src/gromacs/listed_forces/tests/pairs.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 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 /*! \internal \file
  36  * \brief Implements test of 1-4 interactions
  37  *
  38  * This test is copied from the bonded interactions test and slightly
  39  * modified since 'do_pairs' takes a different set of arguments than
  40  * 'calculateSimpleBond'. To keep the test setup uncluttered this test is
  41  * therefore not merged into the bonded test but implemented standalone.
  42  *
  43  * The test setup consists of 2 atom pairs that are tested in an fep setting
  44  * (vanishing charge and lennard-jones parameters of one atom) and without
  45  * fep. Placement of the atoms in the box is such that shift-forces and pbc
  46  * paths in do_pairs are covered.
  47  *
  48  * \author Sebastian Kehl <sebastian.kehl@mpcdf.mpg.de>
  49  * \ingroup module_listed_forces
  50  */
  51 #include "gmxpre.h"
  52
  53 #include "gromacs/listed_forces/bonded.h"
  54
  55 #include <cmath>
  56
  57 #include <memory>
  58 #include <unordered_map>
  59
  60 #include <gtest/gtest.h>
  61
  62 #include "gromacs/listed_forces/listed_forces.h"
  63 #include "gromacs/listed_forces/pairs.h"
  64 #include "gromacs/math/paddedvector.h"
  65 #include "gromacs/math/units.h"
  66 #include "gromacs/math/vec.h"
  67 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  68 #include "gromacs/mdtypes/mdatom.h"
  69 #include "gromacs/mdtypes/simulation_workload.h"
  70 #include "gromacs/mdtypes/enerdata.h"
  71 #include "gromacs/mdtypes/forcerec.h"
  72 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  73 #include "gromacs/mdtypes/interaction_const.h"
  74 #include "gromacs/mdtypes/nblist.h"
  75 #include "gromacs/tables/forcetable.h"
  76 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  77 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  78 #include "gromacs/topology/idef.h"
  79 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
  80 #include "gromacs/utility/strconvert.h"
  81 #include "gromacs/utility/stringstream.h"
  82 #include "gromacs/utility/textwriter.h"
  83 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  84
  85 #include "testutils/refdata.h"
  86 #include "testutils/testasserts.h"
  87
  88 namespace gmx
  89 {
  90 namespace test
  91 {
  92 namespace
  93 {
  94
  95 //! Number of atoms used in these tests.
  96 constexpr int c_numAtoms = 3;
  97
  98 /*! \brief Output from pairs kernels
  99  *
 100  */
 101 struct OutputQuantities
 102 {
 103     OutputQuantities(int energyGroup) :
 104         energy(energyGroup),
 105         dvdLambda(static_cast<int>(FreeEnergyPerturbationCouplingType::Count), 0.0)
 106     {
 107     }
 108
 109     //! Energy of this interaction
 110     gmx_grppairener_t energy;
 111     //! Derivative with respect to lambda
 112     std::vector<real> dvdLambda;
 113     //! Shift vectors
 114     rvec fShift[N_IVEC] = { { 0 } };
 115     //! Forces
 116     alignas(GMX_REAL_MAX_SIMD_WIDTH * sizeof(real)) rvec4 f[c_numAtoms] = { { 0 } };
 117 };
 118
 119 /*! \brief Utility to check the output from pairs tests
 120  *
 121  * \param[in] checker Reference checker
 122  * \param[in] output  The output from the test to check
 123  * \param[in] bondedKernelFlavor  Flavor for determining what output to check
 124  * \param[in] functionType type of the interaction
 125  */
 126 void checkOutput(TestReferenceChecker*    checker,
 127                  const OutputQuantities&  output,
 128                  const BondedKernelFlavor bondedKernelFlavor,
 129                  const int                functionType)
 130 {
 131     if (computeEnergy(bondedKernelFlavor))
 132     {
 133         switch (functionType)
 134         {
 135             case F_LJ14:
 136             case F_LJC14_Q:
 137                 checker->checkReal(output.energy.energyGroupPairTerms[NonBondedEnergyTerms::Coulomb14][0],
 138                                    "Epot Coulomb14");
 139                 checker->checkReal(output.energy.energyGroupPairTerms[NonBondedEnergyTerms::LJ14][0],
 140                                    "Epot LJ14");
 141                 break;
 142             case F_LJC_PAIRS_NB:
 143                 checker->checkReal(output.energy.energyGroupPairTerms[NonBondedEnergyTerms::CoulombSR][0],
 144                                    "Epot Coulomb14");
 145                 checker->checkReal(output.energy.energyGroupPairTerms[NonBondedEnergyTerms::LJSR][0],
 146                                    "Epot LJ14");
 147                 break;
 148             default: gmx_fatal(FARGS, "Unknown function type %d in do_nonbonded14", functionType);
 149         }
 150         checker->checkReal(output.dvdLambda[static_cast<int>(FreeEnergyPerturbationCouplingType::Coul)],
 151                            "dVdlCoul ");
 152         checker->checkReal(output.dvdLambda[static_cast<int>(FreeEnergyPerturbationCouplingType::Vdw)],
 153                            "dVdlVdw ");
 154     }
 155     checker->checkSequence(std::begin(output.f), std::end(output.f), "Forces");
 156 }
 157
 158 /* \brief Utility class to setup forcerec and interaction parameters
 159  *
 160  * Data is only initialized as necessary for the 1-4 interactions to work!
 161  */
 162 class ForcerecHelper
 163 {
 164 public:
 165     ForcerecHelper()
 166     {
 167         fepVals_.sc_alpha     = 0.3;
 168         fepVals_.sc_power     = 1;
 169         fepVals_.sc_r_power   = 6.0;
 170         fepVals_.sc_sigma     = 0.3;
 171         fepVals_.sc_sigma_min = 0.3;
 172         fepVals_.bScCoul      = true;
 173
 174         fr_.ic = std::make_unique<interaction_const_t>();
 175         // set data in ic
 176         fr_.ic->softCoreParameters = std::make_unique<interaction_const_t::SoftCoreParameters>(fepVals_);
 177
 178         // set data in fr
 179         real tableRange = 2.9;
 180         fr_.pairsTable = make_tables(nullptr, fr_.ic.get(), nullptr, tableRange, GMX_MAKETABLES_14ONLY);
 181         fr_.efep       = haveFep_;
 182         fr_.fudgeQQ          = 0.5;
 183         fr_.use_simd_kernels = useSimd_;
 184         fr_.bMolPBC          = haveMolPBC_;
 185     }
 186
 187     t_forcerec* get() { return &fr_; }
 188
 189 private:
 190     FreeEnergyPerturbationType haveFep_    = FreeEnergyPerturbationType::No;
 191     bool                       useSimd_    = false;
 192     bool                       haveMolPBC_ = false;
 193
 194     t_lambda   fepVals_;
 195     t_forcerec fr_;
 196 };
 197
 198 ForcerecHelper frHelper;
 199
 200
 201 /*! \brief Input structure for listed forces tests
 202  */
 203 struct ListInput
 204 {
 205 public:
 206     //! Function type
 207     int fType = -1;
 208     //! do fep
 209     bool fep = false;
 210     //! Tolerance for float evaluation
 211     float floatToler = 1e-6;
 212     //! Tolerance for double evaluation
 213     double doubleToler = 1e-8;
 214     //! Interaction parameters
 215     t_iparams iparams = { { 0 } };
 216
 217     //! Constructor
 218     ListInput() {}
 219
 220     /*! \brief Constructor with tolerance
 221      *
 222      * \param[in] ftol Single precision tolerance
 223      * \param[in] dtol Double precision tolerance
 224      */
 225     ListInput(float ftol, double dtol)
 226     {
 227         floatToler  = ftol;
 228         doubleToler = dtol;
 229     }
 230
 231     /*! \brief Set parameters for lj14 interaction
 232      *
 233      * Fep is used if either c6A != c6B or c12A != c12B.
 234      *
 235      * \param[in] c6A  lj-c6 of state A
 236      * \param[in] c12A lj-c12 of state A
 237      * \param[in] c6B  lj-c6 of state B
 238      * \param[in] c12B lj-c12 of state B
 239      */
 240     ListInput setLj14Interaction(real c6A, real c12A, real c6B, real c12B)
 241     {
 242         fType             = F_LJ14;
 243         fep               = (c6A != c6B || c12A != c12B);
 244         iparams.lj14.c6A  = c6A;
 245         iparams.lj14.c12A = c12A;
 246         iparams.lj14.c6B  = c6B;
 247         iparams.lj14.c12B = c12B;
 248
 249         return *this;
 250     }
 251
 252     /*! \brief Set parameters for ljc14 interaction
 253      *
 254      * \param[in] qi     charge i
 255      * \param[in] qj     charge j
 256      * \param[in] c6     lj-c6
 257      * \param[in] c12    lj-c12
 258      * \param[in] fudgeQ fudge factor
 259      */
 260     ListInput setLjc14Interaction(real qi, real qj, real c6, real c12, real fudgeQ)
 261     {
 262         fType             = F_LJC14_Q;
 263         iparams.ljc14.qi  = qi;
 264         iparams.ljc14.qj  = qj;
 265         iparams.ljc14.c6  = c6;
 266         iparams.ljc14.c12 = c12;
 267         iparams.ljc14.fqq = fudgeQ;
 268
 269         return *this;
 270     }
 271
 272     /*! \brief Set parameters for ljcnb interaction
 273      *
 274      * \param[in] qi  charge i
 275      * \param[in] qj  charge j
 276      * \param[in] c6  lj-c6
 277      * \param[in] c12 lj-c12
 278      */
 279     ListInput setLjcnbInteraction(real qi, real qj, real c6, real c12)
 280     {
 281         fType             = F_LJC_PAIRS_NB;
 282         iparams.ljcnb.qi  = qi;
 283         iparams.ljcnb.qj  = qj;
 284         iparams.ljcnb.c6  = c6;
 285         iparams.ljcnb.c12 = c12;
 286
 287         return *this;
 288     }
 289 };
 290
 291 class ListedForcesPairsTest :
 292     public ::testing::TestWithParam<std::tuple<ListInput, PaddedVector<RVec>, PbcType>>
 293 {
 294 protected:
 295     matrix               box_;
 296     t_pbc                pbc_;
 297     PaddedVector<RVec>   x_;
 298     PbcType              pbcType_;
 299     ListInput            input_;
 300     TestReferenceData    refData_;
 301     TestReferenceChecker checker_;
 302
 303     ListedForcesPairsTest() : checker_(refData_.rootChecker())
 304     {
 305         input_   = std::get<0>(GetParam());
 306         x_       = std::get<1>(GetParam());
 307         pbcType_ = std::get<2>(GetParam());
 308         clear_mat(box_);
 309         box_[0][0] = box_[1][1] = box_[2][2] = 1.0;
 310         set_pbc(&pbc_, pbcType_, box_);
 311
 312         FloatingPointTolerance tolerance = relativeToleranceAsPrecisionDependentFloatingPoint(
 313                 1.0, input_.floatToler, input_.doubleToler);
 314
 315         checker_.setDefaultTolerance(tolerance);
 316     }
 317
 318     void testOneIfunc(TestReferenceChecker* checker, const real lambda)
 319     {
 320         SCOPED_TRACE(std::string("Testing PBC type: ") + c_pbcTypeNames[pbcType_]);
 321
 322         // 'definition of pairs' is a concatenation of #npairs (here 2)
 323         // 'nAtomsPerPair+1'-tuples (fType a_0 a_i ... a_nAtomsPerPair)
 324         std::vector<t_iatom> iatoms = { 0, 1, 2, 0, 0, 2 };
 325
 326         std::vector<int>            ddgatindex = { 0, 1, 2 };
 327         std::vector<real>           chargeA    = { 1.0, -0.5, -0.5 };
 328         std::vector<real>           chargeB    = { 0.0, 0.0, 0.0 };
 329         std::vector<unsigned short> egrp       = { 0, 0, 0 };
 330         t_mdatoms                   mdatoms    = { 0 };
 331
 332         mdatoms.chargeA = chargeA.data();
 333         mdatoms.chargeB = chargeB.data();
 334         mdatoms.cENER   = egrp.data();
 335         // nPerturbed is not decisive for fep to be used; it is overruled by
 336         // other conditions in do_pairs_general; just here to not segfault
 337         // upon query
 338         mdatoms.nPerturbed = 0;
 339
 340         t_forcerec* fr = frHelper.get();
 341         fr->efep = input_.fep ? FreeEnergyPerturbationType::Yes : FreeEnergyPerturbationType::No;
 342         if (pbcType_ != PbcType::No)
 343         {
 344             fr->bMolPBC = true;
 345         }
 346
 347         std::vector<BondedKernelFlavor> flavors = { BondedKernelFlavor::ForcesAndVirialAndEnergy };
 348
 349         if (!input_.fep || lambda == 0)
 350         {
 351             fr->use_simd_kernels = true;
 352             flavors.push_back(BondedKernelFlavor::ForcesSimdWhenAvailable);
 353         }
 354
 355         for (const auto flavor : flavors)
 356         {
 357             SCOPED_TRACE("Testing bonded kernel flavor: " + c_bondedKernelFlavorStrings[flavor]);
 358
 359             StepWorkload stepWork;
 360             stepWork.computeVirial = computeVirial(flavor);
 361             stepWork.computeEnergy = computeEnergy(flavor);
 362
 363             bool havePerturbedInteractions = input_.fep;
 364             if (flavor == BondedKernelFlavor::ForcesSimdWhenAvailable)
 365             {
 366                 havePerturbedInteractions = false;
 367             }
 368
 369             int numEnergyTerms      = static_cast<int>(NonBondedEnergyTerms::Count);
 370             int numFepCouplingTerms = static_cast<int>(FreeEnergyPerturbationCouplingType::Count);
 371             OutputQuantities  output(numEnergyTerms);
 372             std::vector<real> lambdas(numFepCouplingTerms, lambda);
 373
 374             do_pairs(input_.fType,
 375                      iatoms.size(),
 376                      iatoms.data(),
 377                      &input_.iparams,
 378                      as_rvec_array(x_.data()),
 379                      output.f,
 380                      output.fShift,
 381                      &pbc_,
 382                      lambdas.data(),
 383                      output.dvdLambda.data(),
 384                      &mdatoms,
 385                      fr,
 386                      havePerturbedInteractions,
 387                      stepWork,
 388                      &output.energy,
 389                      ddgatindex.data());
 390
 391             checkOutput(checker, output, flavor, input_.fType);
 392             auto shiftForcesChecker = checker->checkCompound("Shift-Forces", "Shift-forces");
 393
 394             if (computeVirial(flavor))
 395             {
 396                 shiftForcesChecker.checkVector(output.fShift[CENTRAL], "Central");
 397             }
 398             else
 399             {
 400                 // Permit omitting to compare shift forces with
 401                 // reference data when that is useless.
 402                 shiftForcesChecker.disableUnusedEntriesCheck();
 403             }
 404         }
 405     }
 406
 407     void testIfunc()
 408     {
 409         TestReferenceChecker thisChecker =
 410                 checker_.checkCompound("FunctionType", interaction_function[input_.fType].name)
 411                         .checkCompound("FEP", (input_.fep ? "Yes" : "No"));
 412
 413         if (input_.fep)
 414         {
 415             const int numLambdas = 3;
 416             for (int i = 0; i < numLambdas; ++i)
 417             {
 418                 const real lambda        = i / (numLambdas - 1.0);
 419                 auto       lambdaChecker = thisChecker.checkCompound("Lambda", toString(lambda));
 420                 testOneIfunc(&lambdaChecker, lambda);
 421             }
 422         }
 423         else
 424         {
 425             testOneIfunc(&thisChecker, 0.0);
 426         }
 427     }
 428 };
 429
 430 TEST_P(ListedForcesPairsTest, Ifunc)
 431 {
 432     testIfunc();
 433 }
 434
 435 //! Function types for testing 1-4 interaction. Add new terms at the end.
 436 std::vector<ListInput> c_14Interaction = {
 437     { ListInput(1e-5, 1e-7).setLj14Interaction(0.001458, 1.0062882e-6, 0.0, 0.0) },
 438     { ListInput(1e-5, 1e-7).setLj14Interaction(0.001458, 1.0062882e-6, 0.001458, 1.0062882e-6) },
 439     { ListInput(1e-5, 1e-7).setLjc14Interaction(1.0, -1.0, 0.001458, 1.0062882e-6, 0.5) },
 440     { ListInput(1e-5, 1e-7).setLjcnbInteraction(1.0, -1.0, 0.001458, 1.0062882e-6) }
 441 };
 442
 443 //! PBC values for testing
 444 std::vector<PbcType> c_pbcForTests = { PbcType::No, PbcType::XY, PbcType::Xyz };
 445
 446 /*! \brief Coordinates for testing 1-4 interaction
 447  *
 448  * Define coordinates for 3 atoms here, which will be used in 2 interactions.
 449  */
 450 std::vector<PaddedVector<RVec>> c_coordinatesFor14Interaction = {
 451     { { 0.0, 0.0, 0.0 }, { 1.0, 1.0, 1.0 }, { 1.1, 1.2, 1.3 } }
 452 };
 453
 454 INSTANTIATE_TEST_CASE_P(14Interaction,
 455                         ListedForcesPairsTest,
 456                         ::testing::Combine(::testing::ValuesIn(c_14Interaction),
 457                                            ::testing::ValuesIn(c_coordinatesFor14Interaction),
 458                                            ::testing::ValuesIn(c_pbcForTests)));
 459
 460 } // namespace
 461
 462 } // namespace test
 463
 464 } // namespace gmx