 and when the {\tt -v} option is used also on screen.
2912 The average load imbalance and the total performance loss
2913 due to load imbalance are reported at the end of the log file.
2914
2915 There is one important parameter for the dynamic load balancing,
2916 which is the minimum allowed scaling. By default, each dimension
2917 of the domain decomposition cell can scale down by at least
2918 a factor of 0.8. For 3-D domain decomposition this allows cells
2919 to change their volume by about a factor of 0.5, which should allow
2920 for compensation of a load imbalance of 100\%.
2921 The minimum allowed scaling can be changed with the {\tt -dds}
2922 option of {\tt mdrun}.
2923
2924 \subsection{Constraints in parallel\index{constraints}}
2925 \label{subsec:plincs}
2926 Since with domain decomposition parts of molecules can reside
2927 on different ranks, bond constraints can cross cell boundaries.
2928 Therefore a parallel constraint algorithm is required.
2929 {\gromacs} uses the \normindex{P-LINCS} algorithm~\cite{Hess2008a},
2930 which is the parallel version of the \normindex{LINCS} algorithm~\cite{Hess97}
2931 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}
2932 {.}
2933 {(see \ssecref{lincs}).}
2934 The P-LINCS procedure is illustrated in \figref{plincs}.
2935 When molecules cross the cell boundaries, atoms in such molecules
2936 up to ({\tt lincs_order + 1}) bonds away are communicated over the cell boundaries.
2937 Then, the normal LINCS algorithm can be applied to the local bonds
2938 plus the communicated ones. After this procedure, the local bonds
2939 are correctly constrained, even though the extra communicated ones are not.
2940 One coordinate communication step is required for the initial LINCS step
2941 and one for each iteration. Forces do not need to be communicated.
2942
2943 \begin{figure}
2944 \centerline{\includegraphics[width=6cm]{plots/par-lincs2}}
2945 \caption{
2946 Example of the parallel setup of P-LINCS with one molecule
2947 split over three domain decomposition cells, using a matrix
2948 expansion order of 3.
2949 The top part shows which atom coordinates need to be communicated
2950 to which cells. The bottom parts show the local constraints (solid)
2951 and the non-local constraints (dashed) for each of the three cells.
2952 \label{fig:plincs}
2953 }
2954 \end{figure}
2955
2956 \subsection{Interaction ranges}
2957 Domain decomposition takes advantage of the locality of interactions.
2958 This means that there will be limitations on the range of interactions.
2959 By default, {\tt mdrun} tries to find the optimal balance between
2960 interaction range and efficiency. But it can happen that a simulation
2961 stops with an error message about missing interactions,
2962 or that a simulation might run slightly faster with shorter
2963 interaction ranges. A list of interaction ranges
2964 and their default values is given in \tabref{dd_ranges}.
2965
2966 \begin{table}
2967 \centerline{
2968 \begin{tabular}{|c|c|ll|}
2969 \dline
2970 interaction & range & option & default \\
2971 \dline
2972 non-bonded        & $r_c$ = max($r_{\mathrm{list}}$,$r_{\mathrm{VdW}}$,$r_{\mathrm{Coul}}$) & {\tt mdp} file & \\
2973 two-body bonded   & max($r_{\mathrm{mb}}$,$r_c$) & {\tt mdrun -rdd} & starting conf. + 10\% \\
2974 multi-body bonded & $r_{\mathrm{mb}}$ & {\tt mdrun -rdd} & starting conf. + 10\% \\
2975 constraints       & $r_{\mathrm{con}}$ & {\tt mdrun -rcon} & est. from bond lengths \\
2976 virtual sites     & $r_{\mathrm{con}}$ & {\tt mdrun -rcon} & 0 \\
2977 \dline
2978 \end{tabular}
2979 }
2980 \caption{The interaction ranges with domain decomposition.}
2981 \label{tab:dd_ranges}
2982 \end{table}
2983
2984 In most cases the defaults of {\tt mdrun} should not cause the simulation
2985 to stop with an error message of missing interactions.
2986 The range for the bonded interactions is determined from the distance
2987 between bonded charge-groups in the starting configuration, with 10\% added
2988 for headroom. For the constraints, the value of $r_{\mathrm{con}}$ is determined by
2989 taking the maximum distance that ({\tt lincs_order + 1}) bonds can cover
2990 when they all connect at angles of 120 degrees.
2991 The actual constraint communication is not limited by $r_{\mathrm{con}}$,
2992 but by the minimum cell size $L_C$, which has the following lower limit:
2993 \beq
2994 L_C \geq \max(r_{\mathrm{mb}},r_{\mathrm{con}})
2995 \eeq
2996 Without dynamic load balancing the system is actually allowed to scale
2997 beyond this limit when pressure scaling is used.
2998 {\bf Note} that for triclinic boxes, $L_C$ is not simply the box diagonal
2999 component divided by the number of cells in that direction,
3000 rather it is the shortest distance between the triclinic cells borders.
3001 For rhombic dodecahedra this is a factor of $\sqrt{3/2}$ shorter
3002 along $x$ and $y$.
3003
3004 When $r_{\mathrm{mb}} > r_c$, {\tt mdrun} employs a smart algorithm to reduce
3005 the communication. Simply communicating all charge groups within
3006 $r_{\mathrm{mb}}$ would increase the amount of communication enormously.
3007 Therefore only charge-groups that are connected by bonded interactions
3008 to charge groups which are not locally present are communicated.
3009 This leads to little extra communication, but also to a slightly
3010 increased cost for the domain decomposition setup.
3011 In some cases, {\eg} coarse-grained simulations with a very short cut-off,
3012 one might want to set $r_{\mathrm{mb}}$ by hand to reduce this cost.
3013
3014 \subsection{Multiple-Program, Multiple-Data PME parallelization\index{PME}}
3015 \label{subsec:mpmd_pme}
3016 Electrostatics interactions are long-range, therefore special
3017 algorithms are used to avoid summation over many atom pairs.
3018 In {\gromacs} this is usually
3019 % \ifthenelse{\equal{\gmxlite}{1}}
3020 {.}
3021 {PME (\secref{pme}).}
3022 Since with PME all particles interact with each other, global communication
3023 is required. This will usually be the limiting factor for 
3024 scaling with domain decomposition.
3025 To reduce the effect of this problem, we have come up with
3026 a Multiple-Program, Multiple-Data approach~\cite{Hess2008b}.
3027 Here, some ranks are selected to do only the PME mesh calculation,
3028 while the other ranks, called particle-particle (PP) ranks,
3029 do all the rest of the work.
3030 For rectangular boxes the optimal PP to PME rank ratio is usually 3:1,
3031 for rhombic dodecahedra usually 2:1.
3032 When the number of PME ranks is reduced by a factor of 4, the number
3033 of communication calls is reduced by about a factor of 16.
3034 Or put differently, we can now scale to 4 times more ranks.
3035 In addition, for modern 4 or 8 core machines in a network,
3036 the effective network bandwidth for PME is quadrupled,
3037 since only a quarter of the cores will be using the network connection
3038 on each machine during the PME calculations.
3039
3040 \begin{figure}
3041 \centerline{\includegraphics[width=12cm]{plots/mpmd-pme}}
3042 \caption{
3043 Example of 8 ranks without (left) and with (right) MPMD.
3044 The PME communication (red arrows) is much higher on the left
3045 than on the right. For MPMD additional PP - PME coordinate
3046 and force communication (blue arrows) is required,
3047 but the total communication complexity is lower.
3048 \label{fig:mpmd_pme}
3049 }
3050 \end{figure}
3051
3052 {\tt mdrun} will by default interleave the PP and PME ranks.
3053 If the ranks are not number consecutively inside the machines,
3054 one might want to use {\tt mdrun -ddorder pp_pme}.
3055 For machines with a real 3-D torus and proper communication software
3056 that assigns the ranks accordingly one should use
3057 {\tt mdrun -ddorder cartesian}.
3058
3059 To optimize the performance one should usually set up the cut-offs
3060 and the PME grid such that the PME load is 25 to 33\% of the total
3061 calculation load. {\tt grompp} will print an estimate for this load
3062 at the end and also {\tt mdrun} calculates the same estimate
3063 to determine the optimal number of PME ranks to use.
3064 For high parallelization it might be worthwhile to optimize
3065 the PME load with the {\tt mdp} settings and/or the number
3066 of PME ranks with the {\tt -npme} option of {\tt mdrun}.
3067 For changing the electrostatics settings it is useful to know
3068 the accuracy of the electrostatics remains nearly constant
3069 when the Coulomb cut-off and the PME grid spacing are scaled
3070 by the same factor.
3071 {\bf Note} that it is usually better to overestimate than to underestimate
3072 the number of PME ranks, since the number of PME ranks is smaller
3073 than the number of PP ranks, which leads to less total waiting time.
3074
3075 The PME domain decomposition can be 1-D or 2-D along the $x$ and/or
3076 $y$ axis. 2-D decomposition is also known as \normindex{pencil decomposition} because of
3077 the shape of the domains at high parallelization.
3078 1-D decomposition along the $y$ axis can only be used when
3079 the PP decomposition has only 1 domain along $x$. 2-D PME decomposition
3080 has to have the number of domains along $x$ equal to the number of
3081 the PP decomposition. {\tt mdrun} automatically chooses 1-D or 2-D
3082 PME decomposition (when possible with the total given number of ranks),
3083 based on the minimum amount of communication for the coordinate redistribution
3084 in PME plus the communication for the grid overlap and transposes.
3085 To avoid superfluous communication of coordinates and forces
3086 between the PP and PME ranks, the number of DD cells in the $x$
3087 direction should ideally be the same or a multiple of the number
3088 of PME ranks. By default, {\tt mdrun} takes care of this issue.
3089
3090 \subsection{Domain decomposition flow chart}
3091 In \figref{dd_flow} a flow chart is shown for domain decomposition
3092 with all possible communication for different algorithms.
3093 For simpler simulations, the same flow chart applies,
3094 without the algorithms and communication for
3095 the algorithms that are not used.
3096
3097 \begin{figure}
3098 \centerline{\includegraphics[width=12cm]{plots/flowchart}}
3099 \caption{
3100 Flow chart showing the algorithms and communication (arrows)
3101 for a standard MD simulation with virtual sites, constraints
3102 and separate PME-mesh ranks.
3103 \label{fig:dd_flow}
3104 }
3105 \end{figure}
3106
3107
3108 \section{Implicit solvation\index{implicit solvation}\index{Generalized Born methods}}
3109 \label{sec:gbsa}
3110 Implicit solvent models provide an efficient way of representing 
3111 the electrostatic effects of solvent molecules, while saving a 
3112 large piece of the computations involved in an accurate, aqueous 
3113 description of the surrounding water in molecular dynamics simulations. 
3114 Implicit solvation models offer several advantages compared with 
3115 explicit solvation, including eliminating the need for the equilibration of water 
3116 around the solute, and the absence of viscosity, which allows the protein 
3117 to more quickly explore conformational space.
3118
3119 Implicit solvent calculations in {\gromacs} can be done using the 
3120 generalized Born-formalism, and the Still~\cite{Still97}, HCT~\cite{Truhlar96}, 
3121 and OBC~\cite{Case04} models are available for calculating the Born radii.
3122
3123 Here, the free energy $G_{\mathrm{solv}}$ of solvation is the sum of three terms,
3124 a solvent-solvent cavity term ($G_{\mathrm{cav}}$), a solute-solvent van der
3125 Waals term ($G_{\mathrm{vdw}}$), and finally a solvent-solute electrostatics
3126 polarization term ($G_{\mathrm{pol}}$).
3127
3128 The sum of $G_{\mathrm{cav}}$ and $G_{\mathrm{vdw}}$ corresponds to the (non-polar)
3129 free energy of solvation for a molecule from which all charges
3130 have been removed, and is commonly called $G_{\mathrm{np}}$,
3131 calculated from the total solvent accessible surface area 
3132 multiplied with a surface tension. 
3133 The total expression for the solvation free energy then becomes:
3134
3135 \beq
3136 G_{\mathrm{solv}} = G_{\mathrm{np}}  + G_{\mathrm{pol}}
3137 \label{eqn:gb_solv}
3138 \eeq
3139
3140 Under the generalized Born model, $G_{\mathrm{pol}}$ is calculated from the generalized Born equation~\cite{Still97}:
3141
3142 \beq
3143 G_{\mathrm{pol}} = \left(1-\frac{1}{\epsilon}\right) \sum_{i=1}^n \sum_{j>i}^n \frac {q_i q_j}{\sqrt{r^2_{ij} + b_i b_j \exp\left(\frac{-r^2_{ij}}{4 b_i b_j}\right)}}
3144 \label{eqn:gb_still}
3145 \eeq
3146
3147 In {\gromacs}, we have introduced the substitution~\cite{Larsson10}:
3148
3149 \beq
3150 c_i=\frac{1}{\sqrt{b_i}}
3151 \label{eqn:gb_subst}
3152 \eeq
3153
3154 which makes it possible to introduce a cheap transformation to a new 
3155 variable $x$ when evaluating each interaction, such that:
3156
3157 \beq
3158 x=\frac{r_{ij}}{\sqrt{b_i b_j }} = r_{ij} c_i c_j
3159 \label{eqn:gb_subst2}
3160 \eeq
3161
3162 In the end, the full re-formulation of~\ref{eqn:gb_still} becomes:
3163  
3164 \beq
3165 G_{\mathrm{pol}} = \left(1-\frac{1}{\epsilon}\right) \sum_{i=1}^n \sum_{j>i}^n \frac{q_i q_j}{\sqrt{b_i  b_j}} ~\xi (x) = \left(1-\frac{1}{\epsilon}\right) \sum_{i=1}^n q_i c_i \sum_{j>i}^n q_j c_j~\xi (x)
3166 \label{eqn:gb_final}
3167 \eeq 
3168
3169 The non-polar part ($G_{\mathrm{np}}$) of Equation~\ref{eqn:gb_solv} is calculated 
3170 directly from the Born radius of each atom using a simple ACE type 
3171 approximation by Schaefer {\em et al.}~\cite{Karplus98}, including a 
3172 simple loop over all atoms. 
3173 This requires only one extra solvation parameter, independent of atom type, 
3174 but differing slightly between the three Born radii models.
3175
3176 % LocalWords:  GROningen MAchine BIOSON Groningen GROMACS Berendsen der Spoel
3177 % LocalWords:  Drunen Comp Phys Comm ROck NS FFT pbc EM ifthenelse gmxlite ff
3178 % LocalWords:  octahedra triclinic Ewald PME PPPM trjconv xy solvated
3179 % LocalWords:  boxtypes boxshapes editconf Lennard COM XTC TNG kT defunits
3180 % LocalWords:  Boltzmann's Mueller nb int mdrun chargegroup simplerc prefactor
3181 % LocalWords:  pme waterloops CH NH CO df com virial integrator Verlet vverlet
3182 % LocalWords:  integrators ref timepoint timestep timesteps mdp md vv avek NVE
3183 % LocalWords:  NVT off's leapfrogv lll LR rmfast SPC fs Nos physicality ps GMX
3184 % LocalWords:  Tcoupling nonergodic thermostatting NOSEHOOVER algorithmes ij yx
3185 % LocalWords:  Parrinello Rahman rescales atm anisotropically ccc xz zx yy yz
3186 % LocalWords:  zy zz se barostat compressibilities MTTK NPT Martyna al isobaric
3187 % LocalWords:  Tuckerman vir PV fkT iLt iL Liouville NHC Eq baro mu trj mol bc
3188 % LocalWords:  freezegroup Shannon's polarizability Overhauser barostats iLn KE
3189 % LocalWords:  negligibly thermostatted Tobias  rhombic maxwell et xtc tng TC rlist
3190 % LocalWords:  waals LINCS holonomic plincs lincs unc ang SA Langevin SD amu BD
3191 % LocalWords:  bfgs Broyden Goldfarb Shanno mkT kJ DFLEXIBLE Nocedal diag nmeig
3192 % LocalWords:  diagonalization anaeig nmens covanal ddg feia BT dp dq pV dV dA
3193 % LocalWords:  NpT eq stepsize REMD constrainted website Okabe MPI covar edi dd
3194 % LocalWords:  progman NMR ddcells innerloops ddtric tric dds rdd conf rcon est
3195 % LocalWords:  mb PP MPMD ddorder pp cartesian grompp npme parallelizable edr
3196 % LocalWords:  macromolecule nstlist vacuo parallelization dof indices MBAR AVX
3197 % LocalWords:  TOL numerics parallelized eigenvectors dG parallelepipeds VdW np
3198 % LocalWords:  Coul multi solvation HCT OBC solv cav vdw Schaefer symplectic dt
3199 % LocalWords:  pymbar multinode subensemble Monte solute subst groupconcept GPU
3200 % LocalWords:  dodecahedron octahedron dodecahedra equilibration usinggroups nm
3201 % LocalWords:  topologies rlistlong CUDA GPUs rcoulomb SIMD BlueGene FPUs erfc
3202 % LocalWords:  cutoffschemesupport unbuffered bondeds AdResS OpenMP ewald rtol
3203 % LocalWords:  verletdrift peptide RMS rescaling ergodicity ergodic discretized
3204 % LocalWords:  isothermal compressibility isotropically anisotropic iteratively
3205 % LocalWords:  incompressible integrations translational biomolecules NMA PCA
3206 % LocalWords:  Bennett's equilibrated Hamiltonians covariance equilibrate
3207 % LocalWords:  inhomogeneous conformational online other's th