src/gromacs/math/densityfittingforce.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2019,2020, 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
  37  * Implements density fitting forces.
  38  *
  39  * \author Christian Blau <blau@kth.se>
  40  * \ingroup module_math
  41  */
  42 #include "gmxpre.h"
  43
  44 #include "densityfittingforce.h"
  45
  46 #include "gromacs/math/functions.h"
  47 #include "gromacs/math/multidimarray.h"
  48
  49 namespace gmx
  50 {
  51
  52 /********************************************************************
  53  * DensityFittingForce::Impl
  54  */
  55
  56 /*! \internal \brief
  57  * Private implementation class for DensityFittingForce.
  58  */
  59 class DensityFittingForce::Impl
  60 {
  61 public:
  62     /*! \brief Construct densityfitting force implementation from
  63      * spread of function used to generate the density and spread range.
  64      * \param[in] kernelShapeParameters determine the shape of the spreading kernel
  65      */
  66     explicit Impl(const GaussianSpreadKernelParameters::Shape& kernelShapeParameters);
  67     //! \copydoc DensityFittingForce::evaluateForce
  68     RVec evaluateForce(const GaussianSpreadKernelParameters::PositionAndAmplitude& localParameters,
  69                        basic_mdspan<const float, dynamicExtents3D> densityDerivative);
  70     //! The width of the Gaussian in lattice spacing units
  71     DVec sigma_;
  72     //! The spread range in lattice points
  73     IVec latticeSpreadRange_;
  74     //! The three one-dimensional Gaussians that are used in the force calculation
  75     std::array<GaussianOn1DLattice, DIM> gauss1d_;
  76     //! The outer product of a Gaussian along the z and y dimension
  77     OuterProductEvaluator outerProductZY_;
  78 };
  79
  80 DensityFittingForce::Impl::Impl(const GaussianSpreadKernelParameters::Shape& kernelShapeParameters) :
  81     sigma_{ kernelShapeParameters.sigma_ },
  82     latticeSpreadRange_{ kernelShapeParameters.latticeSpreadRange()[XX],
  83                          kernelShapeParameters.latticeSpreadRange()[YY],
  84                          kernelShapeParameters.latticeSpreadRange()[ZZ] },
  85     gauss1d_({ GaussianOn1DLattice(latticeSpreadRange_[XX], sigma_[XX]),
  86                GaussianOn1DLattice(latticeSpreadRange_[YY], sigma_[YY]),
  87                GaussianOn1DLattice(latticeSpreadRange_[ZZ], sigma_[ZZ]) })
  88 {
  89 }
  90
  91 RVec DensityFittingForce::Impl::evaluateForce(const GaussianSpreadKernelParameters::PositionAndAmplitude& localParameters,
  92                                               basic_mdspan<const float, dynamicExtents3D> densityDerivative)
  93 {
  94     const IVec closestLatticePoint(roundToInt(localParameters.coordinate_[XX]),
  95                                    roundToInt(localParameters.coordinate_[YY]),
  96                                    roundToInt(localParameters.coordinate_[ZZ]));
  97     const auto spreadRange = spreadRangeWithinLattice(
  98             closestLatticePoint, densityDerivative.extents(), latticeSpreadRange_);
  99
 100     // do nothing if the added Gaussian will never reach the lattice
 101     if (spreadRange.empty())
 102     {
 103         return {};
 104     }
 105
 106     for (int dimension = XX; dimension <= ZZ; ++dimension)
 107     {
 108         // multiply with amplitude so that Gauss3D = (amplitude * Gauss_x) * Gauss_y * Gauss_z
 109         const float gauss1DAmplitude = dimension > XX ? 1.0 : localParameters.amplitude_;
 110         gauss1d_[dimension].spread(
 111                 gauss1DAmplitude, localParameters.coordinate_[dimension] - closestLatticePoint[dimension]);
 112     }
 113
 114     const auto spreadZY = outerProductZY_(gauss1d_[ZZ].view(), gauss1d_[YY].view());
 115     const auto spreadX  = gauss1d_[XX].view();
 116     const IVec spreadGridOffset(latticeSpreadRange_[XX] - closestLatticePoint[XX],
 117                                 latticeSpreadRange_[YY] - closestLatticePoint[YY],
 118                                 latticeSpreadRange_[ZZ] - closestLatticePoint[ZZ]);
 119
 120     const DVec differenceVectorScale  = { 1. / (square(sigma_[XX])),
 121                                          1. / (square(sigma_[YY])),
 122                                          1. / (square(sigma_[ZZ])) };
 123     const DVec differenceVectorOffset = scaleByVector(
 124             spreadRange.begin().toDVec() - localParameters.coordinate_.toDVec(), differenceVectorScale);
 125
 126     DVec differenceVector = differenceVectorOffset;
 127
 128     DVec force = { 0., 0., 0. };
 129
 130     for (int zLatticeIndex = spreadRange.begin()[ZZ]; zLatticeIndex < spreadRange.end()[ZZ];
 131          ++zLatticeIndex, differenceVector[ZZ] += differenceVectorScale[ZZ])
 132     {
 133         auto zSliceOfDerivative = densityDerivative[zLatticeIndex];
 134
 135         differenceVector[YY] = differenceVectorOffset[YY];
 136         for (int yLatticeIndex = spreadRange.begin()[YY]; yLatticeIndex < spreadRange.end()[YY];
 137              ++yLatticeIndex, differenceVector[YY] += differenceVectorScale[YY])
 138         {
 139             auto       ySliceOfDerivative = zSliceOfDerivative[yLatticeIndex];
 140             const auto zyPrefactor        = spreadZY(zLatticeIndex + spreadGridOffset[ZZ],
 141                                               yLatticeIndex + spreadGridOffset[YY]);
 142
 143             differenceVector[XX] = differenceVectorOffset[XX];
 144             for (int xLatticeIndex = spreadRange.begin()[XX]; xLatticeIndex < spreadRange.end()[XX];
 145                  ++xLatticeIndex, differenceVector[XX] += differenceVectorScale[XX])
 146             {
 147                 const double preFactor = zyPrefactor * spreadX[xLatticeIndex + spreadGridOffset[XX]]
 148                                          * ySliceOfDerivative[xLatticeIndex];
 149                 force += preFactor * differenceVector;
 150             }
 151         }
 152     }
 153     return localParameters.amplitude_ * force.toRVec();
 154 }
 155
 156 /********************************************************************
 157  * DensityFittingForce
 158  */
 159
 160 DensityFittingForce::DensityFittingForce(const GaussianSpreadKernelParameters::Shape& kernelShapeParameters) :
 161     impl_(new Impl(kernelShapeParameters))
 162 {
 163 }
 164
 165 RVec DensityFittingForce::evaluateForce(const GaussianSpreadKernelParameters::PositionAndAmplitude& localParameters,
 166                                         basic_mdspan<const float, dynamicExtents3D> densityDerivative)
 167 {
 168     return impl_->evaluateForce(localParameters, densityDerivative);
 169 }
 170
 171 DensityFittingForce::~DensityFittingForce() {}
 172
 173 DensityFittingForce::DensityFittingForce(const DensityFittingForce& other) :
 174     impl_(new Impl(*other.impl_))
 175 {
 176 }
 177
 178 DensityFittingForce& DensityFittingForce::operator=(const DensityFittingForce& other)
 179 {
 180     *impl_ = *other.impl_;
 181     return *this;
 182 }
 183
 184 DensityFittingForce::DensityFittingForce(DensityFittingForce&&) noexcept = default;
 185
 186 DensityFittingForce& DensityFittingForce::operator=(DensityFittingForce&&) noexcept = default;
 187
 188 } // namespace gmx