src/gromacs/listed_forces/orires.cpp

   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) 2013,2014,2015,2016,2017 The GROMACS development team.
   7  * Copyright (c) 2018,2019,2020, by the GROMACS development team, led by
   8  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   9  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
  10  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  11  *
  12  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  13  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  14  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  15  * of the License, or (at your option) any later version.
  16  *
  17  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  20  * Lesser General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  23  * License along with GROMACS; if not, see
  24  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  25  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  26  *
  27  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  28  * consider that scientific software is very special. Version
  29  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  30  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  31  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  32  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  33  * official version at http://www.gromacs.org.
  34  *
  35  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  36  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  37  */
  38 #include "gmxpre.h"
  39
  40 #include "orires.h"
  41
  42 #include <climits>
  43 #include <cmath>
  44
  45 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
  46 #include "gromacs/linearalgebra/nrjac.h"
  47 #include "gromacs/math/do_fit.h"
  48 #include "gromacs/math/functions.h"
  49 #include "gromacs/math/vec.h"
  50 #include "gromacs/mdrunutility/multisim.h"
  51 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  52 #include "gromacs/mdtypes/fcdata.h"
  53 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  54 #include "gromacs/mdtypes/mdatom.h"
  55 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
  56 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  57 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  58 #include "gromacs/topology/ifunc.h"
  59 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  60 #include "gromacs/topology/topology.h"
  61 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  62 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  63 #include "gromacs/utility/pleasecite.h"
  64 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  65
  66 using gmx::ArrayRef;
  67 using gmx::RVec;
  68
  69 // TODO This implementation of ensemble orientation restraints is nasty because
  70 // a user can't just do multi-sim with single-sim orientation restraints.
  71
  72 void init_orires(FILE*                 fplog,
  73                  const gmx_mtop_t*     mtop,
  74                  const t_inputrec*     ir,
  75                  const t_commrec*      cr,
  76                  const gmx_multisim_t* ms,
  77                  t_state*              globalState,
  78                  t_oriresdata*         od)
  79 {
  80     od->nr = gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_ORIRES);
  81     if (0 == od->nr)
  82     {
  83         /* Not doing orientation restraints */
  84         return;
  85     }
  86
  87     const int numFitParams = 5;
  88     if (od->nr <= numFitParams)
  89     {
  90         gmx_fatal(FARGS,
  91                   "The system has %d orientation restraints, but at least %d are required, since "
  92                   "there are %d fitting parameters.",
  93                   od->nr, numFitParams + 1, numFitParams);
  94     }
  95
  96     if (ir->bPeriodicMols)
  97     {
  98         /* Since we apply fitting, we need to make molecules whole and this
  99          * can not be done when periodic molecules are present.
 100          */
 101         gmx_fatal(FARGS,
 102                   "Orientation restraints can not be applied when periodic molecules are present "
 103                   "in the system");
 104     }
 105
 106     if (PAR(cr))
 107     {
 108         gmx_fatal(FARGS,
 109                   "Orientation restraints do not work with MPI parallelization. Choose 1 MPI rank, "
 110                   "if possible.");
 111     }
 112
 113     GMX_RELEASE_ASSERT(globalState != nullptr, "We need a valid global state in init_orires");
 114
 115     od->fc  = ir->orires_fc;
 116     od->nex = 0;
 117     od->S   = nullptr;
 118     od->M   = nullptr;
 119     od->eig = nullptr;
 120     od->v   = nullptr;
 121
 122     int*                 nr_ex   = nullptr;
 123     int                  typeMin = INT_MAX;
 124     int                  typeMax = 0;
 125     gmx_mtop_ilistloop_t iloop   = gmx_mtop_ilistloop_init(mtop);
 126     int                  nmol;
 127     while (const InteractionLists* il = gmx_mtop_ilistloop_next(iloop, &nmol))
 128     {
 129         const int numOrires = (*il)[F_ORIRES].size();
 130         if (nmol > 1 && numOrires > 0)
 131         {
 132             gmx_fatal(FARGS,
 133                       "Found %d copies of a molecule with orientation restrains while the current "
 134                       "code only supports a single copy. If you want to ensemble average, run "
 135                       "multiple copies of the system using the multi-sim feature of mdrun.",
 136                       nmol);
 137         }
 138
 139         for (int i = 0; i < numOrires; i += 3)
 140         {
 141             int type = (*il)[F_ORIRES].iatoms[i];
 142             int ex   = mtop->ffparams.iparams[type].orires.ex;
 143             if (ex >= od->nex)
 144             {
 145                 srenew(nr_ex, ex + 1);
 146                 for (int j = od->nex; j < ex + 1; j++)
 147                 {
 148                     nr_ex[j] = 0;
 149                 }
 150                 od->nex = ex + 1;
 151             }
 152             GMX_ASSERT(nr_ex, "Check for allocated nr_ex to keep the static analyzer happy");
 153             nr_ex[ex]++;
 154
 155             typeMin = std::min(typeMin, type);
 156             typeMax = std::max(typeMax, type);
 157         }
 158     }
 159     /* With domain decomposition we use the type index for indexing in global arrays */
 160     GMX_RELEASE_ASSERT(
 161             typeMax - typeMin + 1 == od->nr,
 162             "All orientation restraint parameter entries in the topology should be consecutive");
 163     /* Store typeMin so we can index array with the type offset */
 164     od->typeMin = typeMin;
 165
 166     snew(od->S, od->nex);
 167     /* When not doing time averaging, the instaneous and time averaged data
 168      * are indentical and the pointers can point to the same memory.
 169      */
 170     snew(od->Dinsl, od->nr);
 171
 172     if (ms)
 173     {
 174         snew(od->Dins, od->nr);
 175     }
 176     else
 177     {
 178         od->Dins = od->Dinsl;
 179     }
 180
 181     if (ir->orires_tau == 0)
 182     {
 183         od->Dtav  = od->Dins;
 184         od->edt   = 0.0;
 185         od->edt_1 = 1.0;
 186     }
 187     else
 188     {
 189         snew(od->Dtav, od->nr);
 190         od->edt   = std::exp(-ir->delta_t / ir->orires_tau);
 191         od->edt_1 = 1.0 - od->edt;
 192
 193         /* Extend the state with the orires history */
 194         globalState->flags |= (1 << estORIRE_INITF);
 195         globalState->hist.orire_initf = 1;
 196         globalState->flags |= (1 << estORIRE_DTAV);
 197         globalState->hist.norire_Dtav = od->nr * 5;
 198         snew(globalState->hist.orire_Dtav, globalState->hist.norire_Dtav);
 199     }
 200
 201     snew(od->oinsl, od->nr);
 202     if (ms)
 203     {
 204         snew(od->oins, od->nr);
 205     }
 206     else
 207     {
 208         od->oins = od->oinsl;
 209     }
 210     if (ir->orires_tau == 0)
 211     {
 212         od->otav = od->oins;
 213     }
 214     else
 215     {
 216         snew(od->otav, od->nr);
 217     }
 218     snew(od->tmpEq, od->nex);
 219
 220     od->nref = 0;
 221     for (int i = 0; i < mtop->natoms; i++)
 222     {
 223         if (getGroupType(mtop->groups, SimulationAtomGroupType::OrientationRestraintsFit, i) == 0)
 224         {
 225             od->nref++;
 226         }
 227     }
 228     snew(od->mref, od->nref);
 229     snew(od->xref, od->nref);
 230     snew(od->xtmp, od->nref);
 231
 232     snew(od->eig, od->nex * 12);
 233
 234     /* Determine the reference structure on the master node.
 235      * Copy it to the other nodes after checking multi compatibility,
 236      * so we are sure the subsystems match before copying.
 237      */
 238     auto   x    = makeArrayRef(globalState->x);
 239     rvec   com  = { 0, 0, 0 };
 240     double mtot = 0.0;
 241     int    j    = 0;
 242     for (const AtomProxy atomP : AtomRange(*mtop))
 243     {
 244         const t_atom& local = atomP.atom();
 245         int           i     = atomP.globalAtomNumber();
 246         if (mtop->groups.groupNumbers[SimulationAtomGroupType::OrientationRestraintsFit].empty()
 247             || mtop->groups.groupNumbers[SimulationAtomGroupType::OrientationRestraintsFit][i] == 0)
 248         {
 249             /* Not correct for free-energy with changing masses */
 250             od->mref[j] = local.m;
 251             // Note that only one rank per sim is supported.
 252             if (isMasterSim(ms))
 253             {
 254                 copy_rvec(x[i], od->xref[j]);
 255                 for (int d = 0; d < DIM; d++)
 256                 {
 257                     com[d] += od->mref[j] * x[i][d];
 258                 }
 259             }
 260             mtot += od->mref[j];
 261             j++;
 262         }
 263     }
 264     svmul(1.0 / mtot, com, com);
 265     if (isMasterSim(ms))
 266     {
 267         for (int j = 0; j < od->nref; j++)
 268         {
 269             rvec_dec(od->xref[j], com);
 270         }
 271     }
 272
 273     fprintf(fplog, "Found %d orientation experiments\n", od->nex);
 274     for (int i = 0; i < od->nex; i++)
 275     {
 276         fprintf(fplog, "  experiment %d has %d restraints\n", i + 1, nr_ex[i]);
 277     }
 278
 279     sfree(nr_ex);
 280
 281     fprintf(fplog, "  the fit group consists of %d atoms and has total mass %g\n", od->nref, mtot);
 282
 283     if (ms)
 284     {
 285         fprintf(fplog, "  the orientation restraints are ensemble averaged over %d systems\n",
 286                 ms->numSimulations_);
 287
 288         check_multi_int(fplog, ms, od->nr, "the number of orientation restraints", FALSE);
 289         check_multi_int(fplog, ms, od->nref, "the number of fit atoms for orientation restraining", FALSE);
 290         check_multi_int(fplog, ms, ir->nsteps, "nsteps", FALSE);
 291         /* Copy the reference coordinates from the master to the other nodes */
 292         gmx_sum_sim(DIM * od->nref, od->xref[0], ms);
 293     }
 294
 295     please_cite(fplog, "Hess2003");
 296 }
 297
 298 void diagonalize_orires_tensors(t_oriresdata* od)
 299 {
 300     if (od->M == nullptr)
 301     {
 302         snew(od->M, DIM);
 303         for (int i = 0; i < DIM; i++)
 304         {
 305             snew(od->M[i], DIM);
 306         }
 307         snew(od->eig_diag, DIM);
 308         snew(od->v, DIM);
 309         for (int i = 0; i < DIM; i++)
 310         {
 311             snew(od->v[i], DIM);
 312         }
 313     }
 314
 315     for (int ex = 0; ex < od->nex; ex++)
 316     {
 317         /* Rotate the S tensor back to the reference frame */
 318         matrix S, TMP;
 319         mmul(od->R, od->S[ex], TMP);
 320         mtmul(TMP, od->R, S);
 321         for (int i = 0; i < DIM; i++)
 322         {
 323             for (int j = 0; j < DIM; j++)
 324             {
 325                 od->M[i][j] = S[i][j];
 326             }
 327         }
 328
 329         int nrot;
 330         jacobi(od->M, DIM, od->eig_diag, od->v, &nrot);
 331
 332         int ord[DIM];
 333         for (int i = 0; i < DIM; i++)
 334         {
 335             ord[i] = i;
 336         }
 337         for (int i = 0; i < DIM; i++)
 338         {
 339             for (int j = i + 1; j < DIM; j++)
 340             {
 341                 if (gmx::square(od->eig_diag[ord[j]]) > gmx::square(od->eig_diag[ord[i]]))
 342                 {
 343                     int t  = ord[i];
 344                     ord[i] = ord[j];
 345                     ord[j] = t;
 346                 }
 347             }
 348         }
 349
 350         for (int i = 0; i < DIM; i++)
 351         {
 352             od->eig[ex * 12 + i] = od->eig_diag[ord[i]];
 353         }
 354         for (int i = 0; i < DIM; i++)
 355         {
 356             for (int j = 0; j < DIM; j++)
 357             {
 358                 od->eig[ex * 12 + 3 + 3 * i + j] = od->v[j][ord[i]];
 359             }
 360         }
 361     }
 362 }
 363
 364 void print_orires_log(FILE* log, t_oriresdata* od)
 365 {
 366     real* eig;
 367
 368     diagonalize_orires_tensors(od);
 369
 370     for (int ex = 0; ex < od->nex; ex++)
 371     {
 372         eig = od->eig + ex * 12;
 373         fprintf(log, "  Orientation experiment %d:\n", ex + 1);
 374         fprintf(log, "    order parameter: %g\n", eig[0]);
 375         for (int i = 0; i < DIM; i++)
 376         {
 377             fprintf(log, "    eig: %6.3f   %6.3f %6.3f %6.3f\n", (eig[0] != 0) ? eig[i] / eig[0] : eig[i],
 378                     eig[DIM + i * DIM + XX], eig[DIM + i * DIM + YY], eig[DIM + i * DIM + ZZ]);
 379         }
 380         fprintf(log, "\n");
 381     }
 382 }
 383
 384 real calc_orires_dev(const gmx_multisim_t* ms,
 385                      int                   nfa,
 386                      const t_iatom         forceatoms[],
 387                      const t_iparams       ip[],
 388                      const t_mdatoms*      md,
 389                      ArrayRef<const RVec>  xWholeMolecules,
 390                      const rvec            x[],
 391                      const t_pbc*          pbc,
 392                      t_oriresdata*         od,
 393                      history_t*            hist)
 394 {
 395     int          nref;
 396     real         edt, edt_1, invn, pfac, r2, invr, corrfac, wsv2, sw, dev;
 397     OriresMatEq* matEq;
 398     real*        mref;
 399     double       mtot;
 400     rvec *       xref, *xtmp, com, r_unrot, r;
 401     gmx_bool     bTAV;
 402     const real   two_thr = 2.0 / 3.0;
 403
 404     if (od->nr == 0)
 405     {
 406         /* This means that this is not the master node */
 407         gmx_fatal(FARGS,
 408                   "Orientation restraints are only supported on the master rank, use fewer ranks");
 409     }
 410
 411     bTAV  = (od->edt != 0);
 412     edt   = od->edt;
 413     edt_1 = od->edt_1;
 414     matEq = od->tmpEq;
 415     nref  = od->nref;
 416     mref  = od->mref;
 417     xref  = od->xref;
 418     xtmp  = od->xtmp;
 419
 420     if (bTAV)
 421     {
 422         od->exp_min_t_tau = hist->orire_initf * edt;
 423
 424         /* Correction factor to correct for the lack of history
 425          * at short times.
 426          */
 427         corrfac = 1.0 / (1.0 - od->exp_min_t_tau);
 428     }
 429     else
 430     {
 431         corrfac = 1.0;
 432     }
 433
 434     if (ms)
 435     {
 436         invn = 1.0 / ms->numSimulations_;
 437     }
 438     else
 439     {
 440         invn = 1.0;
 441     }
 442
 443     clear_rvec(com);
 444     mtot  = 0;
 445     int j = 0;
 446     for (int i = 0; i < md->nr; i++)
 447     {
 448         if (md->cORF[i] == 0)
 449         {
 450             copy_rvec(xWholeMolecules[i], xtmp[j]);
 451             mref[j] = md->massT[i];
 452             for (int d = 0; d < DIM; d++)
 453             {
 454                 com[d] += mref[j] * xtmp[j][d];
 455             }
 456             mtot += mref[j];
 457             j++;
 458         }
 459     }
 460     svmul(1.0 / mtot, com, com);
 461     for (int j = 0; j < nref; j++)
 462     {
 463         rvec_dec(xtmp[j], com);
 464     }
 465     /* Calculate the rotation matrix to rotate x to the reference orientation */
 466     calc_fit_R(DIM, nref, mref, xref, xtmp, od->R);
 467
 468     for (int fa = 0; fa < nfa; fa += 3)
 469     {
 470         const int type           = forceatoms[fa];
 471         const int restraintIndex = type - od->typeMin;
 472         if (pbc)
 473         {
 474             pbc_dx_aiuc(pbc, x[forceatoms[fa + 1]], x[forceatoms[fa + 2]], r_unrot);
 475         }
 476         else
 477         {
 478             rvec_sub(x[forceatoms[fa + 1]], x[forceatoms[fa + 2]], r_unrot);
 479         }
 480         mvmul(od->R, r_unrot, r);
 481         r2   = norm2(r);
 482         invr = gmx::invsqrt(r2);
 483         /* Calculate the prefactor for the D tensor, this includes the factor 3! */
 484         pfac = ip[type].orires.c * invr * invr * 3;
 485         for (int i = 0; i < ip[type].orires.power; i++)
 486         {
 487             pfac *= invr;
 488         }
 489         rvec5& Dinsl = od->Dinsl[restraintIndex];
 490         Dinsl[0]     = pfac * (2 * r[0] * r[0] + r[1] * r[1] - r2);
 491         Dinsl[1]     = pfac * (2 * r[0] * r[1]);
 492         Dinsl[2]     = pfac * (2 * r[0] * r[2]);
 493         Dinsl[3]     = pfac * (2 * r[1] * r[1] + r[0] * r[0] - r2);
 494         Dinsl[4]     = pfac * (2 * r[1] * r[2]);
 495
 496         if (ms)
 497         {
 498             for (int i = 0; i < 5; i++)
 499             {
 500                 od->Dins[restraintIndex][i] = Dinsl[i] * invn;
 501             }
 502         }
 503     }
 504
 505     if (ms)
 506     {
 507         gmx_sum_sim(5 * od->nr, od->Dins[0], ms);
 508     }
 509
 510     /* Calculate the order tensor S for each experiment via optimization */
 511     for (int ex = 0; ex < od->nex; ex++)
 512     {
 513         for (int i = 0; i < 5; i++)
 514         {
 515             matEq[ex].rhs[i] = 0;
 516             for (int j = 0; j <= i; j++)
 517             {
 518                 matEq[ex].mat[i][j] = 0;
 519             }
 520         }
 521     }
 522
 523     for (int fa = 0; fa < nfa; fa += 3)
 524     {
 525         const int type           = forceatoms[fa];
 526         const int restraintIndex = type - od->typeMin;
 527         rvec5&    Dtav           = od->Dtav[restraintIndex];
 528         if (bTAV)
 529         {
 530             /* Here we update Dtav in t_fcdata using the data in history_t.
 531              * Thus the results stay correct when this routine
 532              * is called multiple times.
 533              */
 534             for (int i = 0; i < 5; i++)
 535             {
 536                 Dtav[i] = edt * hist->orire_Dtav[restraintIndex * 5 + i]
 537                           + edt_1 * od->Dins[restraintIndex][i];
 538             }
 539         }
 540
 541         int  ex     = ip[type].orires.ex;
 542         real weight = ip[type].orires.kfac;
 543         /* Calculate the vector rhs and half the matrix T for the 5 equations */
 544         for (int i = 0; i < 5; i++)
 545         {
 546             matEq[ex].rhs[i] += Dtav[i] * ip[type].orires.obs * weight;
 547             for (int j = 0; j <= i; j++)
 548             {
 549                 matEq[ex].mat[i][j] += Dtav[i] * Dtav[j] * weight;
 550             }
 551         }
 552     }
 553     /* Now we have all the data we can calculate S */
 554     for (int ex = 0; ex < od->nex; ex++)
 555     {
 556         OriresMatEq& eq = matEq[ex];
 557         /* Correct corrfac and copy one half of T to the other half */
 558         for (int i = 0; i < 5; i++)
 559         {
 560             eq.rhs[i] *= corrfac;
 561             eq.mat[i][i] *= gmx::square(corrfac);
 562             for (int j = 0; j < i; j++)
 563             {
 564                 eq.mat[i][j] *= gmx::square(corrfac);
 565                 eq.mat[j][i] = eq.mat[i][j];
 566             }
 567         }
 568         m_inv_gen(&eq.mat[0][0], 5, &eq.mat[0][0]);
 569         /* Calculate the orientation tensor S for this experiment */
 570         matrix& S = od->S[ex];
 571         S[0][0]   = 0;
 572         S[0][1]   = 0;
 573         S[0][2]   = 0;
 574         S[1][1]   = 0;
 575         S[1][2]   = 0;
 576         for (int i = 0; i < 5; i++)
 577         {
 578             S[0][0] += 1.5 * eq.mat[0][i] * eq.rhs[i];
 579             S[0][1] += 1.5 * eq.mat[1][i] * eq.rhs[i];
 580             S[0][2] += 1.5 * eq.mat[2][i] * eq.rhs[i];
 581             S[1][1] += 1.5 * eq.mat[3][i] * eq.rhs[i];
 582             S[1][2] += 1.5 * eq.mat[4][i] * eq.rhs[i];
 583         }
 584         S[1][0] = S[0][1];
 585         S[2][0] = S[0][2];
 586         S[2][1] = S[1][2];
 587         S[2][2] = -S[0][0] - S[1][1];
 588     }
 589
 590     const matrix* S = od->S;
 591
 592     wsv2 = 0;
 593     sw   = 0;
 594
 595     for (int fa = 0; fa < nfa; fa += 3)
 596     {
 597         const int type           = forceatoms[fa];
 598         const int restraintIndex = type - od->typeMin;
 599         const int ex             = ip[type].orires.ex;
 600
 601         const rvec5& Dtav = od->Dtav[restraintIndex];
 602         od->otav[restraintIndex] =
 603                 two_thr * corrfac
 604                 * (S[ex][0][0] * Dtav[0] + S[ex][0][1] * Dtav[1] + S[ex][0][2] * Dtav[2]
 605                    + S[ex][1][1] * Dtav[3] + S[ex][1][2] * Dtav[4]);
 606         if (bTAV)
 607         {
 608             const rvec5& Dins = od->Dins[restraintIndex];
 609             od->oins[restraintIndex] =
 610                     two_thr
 611                     * (S[ex][0][0] * Dins[0] + S[ex][0][1] * Dins[1] + S[ex][0][2] * Dins[2]
 612                        + S[ex][1][1] * Dins[3] + S[ex][1][2] * Dins[4]);
 613         }
 614         if (ms)
 615         {
 616             /* When ensemble averaging is used recalculate the local orientation
 617              * for output to the energy file.
 618              */
 619             const rvec5& Dinsl = od->Dinsl[restraintIndex];
 620             od->oinsl[restraintIndex] =
 621                     two_thr
 622                     * (S[ex][0][0] * Dinsl[0] + S[ex][0][1] * Dinsl[1] + S[ex][0][2] * Dinsl[2]
 623                        + S[ex][1][1] * Dinsl[3] + S[ex][1][2] * Dinsl[4]);
 624         }
 625
 626         dev = od->otav[restraintIndex] - ip[type].orires.obs;
 627
 628         wsv2 += ip[type].orires.kfac * gmx::square(dev);
 629         sw += ip[type].orires.kfac;
 630     }
 631     od->rmsdev = std::sqrt(wsv2 / sw);
 632
 633     /* Rotate the S matrices back, so we get the correct grad(tr(S D)) */
 634     for (int ex = 0; ex < od->nex; ex++)
 635     {
 636         matrix RS;
 637         tmmul(od->R, od->S[ex], RS);
 638         mmul(RS, od->R, od->S[ex]);
 639     }
 640
 641     return od->rmsdev;
 642
 643     /* Approx. 120*nfa/3 flops */
 644 }
 645
 646 real orires(int             nfa,
 647             const t_iatom   forceatoms[],
 648             const t_iparams ip[],
 649             const rvec      x[],
 650             rvec4           f[],
 651             rvec            fshift[],
 652             const t_pbc*    pbc,
 653             real gmx_unused lambda,
 654             real gmx_unused* dvdlambda,
 655             const t_mdatoms gmx_unused* md,
 656             t_fcdata*                   fcd,
 657             int gmx_unused* global_atom_index)
 658 {
 659     int                 ex, power, ki = CENTRAL;
 660     real                r2, invr, invr2, fc, smooth_fc, dev, devins, pfac;
 661     rvec                r, Sr, fij;
 662     real                vtot;
 663     const t_oriresdata* od;
 664     gmx_bool            bTAV;
 665
 666     vtot = 0;
 667     od   = fcd->orires;
 668
 669     if (od->fc != 0)
 670     {
 671         bTAV = (od->edt != 0);
 672
 673         smooth_fc = od->fc;
 674         if (bTAV)
 675         {
 676             /* Smoothly switch on the restraining when time averaging is used */
 677             smooth_fc *= (1.0 - od->exp_min_t_tau);
 678         }
 679
 680         for (int fa = 0; fa < nfa; fa += 3)
 681         {
 682             const int type           = forceatoms[fa];
 683             const int ai             = forceatoms[fa + 1];
 684             const int aj             = forceatoms[fa + 2];
 685             const int restraintIndex = type - od->typeMin;
 686             if (pbc)
 687             {
 688                 ki = pbc_dx_aiuc(pbc, x[ai], x[aj], r);
 689             }
 690             else
 691             {
 692                 rvec_sub(x[ai], x[aj], r);
 693             }
 694             r2    = norm2(r);
 695             invr  = gmx::invsqrt(r2);
 696             invr2 = invr * invr;
 697             ex    = ip[type].orires.ex;
 698             power = ip[type].orires.power;
 699             fc    = smooth_fc * ip[type].orires.kfac;
 700             dev   = od->otav[restraintIndex] - ip[type].orires.obs;
 701
 702             /* NOTE:
 703              * there is no real potential when time averaging is applied
 704              */
 705             vtot += 0.5 * fc * gmx::square(dev);
 706
 707             if (bTAV)
 708             {
 709                 /* Calculate the force as the sqrt of tav times instantaneous */
 710                 devins = od->oins[restraintIndex] - ip[type].orires.obs;
 711                 if (dev * devins <= 0)
 712                 {
 713                     dev = 0;
 714                 }
 715                 else
 716                 {
 717                     dev = std::sqrt(dev * devins);
 718                     if (devins < 0)
 719                     {
 720                         dev = -dev;
 721                     }
 722                 }
 723             }
 724
 725             pfac = fc * ip[type].orires.c * invr2;
 726             for (int i = 0; i < power; i++)
 727             {
 728                 pfac *= invr;
 729             }
 730             mvmul(od->S[ex], r, Sr);
 731             for (int i = 0; i < DIM; i++)
 732             {
 733                 fij[i] = -pfac * dev * (4 * Sr[i] - 2 * (2 + power) * invr2 * iprod(Sr, r) * r[i]);
 734             }
 735
 736             for (int i = 0; i < DIM; i++)
 737             {
 738                 f[ai][i] += fij[i];
 739                 f[aj][i] -= fij[i];
 740                 if (fshift)
 741                 {
 742                     fshift[ki][i] += fij[i];
 743                     fshift[CENTRAL][i] -= fij[i];
 744                 }
 745             }
 746         }
 747     }
 748
 749     return vtot;
 750
 751     /* Approx. 80*nfa/3 flops */
 752 }
 753
 754 void update_orires_history(const t_oriresdata& od, history_t* hist)
 755 {
 756     if (od.edt != 0)
 757     {
 758         /* Copy the new time averages that have been calculated
 759          *  in calc_orires_dev.
 760          */
 761         hist->orire_initf = od.exp_min_t_tau;
 762         for (int pair = 0; pair < od.nr; pair++)
 763         {
 764             for (int i = 0; i < 5; i++)
 765             {
 766                 hist->orire_Dtav[pair * 5 + i] = od.Dtav[pair][i];
 767             }
 768         }
 769     }
 770 }