src/contrib/pmetest.c

   1 /*
   2  *
   3  *                This source code is part of
   4  *
   5  *                 G   R   O   M   A   C   S
   6  *
   7  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   8  *
   9  *                        VERSION 3.3.99_development_20071104
  10  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  11  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  12  * Copyright (c) 2001-2006, The GROMACS development team,
  13  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  14
  15  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  16  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  17  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  18  * of the License, or (at your option) any later version.
  19  *
  20  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  21  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  22  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  23  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  24  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  25  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  26  *
  27  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  28  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  29  *
  30  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  31  *
  32  * And Hey:
  33  * Groningen Machine for Chemical Simulation
  34  */
  35 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  36 #include <config.h>
  37 #endif
  38
  39 #include "typedefs.h"
  40 #include "macros.h"
  41 #include "smalloc.h"
  42 #include "copyrite.h"
  43 #include "main.h"
  44 #include "nrnb.h"
  45 #include "txtdump.h"
  46 #include "tpxio.h"
  47 #include "statutil.h"
  48 #include "futil.h"
  49 #include "gmx_fatal.h"
  50 #include "vec.h"
  51 #include "mdatoms.h"
  52 #include "coulomb.h"
  53 #include "nsb.h"
  54 #include "rmpbc.h"
  55 #include "pme.h"
  56 #include "force.h"
  57 #include "xvgr.h"
  58 #include "pbc.h"
  59
  60 #ifdef GMX_LIB_MPI
  61 #include <mpi.h>
  62 #endif
  63 #ifdef GMX_THREAD_MPI
  64 #include "tmpi.h"
  65 #endif
  66
  67 #include "block_tx.h"
  68
  69 rvec *xptr=NULL;
  70
  71 static int comp_xptr(const void *a,const void *b)
  72 {
  73   int  va,vb;
  74   real dx;
  75
  76   va = *(int *)a;
  77   vb = *(int *)b;
  78
  79   if ((dx = (xptr[va][XX] - xptr[vb][XX])) < 0)
  80     return -1;
  81   else if (dx > 0)
  82     return 1;
  83   else
  84     return 0;
  85 }
  86
  87 static void do_my_pme(FILE *fp,real tm,gmx_bool bVerbose,t_inputrec *ir,
  88                       rvec x[],rvec xbuf[],rvec f[],
  89                       real charge[],real qbuf[],real qqbuf[],
  90                       matrix box,gmx_bool bSort,
  91                       t_commrec *cr,t_nsborder *nsb,t_nrnb *nrnb,
  92                       t_block *excl,real qtot,
  93                       t_forcerec *fr,int index[],FILE *fp_xvg,
  94                       int ngroups,unsigned short cENER[])
  95 {
  96   real   ener,vcorr,q,xx,dvdl=0,vdip,vcharge;
  97   tensor vir,vir_corr,vir_tot;
  98   rvec   mu_tot[2];
  99   int    i,m,ii,ig,jg;
 100   real   **epme,*qptr;
 101
 102   /* Initiate local variables */
 103   fr->f_el_recip = f;
 104   clear_mat(vir);
 105   clear_mat(vir_corr);
 106
 107   if (ngroups > 1) {
 108     fprintf(fp,"There are %d energy groups\n",ngroups);
 109     snew(epme,ngroups);
 110     for(i=0; (i<ngroups); i++)
 111       snew(epme[i],ngroups);
 112   }
 113
 114   /* Put x is in the box, this part needs to be parallellized properly */
 115   /*put_atoms_in_box(box,nsb->natoms,x);*/
 116   /* Here sorting of X (and q) is done.
 117    * Alternatively, one could just put the atoms in one of the
 118    * cr->nnodes slabs. That is much cheaper than sorting.
 119    */
 120   for(i=0; (i<nsb->natoms); i++)
 121     index[i] = i;
 122   if (bSort) {
 123     xptr = x;
 124     qsort(index,nsb->natoms,sizeof(index[0]),comp_xptr);
 125     xptr = NULL; /* To trap unintentional use of the ptr */
 126   }
 127   /* After sorting we only need the part that is to be computed on
 128    * this processor. We also compute the mu_tot here (system dipole)
 129    */
 130   clear_rvec(mu_tot[0]);
 131   for(i=START(nsb); (i<START(nsb)+HOMENR(nsb)); i++) {
 132     ii      = index[i];
 133     q       = charge[ii];
 134     qbuf[i] = q;
 135     for(m=0; (m<DIM); m++) {
 136       xx         = x[ii][m];
 137       xbuf[i][m] = xx;
 138       mu_tot[0][m] += q*xx;
 139     }
 140     clear_rvec(f[ii]);
 141   }
 142   copy_rvec(mu_tot[0],mu_tot[1]);
 143   if (debug) {
 144     pr_rvec(debug,0,"qbuf",qbuf,nsb->natoms,TRUE);
 145     pr_rvecs(debug,0,"xbuf",xbuf,nsb->natoms);
 146     pr_rvecs(debug,0,"box",box,DIM);
 147   }
 148   for(ig=0; (ig<ngroups); ig++) {
 149     for(jg=ig; (jg<ngroups); jg++) {
 150       if (ngroups > 1) {
 151         for(i=START(nsb); (i<START(nsb)+HOMENR(nsb)); i++) {
 152           if ((cENER[i] == ig) || (cENER[i] == jg))
 153             qqbuf[i] = qbuf[i];
 154           else
 155             qqbuf[i] = 0;
 156         }
 157         qptr = qqbuf;
 158       }
 159       else
 160         qptr = qbuf;
 161       ener  = do_pme(fp,bVerbose,ir,xbuf,f,qptr,qptr,box,cr,
 162                      nsb,nrnb,vir,fr->ewaldcoeff,FALSE,0,&dvdl,FALSE);
 163       vcorr = ewald_LRcorrection(fp,nsb,cr,fr,qptr,qptr,excl,xbuf,box,mu_tot,
 164                                  ir->ewald_geometry,ir->epsilon_surface,
 165                                  0,&dvdl,&vdip,&vcharge);
 166       gmx_sum(1,&ener,cr);
 167       gmx_sum(1,&vcorr,cr);
 168       if (ngroups > 1)
 169         epme[ig][jg] = ener+vcorr;
 170     }
 171   }
 172   if (ngroups > 1) {
 173     if (fp_xvg)
 174       fprintf(fp_xvg,"%10.3f",tm);
 175     for(ig=0; (ig<ngroups); ig++) {
 176       for(jg=ig; (jg<ngroups); jg++) {
 177         if (ig != jg)
 178           epme[ig][jg] -= epme[ig][ig]+epme[jg][jg];
 179         if (fp_xvg)
 180           fprintf(fp_xvg,"  %12.5e",epme[ig][jg]);
 181       }
 182     }
 183     if (fp_xvg)
 184       fprintf(fp_xvg,"\n");
 185   }
 186   else {
 187     fprintf(fp,"Time: %10.3f Energy: %12.5e  Correction: %12.5e  Total: %12.5e\n",
 188             tm,ener,vcorr,ener+vcorr);
 189     if (fp_xvg)
 190       fprintf(fp_xvg,"%10.3f %12.5e %12.5e %12.5e\n",tm,ener+vcorr,vdip,vcharge);
 191     if (bVerbose) {
 192       m_add(vir,vir_corr,vir_tot);
 193       gmx_sum(9,vir_tot[0],cr);
 194       pr_rvecs(fp,0,"virial",vir_tot,DIM);
 195     }
 196     fflush(fp);
 197   }
 198 }
 199
 200 int main(int argc,char *argv[])
 201 {
 202   static char *desc[] = {
 203     "The [TT]pmetest[tt] program tests the scaling of the PME code. When only given",
 204     "a [TT].tpr[tt] file it will compute PME for one frame. When given a trajectory",
 205     "it will do so for all the frames in the trajectory. Before the PME",
 206     "routine is called the coordinates are sorted along the X-axis.[PAR]",
 207     "As an extra service to the public the program can also compute",
 208     "long-range Coulomb energies for components of the system. When the",
 209     "[TT]-groups[tt] flag is given to the program the energy groups",
 210     "from the [TT].tpr[tt] file will be read, and half an energy matrix computed."
 211   };
 212   t_commrec    *cr,*mcr;
 213   static t_filenm fnm[] = {
 214     { efTPX, NULL,      NULL,       ffREAD  },
 215     { efTRN, "-o",      NULL,       ffWRITE },
 216     { efLOG, "-g",      "pme",      ffWRITE },
 217     { efTRX, "-f",      NULL,       ffOPTRD },
 218     { efXVG, "-x",      "ener-pme", ffWRITE }
 219   };
 220 #define NFILE asize(fnm)
 221
 222   /* Command line options ! */
 223   static gmx_bool bVerbose=FALSE;
 224   static gmx_bool bOptFFT=FALSE;
 225   static gmx_bool bSort=FALSE;
 226   static int  ewald_geometry=eewg3D;
 227   static int  nnodes=1;
 228   static int  pme_order=0;
 229   static rvec grid = { -1, -1, -1 };
 230   static real rc   = 0.0;
 231   static real dtol = 0.0;
 232   static gmx_bool bGroups = FALSE;
 233   static t_pargs pa[] = {
 234     { "-np",      FALSE, etINT, {&nnodes},
 235       "Number of nodes, must be the same as used for [TT]grompp[tt]" },
 236     { "-v",       FALSE, etBOOL,{&bVerbose},
 237       "Be loud and noisy" },
 238     { "-sort",    FALSE, etBOOL,{&bSort},
 239       "Sort coordinates. Crucial for domain decomposition." },
 240     { "-grid",    FALSE, etRVEC,{&grid},
 241       "Number of grid cells in X, Y, Z dimension (if -1 use from [TT].tpr[tt])" },
 242     { "-order",   FALSE, etINT, {&pme_order},
 243       "Order of the PME spreading algorithm" },
 244     { "-groups",  FALSE, etBOOL, {&bGroups},
 245       "Compute half an energy matrix based on the energy groups in your [TT].tpr[tt] file" },
 246     { "-rc",      FALSE, etREAL, {&rc},
 247       "Rcoulomb for Ewald summation" },
 248     { "-tol",     FALSE, etREAL, {&dtol},
 249       "Tolerance for Ewald summation" }
 250   };
 251   FILE        *fp;
 252   t_inputrec  *ir;
 253   t_topology  top;
 254   t_tpxheader tpx;
 255   t_nrnb      nrnb;
 256   t_nsborder  *nsb;
 257   t_forcerec  *fr;
 258   t_mdatoms   *mdatoms;
 259   char        title[STRLEN];
 260   int         natoms,step,status,i,ncg,root;
 261   real        t,lambda,ewaldcoeff,qtot;
 262   rvec        *x,*f,*xbuf;
 263   int         *index;
 264   gmx_bool        bCont;
 265   real        *charge,*qbuf,*qqbuf;
 266   matrix      box;
 267
 268   /* Start the actual parallel code if necessary */
 269   cr   = init_par(&argc,&argv);
 270   root = 0;
 271
 272   if (MASTER(cr))
 273     CopyRight(stderr,argv[0]);
 274
 275   /* Parse command line on all processors, arguments are passed on in
 276    * init_par (see above)
 277    */
 278   parse_common_args(&argc,argv,
 279                     PCA_KEEP_ARGS | PCA_NOEXIT_ON_ARGS | PCA_BE_NICE |
 280                     PCA_CAN_SET_DEFFNM | (MASTER(cr) ? 0 : PCA_QUIET),
 281                     NFILE,fnm,asize(pa),pa,asize(desc),desc,0,NULL);
 282
 283 #ifndef GMX_MPI
 284   if (nnodes > 1)
 285     gmx_fatal(FARGS,"GROMACS compiled without MPI support - can't do parallel runs");
 286 #endif
 287
 288   /* Open log files on all processors */
 289   open_log(ftp2fn(efLOG,NFILE,fnm),cr);
 290   snew(ir,1);
 291
 292   if (MASTER(cr)) {
 293     /* Read tpr file etc. */
 294     read_tpxheader(ftp2fn(efTPX,NFILE,fnm),&tpx,FALSE,NULL,NULL);
 295     snew(x,tpx.natoms);
 296     read_tpx(ftp2fn(efTPX,NFILE,fnm),&step,&t,&lambda,ir,
 297              box,&natoms,x,NULL,NULL,&top);
 298     /* Charges */
 299     qtot = 0;
 300     snew(charge,natoms);
 301     for(i=0; (i<natoms); i++) {
 302       charge[i] = top.atoms.atom[i].q;
 303       qtot += charge[i];
 304     }
 305
 306     /* Grid stuff */
 307     if (opt2parg_bSet("-grid",asize(pa),pa)) {
 308       ir->nkx = grid[XX];
 309       ir->nky = grid[YY];
 310       ir->nkz = grid[ZZ];
 311     }
 312     /* Check command line parameters for consistency */
 313     if ((ir->nkx <= 0) || (ir->nky <= 0) || (ir->nkz <= 0))
 314       gmx_fatal(FARGS,"PME grid = %d %d %d",ir->nkx,ir->nky,ir->nkz);
 315     if (opt2parg_bSet("-rc",asize(pa),pa))
 316       ir->rcoulomb = rc;
 317     if (ir->rcoulomb <= 0)
 318       gmx_fatal(FARGS,"rcoulomb should be > 0 (not %f)",ir->rcoulomb);
 319     if (opt2parg_bSet("-order",asize(pa),pa))
 320       ir->pme_order = pme_order;
 321     if (ir->pme_order <= 0)
 322       gmx_fatal(FARGS,"pme_order should be > 0 (not %d)",ir->pme_order);
 323     if (opt2parg_bSet("-tol",asize(pa),pa))
 324       ir->ewald_rtol = dtol;
 325     if (ir->ewald_rtol <= 0)
 326       gmx_fatal(FARGS,"ewald_tol should be > 0 (not %f)",ir->ewald_rtol);
 327   }
 328   else {
 329     init_top(&top);
 330   }
 331
 332   /* Add parallellization code here */
 333   snew(nsb,1);
 334   if (MASTER(cr)) {
 335     ncg = top.blocks[ebCGS].multinr[0];
 336     for(i=0; (i<cr->nnodes-1); i++)
 337       top.blocks[ebCGS].multinr[i] = min(ncg,(ncg*(i+1))/cr->nnodes);
 338     for( ; (i<MAXNODES); i++)
 339       top.blocks[ebCGS].multinr[i] = ncg;
 340   }
 341   if (PAR(cr)) {
 342     /* Set some variables to zero to avoid core dumps */
 343     ir->opts.ngtc = ir->opts.ngacc = ir->opts.ngfrz = ir->opts.ngener = 0;
 344 #ifdef GMX_MPI
 345     /* Distribute the data over processors */
 346     MPI_Bcast(&natoms,1,MPI_INT,root,MPI_COMM_WORLD);
 347     MPI_Bcast(ir,sizeof(*ir),MPI_BYTE,root,MPI_COMM_WORLD);
 348     MPI_Bcast(&qtot,1,GMX_MPI_REAL,root,MPI_COMM_WORLD);
 349 #endif
 350
 351     /* Call some dedicated communication routines, master sends n-1 times */
 352     if (MASTER(cr)) {
 353       for(i=1; (i<cr->nnodes); i++) {
 354         mv_block(i,&(top.blocks[ebCGS]));
 355         mv_block(i,&(top.atoms.excl));
 356       }
 357     }
 358     else {
 359       ld_block(root,&(top.blocks[ebCGS]));
 360       ld_block(root,&(top.atoms.excl));
 361     }
 362     if (!MASTER(cr)) {
 363       snew(charge,natoms);
 364       snew(x,natoms);
 365     }
 366 #ifdef GMX_MPI
 367     MPI_Bcast(charge,natoms,GMX_MPI_REAL,root,MPI_COMM_WORLD);
 368 #endif
 369   }
 370   ewaldcoeff = calc_ewaldcoeff(ir->rcoulomb,ir->ewald_rtol);
 371
 372
 373   if (bVerbose)
 374     pr_inputrec(stdlog,0,"Inputrec",ir);
 375
 376   /* Allocate memory for temp arrays etc. */
 377   snew(xbuf,natoms);
 378   snew(f,natoms);
 379   snew(qbuf,natoms);
 380   snew(qqbuf,natoms);
 381   snew(index,natoms);
 382
 383   /* Initialize the PME code */
 384   init_pme(stdlog,cr,ir->nkx,ir->nky,ir->nkz,ir->pme_order,
 385            natoms,FALSE,bOptFFT,ewald_geometry);
 386
 387   /* MFlops accounting */
 388   init_nrnb(&nrnb);
 389
 390   /* Initialize the work division */
 391   calc_nsb(stdlog,&(top.blocks[ebCGS]),cr->nnodes,nsb,0);
 392   nsb->nodeid = cr->nodeid;
 393   print_nsb(stdlog,"pmetest",nsb);
 394
 395   /* Initiate forcerec */
 396   mdatoms = atoms2md(stdlog,&top.atoms,ir->opts.nFreeze,ir->eI,
 397                      ir->delta_t,0,ir->opts.tau_t,FALSE,FALSE);
 398   snew(fr,1);
 399   init_forcerec(stdlog,fr,ir,&top,cr,mdatoms,nsb,box,FALSE,NULL,NULL,FALSE);
 400
 401   /* First do PME based on coordinates in tpr file, send them to
 402    * other processors if needed.
 403    */
 404   if (MASTER(cr))
 405     fprintf(stdlog,"-----\n"
 406             "Results based on tpr file %s\n",ftp2fn(efTPX,NFILE,fnm));
 407 #ifdef GMX_MPI
 408   if (PAR(cr)) {
 409     MPI_Bcast(x[0],natoms*DIM,GMX_MPI_REAL,root,MPI_COMM_WORLD);
 410     MPI_Bcast(box[0],DIM*DIM,GMX_MPI_REAL,root,MPI_COMM_WORLD);
 411     MPI_Bcast(&t,1,GMX_MPI_REAL,root,MPI_COMM_WORLD);
 412   }
 413 #endif
 414   do_my_pme(stdlog,0,bVerbose,ir,x,xbuf,f,charge,qbuf,qqbuf,box,bSort,
 415             cr,nsb,&nrnb,&(top.atoms.excl),qtot,fr,index,NULL,
 416             bGroups ? ir->opts.ngener : 1,mdatoms->cENER);
 417
 418   /* If we have a trajectry file, we will read the frames in it and compute
 419    * the PME energy.
 420    */
 421   if (ftp2bSet(efTRX,NFILE,fnm)) {
 422     fprintf(stdlog,"-----\n"
 423             "Results based on trx file %s\n",ftp2fn(efTRX,NFILE,fnm));
 424     if (MASTER(cr)) {
 425       sfree(x);
 426       natoms = read_first_x(&status,ftp2fn(efTRX,NFILE,fnm),&t,&x,box);
 427       if (natoms != top.atoms.nr)
 428         gmx_fatal(FARGS,"natoms in trx = %d, in tpr = %d",natoms,top.atoms.nr);
 429       fp = xvgropen(ftp2fn(efXVG,NFILE,fnm),"PME Energy","Time (ps)","E (kJ/mol)");
 430     }
 431     else
 432       fp = NULL;
 433     do {
 434       /* Send coordinates, box and time to the other nodes */
 435 #ifdef GMX_MPI
 436       if (PAR(cr)) {
 437         MPI_Bcast(x[0],natoms*DIM,GMX_MPI_REAL,root,MPI_COMM_WORLD);
 438         MPI_Bcast(box[0],DIM*DIM,GMX_MPI_REAL,root,MPI_COMM_WORLD);
 439         MPI_Bcast(&t,1,GMX_MPI_REAL,root,MPI_COMM_WORLD);
 440       }
 441 #endif
 442       rm_pbc(&top.idef,nsb->natoms,box,x,x);
 443       /* Call the PME wrapper function */
 444       do_my_pme(stdlog,t,bVerbose,ir,x,xbuf,f,charge,qbuf,qqbuf,box,bSort,cr,
 445                 nsb,&nrnb,&(top.atoms.excl),qtot,fr,index,fp,
 446                 bGroups ? ir->opts.ngener : 1,mdatoms->cENER);
 447       /* Only the master processor reads more data */
 448       if (MASTER(cr))
 449           bCont = read_next_x(status,&t,natoms,x,box);
 450       /* Check whether we need to continue */
 451 #ifdef GMX_MPI
 452       if (PAR(cr))
 453           MPI_Bcast(&bCont,1,MPI_INT,root,MPI_COMM_WORLD);
 454 #endif
 455
 456     } while (bCont);
 457
 458     /* Finish I/O, close files */
 459     if (MASTER(cr)) {
 460       close_trx(status);
 461       ffclose(fp);
 462     }
 463   }
 464
 465   if (bVerbose) {
 466     /* Do some final I/O about performance, might be useful in debugging */
 467     fprintf(stdlog,"-----\n");
 468     print_nrnb(stdlog,&nrnb);
 469   }
 470
 471   /* Finish the parallel stuff */
 472   if (gmx_parallel_env_initialized())
 473     gmx_finalize(cr);
 474
 475   /* Thank the audience, as usual */
 476   if (MASTER(cr))
 477     thanx(stderr);
 478
 479   return 0;
 480 }
 481