src/gromacs/legacyheaders/types/forcerec.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014,2015, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37
  38 #ifndef GMX_LEGACYHEADERS_TYPES_FORCEREC_H
  39 #define GMX_LEGACYHEADERS_TYPES_FORCEREC_H
  40
  41 #include "gromacs/legacyheaders/types/enums.h"
  42 #include "gromacs/legacyheaders/types/genborn.h"
  43 #include "gromacs/legacyheaders/types/hw_info.h"
  44 #include "gromacs/legacyheaders/types/interaction_const.h"
  45 #include "gromacs/legacyheaders/types/nblist.h"
  46 #include "gromacs/legacyheaders/types/ns.h"
  47 #include "gromacs/legacyheaders/types/qmmmrec.h"
  48 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  49 #include "gromacs/topology/idef.h"
  50 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  51 #include "gromacs/utility/real.h"
  52
  53 #ifdef __cplusplus
  54 extern "C" {
  55 #endif
  56 #if 0
  57 } /* fixes auto-indentation problems */
  58 #endif
  59
  60 /* Abstract type for PME that is defined only in the routine that use them. */
  61 struct gmx_pme_t;
  62 struct nonbonded_verlet_t;
  63
  64 /* Structure describing the data in a single table */
  65 typedef struct
  66 {
  67     enum gmx_table_interaction  interaction; /* Types of interactions stored in this table */
  68     enum gmx_table_format       format;      /* Interpolation type and data format */
  69
  70     real                        r;           /* range of the table */
  71     int                         n;           /* n+1 is the number of table points */
  72     real                        scale;       /* distance (nm) between two table points */
  73     real                        scale_exp;   /* distance for exponential part of VdW table, not always used */
  74     real *                      data;        /* the actual table data */
  75
  76     /* Some information about the table layout. This can also be derived from the interpolation
  77      * type and the table interactions, but it is convenient to have here for sanity checks, and it makes it
  78      * much easier to access the tables in the nonbonded kernels when we can set the data from variables.
  79      * It is always true that stride = formatsize*ninteractions
  80      */
  81     int                         formatsize;    /* Number of fp variables for each table point (1 for F, 2 for VF, 4 for YFGH, etc.) */
  82     int                         ninteractions; /* Number of interactions in table, 1 for coul-only, 3 for coul+rep+disp. */
  83     int                         stride;        /* Distance to next table point (number of fp variables per table point in total) */
  84 } t_forcetable;
  85
  86 typedef struct
  87 {
  88     t_forcetable   table_elec;
  89     t_forcetable   table_vdw;
  90     t_forcetable   table_elec_vdw;
  91
  92     /* The actual neighbor lists, short and long range, see enum above
  93      * for definition of neighborlist indices.
  94      */
  95     t_nblist nlist_sr[eNL_NR];
  96     t_nblist nlist_lr[eNL_NR];
  97 } t_nblists;
  98
  99 /* macros for the cginfo data in forcerec
 100  *
 101  * Since the tpx format support max 256 energy groups, we do the same here.
 102  * Note that we thus have bits 8-14 still unused.
 103  *
 104  * The maximum cg size in cginfo is 63
 105  * because we only have space for 6 bits in cginfo,
 106  * this cg size entry is actually only read with domain decomposition.
 107  * But there is a smaller limit due to the t_excl data structure
 108  * which is defined in nblist.h.
 109  */
 110 #define SET_CGINFO_GID(cgi, gid)     (cgi) = (((cgi)  &  ~255) | (gid))
 111 #define GET_CGINFO_GID(cgi)        ( (cgi)            &   255)
 112 #define SET_CGINFO_FEP(cgi)          (cgi) =  ((cgi)  |  (1<<15))
 113 #define GET_CGINFO_FEP(cgi)        ( (cgi)            &  (1<<15))
 114 #define SET_CGINFO_EXCL_INTRA(cgi)   (cgi) =  ((cgi)  |  (1<<16))
 115 #define GET_CGINFO_EXCL_INTRA(cgi) ( (cgi)            &  (1<<16))
 116 #define SET_CGINFO_EXCL_INTER(cgi)   (cgi) =  ((cgi)  |  (1<<17))
 117 #define GET_CGINFO_EXCL_INTER(cgi) ( (cgi)            &  (1<<17))
 118 #define SET_CGINFO_SOLOPT(cgi, opt)  (cgi) = (((cgi)  & ~(3<<18)) | ((opt)<<18))
 119 #define GET_CGINFO_SOLOPT(cgi)     (((cgi)>>18)       &   3)
 120 #define SET_CGINFO_CONSTR(cgi)       (cgi) =  ((cgi)  |  (1<<20))
 121 #define GET_CGINFO_CONSTR(cgi)     ( (cgi)            &  (1<<20))
 122 #define SET_CGINFO_SETTLE(cgi)       (cgi) =  ((cgi)  |  (1<<21))
 123 #define GET_CGINFO_SETTLE(cgi)     ( (cgi)            &  (1<<21))
 124 /* This bit is only used with bBondComm in the domain decomposition */
 125 #define SET_CGINFO_BOND_INTER(cgi)   (cgi) =  ((cgi)  |  (1<<22))
 126 #define GET_CGINFO_BOND_INTER(cgi) ( (cgi)            &  (1<<22))
 127 #define SET_CGINFO_HAS_VDW(cgi)      (cgi) =  ((cgi)  |  (1<<23))
 128 #define GET_CGINFO_HAS_VDW(cgi)    ( (cgi)            &  (1<<23))
 129 #define SET_CGINFO_HAS_Q(cgi)        (cgi) =  ((cgi)  |  (1<<24))
 130 #define GET_CGINFO_HAS_Q(cgi)      ( (cgi)            &  (1<<24))
 131 #define SET_CGINFO_NATOMS(cgi, opt)  (cgi) = (((cgi)  & ~(63<<25)) | ((opt)<<25))
 132 #define GET_CGINFO_NATOMS(cgi)     (((cgi)>>25)       &   63)
 133
 134
 135 /* Value to be used in mdrun for an infinite cut-off.
 136  * Since we need to compare with the cut-off squared,
 137  * this value should be slighlty smaller than sqrt(GMX_FLOAT_MAX).
 138  */
 139 #define GMX_CUTOFF_INF 1E+18
 140
 141 /* enums for the neighborlist type */
 142 enum {
 143     enbvdwNONE, enbvdwLJ, enbvdwBHAM, enbvdwTAB, enbvdwNR
 144 };
 145 /* OOR is "one over r" -- standard coul */
 146 enum {
 147     enbcoulNONE, enbcoulOOR, enbcoulRF, enbcoulTAB, enbcoulGB, enbcoulFEWALD, enbcoulNR
 148 };
 149
 150 enum {
 151     egCOULSR, egLJSR, egBHAMSR, egCOULLR, egLJLR, egBHAMLR,
 152     egCOUL14, egLJ14, egGB, egNR
 153 };
 154
 155 typedef struct {
 156     int   nener;      /* The number of energy group pairs     */
 157     real *ener[egNR]; /* Energy terms for each pair of groups */
 158 } gmx_grppairener_t;
 159
 160 typedef struct {
 161     real              term[F_NRE];         /* The energies for all different interaction types */
 162     gmx_grppairener_t grpp;
 163     double            dvdl_lin[efptNR];    /* Contributions to dvdl with linear lam-dependence */
 164     double            dvdl_nonlin[efptNR]; /* Idem, but non-linear dependence                  */
 165     int               n_lambda;
 166     int               fep_state;           /*current fep state -- just for printing */
 167     double           *enerpart_lambda;     /* Partial energy for lambda and flambda[] */
 168     real              foreign_term[F_NRE]; /* alternate array for storing foreign lambda energies */
 169     gmx_grppairener_t foreign_grpp;        /* alternate array for storing foreign lambda energies */
 170 } gmx_enerdata_t;
 171 /* The idea is that dvdl terms with linear lambda dependence will be added
 172  * automatically to enerpart_lambda. Terms with non-linear lambda dependence
 173  * should explicitly determine the energies at foreign lambda points
 174  * when n_lambda > 0.
 175  */
 176
 177 typedef struct {
 178     int  cg_start;
 179     int  cg_end;
 180     int  cg_mod;
 181     int *cginfo;
 182 } cginfo_mb_t;
 183
 184
 185 /* Forward declaration of type for managing Ewald tables */
 186 struct gmx_ewald_tab_t;
 187
 188 typedef struct f_thread_t f_thread_t;
 189
 190 typedef struct {
 191     interaction_const_t *ic;
 192
 193     /* Domain Decomposition */
 194     gmx_bool bDomDec;
 195
 196     /* PBC stuff */
 197     int                  ePBC;
 198     gmx_bool             bMolPBC;
 199     int                  rc_scaling;
 200     rvec                 posres_com;
 201     rvec                 posres_comB;
 202
 203     const gmx_hw_info_t *hwinfo;
 204     const gmx_gpu_opt_t *gpu_opt;
 205     gmx_bool             use_simd_kernels;
 206
 207     /* Interaction for calculated in kernels. In many cases this is similar to
 208      * the electrostatics settings in the inputrecord, but the difference is that
 209      * these variables always specify the actual interaction in the kernel - if
 210      * we are tabulating reaction-field the inputrec will say reaction-field, but
 211      * the kernel interaction will say cubic-spline-table. To be safe we also
 212      * have a kernel-specific setting for the modifiers - if the interaction is
 213      * tabulated we already included the inputrec modification there, so the kernel
 214      * modification setting will say 'none' in that case.
 215      */
 216     int nbkernel_elec_interaction;
 217     int nbkernel_vdw_interaction;
 218     int nbkernel_elec_modifier;
 219     int nbkernel_vdw_modifier;
 220
 221     /* Use special N*N kernels? */
 222     gmx_bool bAllvsAll;
 223     /* Private work data */
 224     void    *AllvsAll_work;
 225     void    *AllvsAll_workgb;
 226
 227     /* Cut-Off stuff.
 228      * Infinite cut-off's will be GMX_CUTOFF_INF (unlike in t_inputrec: 0).
 229      */
 230     real rlist, rlistlong;
 231
 232     /* Dielectric constant resp. multiplication factor for charges */
 233     real zsquare, temp;
 234     real epsilon_r, epsilon_rf, epsfac;
 235
 236     /* Constants for reaction fields */
 237     real kappa, k_rf, c_rf;
 238
 239     /* Charge sum and dipole for topology A/B ([0]/[1]) for Ewald corrections */
 240     double qsum[2];
 241     double q2sum[2];
 242     double c6sum[2];
 243     rvec   mu_tot[2];
 244
 245     /* Dispersion correction stuff */
 246     int  eDispCorr;
 247
 248     /* The shift of the shift or user potentials */
 249     real enershiftsix;
 250     real enershifttwelve;
 251     /* Integrated differces for energy and virial with cut-off functions */
 252     real enerdiffsix;
 253     real enerdifftwelve;
 254     real virdiffsix;
 255     real virdifftwelve;
 256     /* Constant for long range dispersion correction (average dispersion)
 257      * for topology A/B ([0]/[1]) */
 258     real avcsix[2];
 259     /* Constant for long range repulsion term. Relative difference of about
 260      * 0.1 percent with 0.8 nm cutoffs. But hey, it's cheap anyway...
 261      */
 262     real avctwelve[2];
 263
 264     /* Fudge factors */
 265     real fudgeQQ;
 266
 267     /* Table stuff */
 268     gmx_bool     bcoultab;
 269     gmx_bool     bvdwtab;
 270     /* The normal tables are in the nblists struct(s) below */
 271     t_forcetable tab14; /* for 1-4 interactions only */
 272
 273     /* PPPM & Shifting stuff */
 274     int   coulomb_modifier;
 275     real  rcoulomb_switch, rcoulomb;
 276     real *phi;
 277
 278     /* VdW stuff */
 279     int    vdw_modifier;
 280     double reppow;
 281     real   rvdw_switch, rvdw;
 282     real   bham_b_max;
 283
 284     /* Free energy */
 285     int      efep;
 286     real     sc_alphavdw;
 287     real     sc_alphacoul;
 288     int      sc_power;
 289     real     sc_r_power;
 290     real     sc_sigma6_def;
 291     real     sc_sigma6_min;
 292
 293     /* NS Stuff */
 294     int  eeltype;
 295     int  vdwtype;
 296     int  cg0, hcg;
 297     /* solvent_opt contains the enum for the most common solvent
 298      * in the system, which will be optimized.
 299      * It can be set to esolNO to disable all water optimization */
 300     int          solvent_opt;
 301     int          nWatMol;
 302     gmx_bool     bGrid;
 303     gmx_bool     bExcl_IntraCGAll_InterCGNone;
 304     cginfo_mb_t *cginfo_mb;
 305     int         *cginfo;
 306     rvec        *cg_cm;
 307     int          cg_nalloc;
 308     rvec        *shift_vec;
 309
 310     /* The neighborlists including tables */
 311     int                        nnblists;
 312     int                       *gid2nblists;
 313     t_nblists                 *nblists;
 314
 315     int                        cutoff_scheme; /* group- or Verlet-style cutoff */
 316     gmx_bool                   bNonbonded;    /* true if nonbonded calculations are *not* turned off */
 317     struct nonbonded_verlet_t *nbv;
 318
 319     /* The wall tables (if used) */
 320     int            nwall;
 321     t_forcetable **wall_tab;
 322
 323     /* The number of charge groups participating in do_force_lowlevel */
 324     int ncg_force;
 325     /* The number of atoms participating in do_force_lowlevel */
 326     int natoms_force;
 327     /* The number of atoms participating in force and constraints */
 328     int natoms_force_constr;
 329     /* The allocation size of vectors of size natoms_force */
 330     int nalloc_force;
 331
 332     /* Twin Range stuff, f_twin has size natoms_force */
 333     gmx_bool bTwinRange;
 334     int      nlr;
 335     rvec    *f_twin;
 336     /* Constraint virial correction for multiple time stepping */
 337     tensor   vir_twin_constr;
 338
 339     /* Forces that should not enter into the virial summation:
 340      * PPPM/PME/Ewald/posres
 341      */
 342     gmx_bool bF_NoVirSum;
 343     int      f_novirsum_n;
 344     int      f_novirsum_nalloc;
 345     rvec    *f_novirsum_alloc;
 346     /* Pointer that points to f_novirsum_alloc when pressure is calcaluted,
 347      * points to the normal force vectors wen pressure is not requested.
 348      */
 349     rvec *f_novirsum;
 350
 351     /* Long-range forces and virial for PPPM/PME/Ewald */
 352     struct gmx_pme_t *pmedata;
 353     int               ljpme_combination_rule;
 354     tensor            vir_el_recip;
 355     tensor            vir_lj_recip;
 356
 357     /* PME/Ewald stuff */
 358     gmx_bool                bEwald;
 359     real                    ewaldcoeff_q;
 360     real                    ewaldcoeff_lj;
 361     struct gmx_ewald_tab_t *ewald_table;
 362
 363     /* Virial Stuff */
 364     rvec *fshift;
 365     rvec  vir_diag_posres;
 366     dvec  vir_wall_z;
 367
 368     /* Non bonded Parameter lists */
 369     int      ntype; /* Number of atom types */
 370     gmx_bool bBHAM;
 371     real    *nbfp;
 372     real    *ljpme_c6grid; /* C6-values used on grid in LJPME */
 373
 374     /* Energy group pair flags */
 375     int *egp_flags;
 376
 377     /* Shell molecular dynamics flexible constraints */
 378     real fc_stepsize;
 379
 380     /* Generalized born implicit solvent */
 381     gmx_bool       bGB;
 382     /* Generalized born stuff */
 383     real           gb_epsilon_solvent;
 384     /* Table data for GB */
 385     t_forcetable   gbtab;
 386     /* VdW radius for each atomtype (dim is thus ntype) */
 387     real          *atype_radius;
 388     /* Effective radius (derived from effective volume) for each type */
 389     real          *atype_vol;
 390     /* Implicit solvent - surface tension for each atomtype */
 391     real          *atype_surftens;
 392     /* Implicit solvent - radius for GB calculation */
 393     real          *atype_gb_radius;
 394     /* Implicit solvent - overlap for HCT model */
 395     real          *atype_S_hct;
 396     /* Generalized born interaction data */
 397     gmx_genborn_t *born;
 398
 399     /* Table scale for GB */
 400     real gbtabscale;
 401     /* Table range for GB */
 402     real gbtabr;
 403     /* GB neighborlists (the sr list will contain for each atom all other atoms
 404      * (for use in the SA calculation) and the lr list will contain
 405      * for each atom all atoms 1-4 or greater (for use in the GB calculation)
 406      */
 407     t_nblist gblist_sr;
 408     t_nblist gblist_lr;
 409     t_nblist gblist;
 410
 411     /* Inverse square root of the Born radii for implicit solvent */
 412     real *invsqrta;
 413     /* Derivatives of the potential with respect to the Born radii */
 414     real *dvda;
 415     /* Derivatives of the Born radii with respect to coordinates */
 416     real *dadx;
 417     real *dadx_rawptr;
 418     int   nalloc_dadx; /* Allocated size of dadx */
 419
 420     /* If > 0 signals Test Particle Insertion,
 421      * the value is the number of atoms of the molecule to insert
 422      * Only the energy difference due to the addition of the last molecule
 423      * should be calculated.
 424      */
 425     gmx_bool n_tpi;
 426
 427     /* Neighbor searching stuff */
 428     gmx_ns_t ns;
 429
 430     /* QMMM stuff */
 431     gmx_bool         bQMMM;
 432     t_QMMMrec       *qr;
 433
 434     /* QM-MM neighborlists */
 435     t_nblist QMMMlist;
 436
 437     /* Limit for printing large forces, negative is don't print */
 438     real print_force;
 439
 440     /* coarse load balancing time measurement */
 441     double t_fnbf;
 442     double t_wait;
 443     int    timesteps;
 444
 445     /* parameter needed for AdResS simulation */
 446     int             adress_type;
 447     gmx_bool        badress_tf_full_box;
 448     real            adress_const_wf;
 449     real            adress_ex_width;
 450     real            adress_hy_width;
 451     int             adress_icor;
 452     int             adress_site;
 453     rvec            adress_refs;
 454     int             n_adress_tf_grps;
 455     int           * adress_tf_table_index;
 456     int            *adress_group_explicit;
 457     t_forcetable *  atf_tabs;
 458     real            adress_ex_forcecap;
 459     gmx_bool        adress_do_hybridpairs;
 460
 461     /* User determined parameters, copied from the inputrec */
 462     int  userint1;
 463     int  userint2;
 464     int  userint3;
 465     int  userint4;
 466     real userreal1;
 467     real userreal2;
 468     real userreal3;
 469     real userreal4;
 470
 471     /* Thread local force and energy data */
 472     /* FIXME move to bonded_thread_data_t */
 473     int         nthreads;
 474     int         red_ashift;
 475     int         red_nblock;
 476     f_thread_t *f_t;
 477
 478     /* Maximum thread count for uniform distribution of bondeds over threads */
 479     int   bonded_max_nthread_uniform;
 480
 481     /* Exclusion load distribution over the threads */
 482     int  *excl_load;
 483 } t_forcerec;
 484
 485 /* Important: Starting with Gromacs-4.6, the values of c6 and c12 in the nbfp array have
 486  * been scaled by 6.0 or 12.0 to save flops in the kernels. We have corrected this everywhere
 487  * in the code, but beware if you are using these macros externally.
 488  */
 489 #define C6(nbfp, ntp, ai, aj)     (nbfp)[2*((ntp)*(ai)+(aj))]
 490 #define C12(nbfp, ntp, ai, aj)    (nbfp)[2*((ntp)*(ai)+(aj))+1]
 491 #define BHAMC(nbfp, ntp, ai, aj)  (nbfp)[3*((ntp)*(ai)+(aj))]
 492 #define BHAMA(nbfp, ntp, ai, aj)  (nbfp)[3*((ntp)*(ai)+(aj))+1]
 493 #define BHAMB(nbfp, ntp, ai, aj)  (nbfp)[3*((ntp)*(ai)+(aj))+2]
 494
 495 #ifdef __cplusplus
 496 }
 497 #endif
 498 #endif