src/gromacs/applied_forces/awh/awh.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2015,2016,2017,2018,2019,2020,2021, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35
  36 /*! \libinternal
  37  * \defgroup module_awh Accelerated weight histogram (AWH) method
  38  * \ingroup module_applied_forces
  39  * \brief
  40  * Implements the "accelerated weight histogram" sampling method.
  41  *
  42  * This class provides the interface between the AWH module and
  43  * other modules using it. Currently AWH can only act on COM pull
  44  * reaction coordinates, but this can easily be extended to other
  45  * types of reaction coordinates.
  46  *
  47  * \author Viveca Lindahl
  48  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  49  * \author Magnus Lundborg
  50  */
  51
  52 /*! \libinternal \file
  53  *
  54  * \brief
  55  * Declares the Awh class.
  56  *
  57  * \author Viveca Lindahl
  58  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  59  * \inlibraryapi
  60  * \ingroup module_awh
  61  */
  62
  63 #ifndef GMX_AWH_H
  64 #define GMX_AWH_H
  65
  66 #include <cstdio>
  67
  68 #include <memory>
  69 #include <string>
  70 #include <vector>
  71
  72 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  73 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  74
  75 struct gmx_multisim_t;
  76 struct gmx_wallcycle;
  77 struct pull_work_t;
  78 struct pull_t;
  79 class t_state;
  80 struct t_commrec;
  81 struct t_enxframe;
  82 struct t_inputrec;
  83 enum class PbcType : int;
  84
  85 namespace gmx
  86 {
  87
  88 template<typename>
  89 class ArrayRef;
  90 struct AwhHistory;
  91 class AwhParams;
  92 class Bias;
  93 struct BiasCoupledToSystem;
  94 class BiasSharing;
  95 class ForceWithVirial;
  96
  97 /*! \libinternal
  98  * \brief Coupling of the accelerated weight histogram method (AWH) with the system.
  99  *
 100  * AWH calculates the free energy along order parameters of the system.
 101  * Free energy barriers are overcome by adaptively tuning a bias potential along
 102  * the order parameter such that the biased distribution along the parameter
 103  * converges toward a chosen target distribution.
 104  *
 105  * The Awh class takes care of the coupling between the system and the AWH
 106  * bias(es). The Awh class contains one or more BiasCoupledToSystem objects.
 107  * The BiasCoupledToSystem class takes care of the reaction coordinate input
 108  * and force output for the single Bias object it containts.
 109  *
 110  * \todo Update parameter reading and checkpointing, when general C++ framework is ready.
 111  */
 112 class Awh
 113 {
 114 public:
 115     /*! \brief Construct an AWH at the start of a simulation.
 116      *
 117      * AWH will here also register itself with the pull struct as the
 118      * potential provider for the pull coordinates given as AWH coordinates
 119      * in the user input. This allows AWH to later apply the bias force to
 120      * these coordinate in \ref Awh::applyBiasForcesAndUpdateBias.
 121      *
 122      * \param[in,out] fplog              General output file, normally md.log, can be nullptr.
 123      * \param[in]     inputRecord        General input parameters (as set up by grompp).
 124      * \param[in]     commRecord         Struct for communication, can be nullptr.
 125      * \param[in]     multiSimRecord     Multi-sim handler
 126      * \param[in]     awhParams          AWH input parameters, consistent with the relevant
 127      * parts of \p inputRecord (as set up by grompp).
 128      * \param[in]     biasInitFilename   Name of file to read PMF and target from.
 129      * \param[in,out] pull_work          Pointer to a pull struct which AWH will
 130      * couple to, has to be initialized, is assumed not to change during the
 131      * lifetime of the Awh object.
 132      * \param[in] numLambdaStates        The number of free energy lambda states.
 133      * \param[in] lambdaState            The initial free energy lambda state of the system.
 134      * \throws    InvalidInputError      If there is user input (or combinations thereof) that is not allowed.
 135      */
 136     Awh(FILE*                 fplog,
 137         const t_inputrec&     inputRecord,
 138         const t_commrec*      commRecord,
 139         const gmx_multisim_t* multiSimRecord,
 140         const AwhParams&      awhParams,
 141         const std::string&    biasInitFilename,
 142         pull_t*               pull_work,
 143         int                   numLambdaStates,
 144         int                   lambdaState);
 145
 146     ~Awh();
 147
 148     /*! \brief Peform an AWH update, to be called every MD step.
 149      *
 150      * An update has two tasks: apply the bias force and improve
 151      * the bias and the free energy estimate that AWH keeps internally.
 152      *
 153      * For the first task, AWH retrieves the pull coordinate values from the pull struct.
 154      * With these, the bias potential and forces are calculated.
 155      * The bias force together with the atom forces and virial
 156      * are passed on to pull which applies the bias force to the atoms.
 157      * This is done at every step.
 158      *
 159      * Secondly, coordinate values are regularly sampled and kept by AWH.
 160      * Convergence of the bias and free energy estimate is achieved by
 161      * updating the AWH bias state after a certain number of samples has been collected.
 162      *
 163      * \note Requires that pull_potential from pull.h has been called first
 164      * since AWH needs the current coordinate values (the pull code checks
 165      * for this).
 166      *
 167      * \param[in]     pbcType          Type of periodic boundary conditions.
 168      * \param[in]     masses           Atoms masses.
 169      * \param[in]     neighborLambdaEnergies An array containing the energy of the system
 170      * in neighboring lambdas. The array is of length numLambdas+1, where numLambdas is
 171      * the number of free energy lambda states. Element 0 in the array is the energy
 172      * of the current state and elements 1..numLambdas contain the energy of the system in the
 173      * neighboring lambda states (also including the current state). When there are no free
 174      * energy lambda state dimensions this can be empty.
 175      * \param[in]     neighborLambdaDhdl     An array containing the dHdL at the neighboring lambda
 176      * points. The array is of length numLambdas+1, where numLambdas is the number of free
 177      * energy lambda states. Element 0 in the array is the dHdL
 178      * of the current state and elements 1..numLambdas contain the dHdL of the system in the
 179      * neighboring lambda states (also including the current state). When there are no free
 180      * energy lambda state dimensions this can be empty.
 181      * \param[in]     box              Box vectors.
 182      * \param[in,out] forceWithVirial  Force and virial buffers, should cover at least the local atoms.
 183      * \param[in]     t                Time.
 184      * \param[in]     step             The current MD step.
 185      * \param[in,out] wallcycle        Wallcycle counter, can be nullptr.
 186      * \param[in,out] fplog            General output file, normally md.log, can be nullptr.
 187      * \returns the potential energy for the bias.
 188      */
 189     real applyBiasForcesAndUpdateBias(PbcType                pbcType,
 190                                       ArrayRef<const real>   masses,
 191                                       ArrayRef<const double> neighborLambdaEnergies,
 192                                       ArrayRef<const double> neighborLambdaDhdl,
 193                                       const matrix           box,
 194                                       gmx::ForceWithVirial*  forceWithVirial,
 195                                       double                 t,
 196                                       int64_t                step,
 197                                       gmx_wallcycle*         wallcycle,
 198                                       FILE*                  fplog);
 199
 200     /*! \brief
 201      * Update the AWH history in preparation for writing to checkpoint file.
 202      *
 203      * Should be called at least on the master rank at checkpoint steps.
 204      *
 205      * Should be called with a valid \p awhHistory (is checked).
 206      *
 207      * \param[in,out] awhHistory  AWH history to set.
 208      */
 209     void updateHistory(AwhHistory* awhHistory) const;
 210
 211     /*! \brief
 212      * Allocate and initialize an AWH history with the given AWH state.
 213      *
 214      * This function should be called at the start of a new simulation
 215      * at least on the master rank.
 216      * Note that only constant data will be initialized here.
 217      * History data is set by \ref Awh::updateHistory.
 218      *
 219      * \returns a shared pointer to the AWH history on the rank that does I/O, nullptr otherwise.
 220      */
 221     std::shared_ptr<AwhHistory> initHistoryFromState() const;
 222
 223     /*! \brief Restore the AWH state from the given history.
 224      *
 225      * Should be called on all ranks (for internal MPI broadcast).
 226      * Should pass a point to an AwhHistory on the master rank that
 227      * is compatible with the AWH setup in this simulation. Will throw
 228      * an exception if it is not compatible.
 229      *
 230      * \param[in] awhHistory  AWH history to restore from.
 231      */
 232     void restoreStateFromHistory(const AwhHistory* awhHistory);
 233
 234     /*! \brief Fills the AWH data block of an energy frame with data at certain steps.
 235      *
 236      * \param[in]     step  The current MD step.
 237      * \param[in,out] fr    Energy data frame.
 238      */
 239     void writeToEnergyFrame(int64_t step, t_enxframe* fr) const;
 240
 241     /*! \brief Returns string "AWH" for registering AWH as an external potential provider with the pull module.
 242      */
 243     static const char* externalPotentialString();
 244
 245     /*! \brief Register the AWH biased coordinates with pull.
 246      *
 247      * This function is public because it needs to be called by grompp
 248      * (and is otherwise only called by Awh()).
 249      * Pull requires all external potentials to register themselves
 250      * before the end of pre-processing and before the first MD step.
 251      * If this has not happened, pull with throw an error.
 252      *
 253      * \param[in]     awhParams  The AWH parameters.
 254      * \param[in,out] pull_work  Pull struct which AWH will register the bias into.
 255      */
 256     static void registerAwhWithPull(const AwhParams& awhParams, pull_t* pull_work);
 257
 258     /*! \brief Get the current free energy lambda state.
 259      * \returns The value of lambdaState_.
 260      */
 261     int fepLambdaState() const { return fepLambdaState_; }
 262
 263     /*! \brief Returns if foreign energy differences are required during this step.
 264      * \param[in]     step             The current MD step.
 265      */
 266     bool needForeignEnergyDifferences(int64_t step) const;
 267
 268     /*! \brief Returns true if AWH has a bias with a free energy lambda state dimension at all.
 269      */
 270     bool hasFepLambdaDimension() const;
 271
 272 private:
 273     /*! \brief Returns whether we need to write output at the current step.
 274      *
 275      * \param[in]     step             The current MD step.
 276      */
 277     bool isOutputStep(int64_t step) const;
 278
 279     std::vector<BiasCoupledToSystem> biasCoupledToSystem_; /**< AWH biases and definitions of their coupling to the system. */
 280     const int64_t    seed_;   /**< Random seed for MC jumping with umbrella type bias potential. */
 281     const int        nstout_; /**< Interval in steps for writing to energy file. */
 282     const t_commrec* commRecord_; /**< Pointer to the communication record. */
 283     //! Object for sharing bias between simulations, only set when needed
 284     std::unique_ptr<BiasSharing> biasSharing_;
 285     pull_t*                      pull_; /**< Pointer to the pull working data. */
 286     double potentialOffset_; /**< The offset of the bias potential which changes due to bias updates. */
 287     const int numFepLambdaStates_; /**< The number of free energy lambda states of the system. */
 288     int       fepLambdaState_;     /**< The current free energy lambda state. */
 289 };
 290
 291 /*! \brief Makes an Awh and prepares to use it if the user input
 292  * requests that
 293  *
 294  * Restores state from history in checkpoint if needed.
 295  *
 296  * \param[in,out] fplog                   General output file, normally md.log, can be nullptr.
 297  * \param[in]     inputRecord             General input parameters (as set up by grompp).
 298  * \param[in]     stateGlobal             A pointer to the global state structure.
 299  * \param[in]     commRecord              Struct for communication, can be nullptr.
 300  * \param[in]     multiSimRecord          Multi-sim handler
 301  * \param[in]     startingFromCheckpoint  Whether the simulation is starting from a checkpoint
 302  * \param[in]     usingShellParticles     Whether the user requested shell particles (which is unsupported)
 303  * \param[in]     biasInitFilename        Name of file to read PMF and target from.
 304  * \param[in,out] pull_work               Pointer to a pull struct which AWH will couple to, has to be initialized,
 305  *                                        is assumed not to change during the lifetime of the Awh object.
 306  * \returns       An initialized Awh module, or nullptr if none was requested.
 307  * \throws        InvalidInputError       If another active module is not supported.
 308  */
 309 std::unique_ptr<Awh> prepareAwhModule(FILE*                 fplog,
 310                                       const t_inputrec&     inputRecord,
 311                                       t_state*              stateGlobal,
 312                                       const t_commrec*      commRecord,
 313                                       const gmx_multisim_t* multiSimRecord,
 314                                       bool                  startingFromCheckpoint,
 315                                       bool                  usingShellParticles,
 316                                       const std::string&    biasInitFilename,
 317                                       pull_t*               pull_work);
 318
 319 } // namespace gmx
 320
 321 #endif /* GMX_AWH_H */