src/gromacs/domdec/domdec_box.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2009,2010,2014,2015, 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
  36 /*! \internal \file
  37  *
  38  * \brief This file defines functions used by the domdec module
  39  * for (bounding) box and pbc information generation.
  40  *
  41  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  42  * \ingroup module_domdec
  43  */
  44
  45 #include "gmxpre.h"
  46
  47 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
  48 #include "gromacs/domdec/domdec_network.h"
  49 #include "gromacs/legacyheaders/network.h"
  50 #include "gromacs/legacyheaders/nsgrid.h"
  51 #include "gromacs/legacyheaders/typedefs.h"
  52 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
  53 #include "gromacs/math/vec.h"
  54 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  55 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  56
  57 /*! \brief Calculates the average and standard deviation in 3D of n charge groups */
  58 static void calc_cgcm_av_stddev(t_block *cgs, int n, rvec *x, rvec av, rvec stddev,
  59                                 t_commrec *cr_sum)
  60 {
  61     int   *cgindex;
  62     dvec   s1, s2;
  63     double buf[7];
  64     int    cg, d, k0, k1, k, nrcg;
  65     real   inv_ncg;
  66     rvec   cg_cm;
  67
  68     clear_dvec(s1);
  69     clear_dvec(s2);
  70
  71     cgindex = cgs->index;
  72     for (cg = 0; cg < n; cg++)
  73     {
  74         k0      = cgindex[cg];
  75         k1      = cgindex[cg+1];
  76         nrcg    = k1 - k0;
  77         if (nrcg == 1)
  78         {
  79             copy_rvec(x[k0], cg_cm);
  80         }
  81         else
  82         {
  83             inv_ncg = 1.0/nrcg;
  84
  85             clear_rvec(cg_cm);
  86             for (k = k0; (k < k1); k++)
  87             {
  88                 rvec_inc(cg_cm, x[k]);
  89             }
  90             for (d = 0; (d < DIM); d++)
  91             {
  92                 cg_cm[d] *= inv_ncg;
  93             }
  94         }
  95         for (d = 0; d < DIM; d++)
  96         {
  97             s1[d] += cg_cm[d];
  98             s2[d] += cg_cm[d]*cg_cm[d];
  99         }
 100     }
 101
 102     if (cr_sum != NULL)
 103     {
 104         for (d = 0; d < DIM; d++)
 105         {
 106             buf[d]     = s1[d];
 107             buf[DIM+d] = s2[d];
 108         }
 109         buf[6] = n;
 110         gmx_sumd(7, buf, cr_sum);
 111         for (d = 0; d < DIM; d++)
 112         {
 113             s1[d] = buf[d];
 114             s2[d] = buf[DIM+d];
 115         }
 116         n = (int)(buf[6] + 0.5);
 117     }
 118
 119     dsvmul(1.0/n, s1, s1);
 120     dsvmul(1.0/n, s2, s2);
 121
 122     for (d = 0; d < DIM; d++)
 123     {
 124         av[d]     = s1[d];
 125         stddev[d] = sqrt(s2[d] - s1[d]*s1[d]);
 126     }
 127 }
 128
 129 /*! \brief Determines if dimensions require triclinic treatment and stores this info in ddbox */
 130 static void set_tric_dir(ivec *dd_nc, gmx_ddbox_t *ddbox, matrix box)
 131 {
 132     int   npbcdim, d, i, j;
 133     rvec *v, *normal;
 134     real  dep, inv_skew_fac2;
 135
 136     npbcdim = ddbox->npbcdim;
 137     normal  = ddbox->normal;
 138     for (d = 0; d < DIM; d++)
 139     {
 140         ddbox->tric_dir[d] = 0;
 141         for (j = d+1; j < npbcdim; j++)
 142         {
 143             if (box[j][d] != 0)
 144             {
 145                 ddbox->tric_dir[d] = 1;
 146                 if (dd_nc != NULL && (*dd_nc)[j] > 1 && (*dd_nc)[d] == 1)
 147                 {
 148                     gmx_fatal(FARGS, "Domain decomposition has not been implemented for box vectors that have non-zero components in directions that do not use domain decomposition: ncells = %d %d %d, box vector[%d] = %f %f %f",
 149                               (*dd_nc)[XX], (*dd_nc)[YY], (*dd_nc)[ZZ],
 150                               j+1, box[j][XX], box[j][YY], box[j][ZZ]);
 151                 }
 152             }
 153         }
 154
 155         /* Convert box vectors to orthogonal vectors for this dimension,
 156          * for use in distance calculations.
 157          * Set the trilinic skewing factor that translates
 158          * the thickness of a slab perpendicular to this dimension
 159          * into the real thickness of the slab.
 160          */
 161         if (ddbox->tric_dir[d])
 162         {
 163             inv_skew_fac2 = 1;
 164             v             = ddbox->v[d];
 165             if (d == XX || d == YY)
 166             {
 167                 /* Normalize such that the "diagonal" is 1 */
 168                 svmul(1/box[d+1][d+1], box[d+1], v[d+1]);
 169                 for (i = 0; i < d; i++)
 170                 {
 171                     v[d+1][i] = 0;
 172                 }
 173                 inv_skew_fac2 += sqr(v[d+1][d]);
 174                 if (d == XX)
 175                 {
 176                     /* Normalize such that the "diagonal" is 1 */
 177                     svmul(1/box[d+2][d+2], box[d+2], v[d+2]);
 178                     for (i = 0; i < d; i++)
 179                     {
 180                         v[d+2][i] = 0;
 181                     }
 182                     /* Make vector [d+2] perpendicular to vector [d+1],
 183                      * this does not affect the normalization.
 184                      */
 185                     dep = iprod(v[d+1], v[d+2])/norm2(v[d+1]);
 186                     for (i = 0; i < DIM; i++)
 187                     {
 188                         v[d+2][i] -= dep*v[d+1][i];
 189                     }
 190                     inv_skew_fac2 += sqr(v[d+2][d]);
 191
 192                     cprod(v[d+1], v[d+2], normal[d]);
 193                 }
 194                 else
 195                 {
 196                     /* cross product with (1,0,0) */
 197                     normal[d][XX] =  0;
 198                     normal[d][YY] =  v[d+1][ZZ];
 199                     normal[d][ZZ] = -v[d+1][YY];
 200                 }
 201                 if (debug)
 202                 {
 203                     fprintf(debug, "box[%d]  %.3f %.3f %.3f\n",
 204                             d, box[d][XX], box[d][YY], box[d][ZZ]);
 205                     for (i = d+1; i < DIM; i++)
 206                     {
 207                         fprintf(debug, "  v[%d]  %.3f %.3f %.3f\n",
 208                                 i, v[i][XX], v[i][YY], v[i][ZZ]);
 209                     }
 210                 }
 211             }
 212             ddbox->skew_fac[d] = 1.0/sqrt(inv_skew_fac2);
 213             /* Set the normal vector length to skew_fac */
 214             dep = ddbox->skew_fac[d]/norm(normal[d]);
 215             svmul(dep, normal[d], normal[d]);
 216
 217             if (debug)
 218             {
 219                 fprintf(debug, "skew_fac[%d] = %f\n", d, ddbox->skew_fac[d]);
 220                 fprintf(debug, "normal[%d]  %.3f %.3f %.3f\n",
 221                         d, normal[d][XX], normal[d][YY], normal[d][ZZ]);
 222             }
 223         }
 224         else
 225         {
 226             ddbox->skew_fac[d] = 1;
 227
 228             for (i = 0; i < DIM; i++)
 229             {
 230                 clear_rvec(ddbox->v[d][i]);
 231                 ddbox->v[d][i][i] = 1;
 232             }
 233             clear_rvec(normal[d]);
 234             normal[d][d] = 1;
 235         }
 236     }
 237 }
 238
 239 /*! \brief This function calculates and bounding box and pbc infor and populates ddbox */
 240 static void low_set_ddbox(t_inputrec *ir, ivec *dd_nc, matrix box,
 241                           gmx_bool bCalcUnboundedSize, int ncg, t_block *cgs, rvec *x,
 242                           t_commrec *cr_sum,
 243                           gmx_ddbox_t *ddbox)
 244 {
 245     rvec av, stddev;
 246     real b0, b1;
 247     int  d;
 248
 249     ddbox->npbcdim     = ePBC2npbcdim(ir->ePBC);
 250     ddbox->nboundeddim = inputrec2nboundeddim(ir);
 251
 252     for (d = 0; d < ddbox->nboundeddim; d++)
 253     {
 254         ddbox->box0[d]     = 0;
 255         ddbox->box_size[d] = box[d][d];
 256     }
 257
 258     if (ddbox->nboundeddim < DIM && bCalcUnboundedSize)
 259     {
 260         calc_cgcm_av_stddev(cgs, ncg, x, av, stddev, cr_sum);
 261
 262         /* GRID_STDDEV_FAC * stddev
 263          * gives a uniform load for a rectangular block of cg's.
 264          * For a sphere it is not a bad approximation for 4x1x1 up to 4x2x2.
 265          */
 266         for (d = ddbox->nboundeddim; d < DIM; d++)
 267         {
 268             b0 = av[d] - GRID_STDDEV_FAC*stddev[d];
 269             b1 = av[d] + GRID_STDDEV_FAC*stddev[d];
 270             if (debug)
 271             {
 272                 fprintf(debug, "Setting global DD grid boundaries to %f - %f\n",
 273                         b0, b1);
 274             }
 275             ddbox->box0[d]     = b0;
 276             ddbox->box_size[d] = b1 - b0;
 277         }
 278     }
 279
 280     set_tric_dir(dd_nc, ddbox, box);
 281 }
 282
 283 void set_ddbox(gmx_domdec_t *dd, gmx_bool bMasterState, t_commrec *cr_sum,
 284                t_inputrec *ir, matrix box,
 285                gmx_bool bCalcUnboundedSize, t_block *cgs, rvec *x,
 286                gmx_ddbox_t *ddbox)
 287 {
 288     if (!bMasterState || DDMASTER(dd))
 289     {
 290         low_set_ddbox(ir, &dd->nc, box, bCalcUnboundedSize,
 291                       bMasterState ? cgs->nr : dd->ncg_home, cgs, x,
 292                       bMasterState ? NULL : cr_sum,
 293                       ddbox);
 294     }
 295
 296     if (bMasterState)
 297     {
 298         dd_bcast(dd, sizeof(gmx_ddbox_t), ddbox);
 299     }
 300 }
 301
 302 void set_ddbox_cr(t_commrec *cr, ivec *dd_nc,
 303                   t_inputrec *ir, matrix box, t_block *cgs, rvec *x,
 304                   gmx_ddbox_t *ddbox)
 305 {
 306     if (MASTER(cr))
 307     {
 308         low_set_ddbox(ir, dd_nc, box, TRUE, cgs->nr, cgs, x, NULL, ddbox);
 309     }
 310
 311     gmx_bcast(sizeof(gmx_ddbox_t), ddbox, cr);
 312 }