Improve Verlet buffer constraint estimate
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / mdlib / calc_verletbuf.cpp
1 /*
2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3  *
4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015,2016,2017, 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 #include "gmxpre.h"
36
37 #include "calc_verletbuf.h"
38
39 #include <assert.h>
40 #include <stdlib.h>
41
42 #include <cmath>
43
44 #include <algorithm>
45
46 #include "gromacs/math/calculate-ewald-splitting-coefficient.h"
47 #include "gromacs/math/functions.h"
48 #include "gromacs/math/units.h"
49 #include "gromacs/math/vec.h"
50 #include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
51 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_simd.h"
52 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_util.h"
53 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
54 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
55 #include "gromacs/topology/ifunc.h"
56 #include "gromacs/topology/topology.h"
57 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
58 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
59
60 /* The code in this file estimates a pairlist buffer length
61  * given a target energy drift per atom per picosecond.
62  * This is done by estimating the drift given a buffer length.
63  * Ideally we would like to have a tight overestimate of the drift,
64  * but that can be difficult to achieve.
65  *
66  * Significant approximations used:
67  *
68  * Uniform particle density. UNDERESTIMATES the drift by rho_global/rho_local.
69  *
70  * Interactions don't affect particle motion. OVERESTIMATES the drift on longer
71  * time scales. This approximation probably introduces the largest errors.
72  *
73  * Only take one constraint per particle into account: OVERESTIMATES the drift.
74  *
75  * For rotating constraints assume the same functional shape for time scales
76  * where the constraints rotate significantly as the exact expression for
77  * short time scales. OVERESTIMATES the drift on long time scales.
78  *
79  * For non-linear virtual sites use the mass of the lightest constructing atom
80  * to determine the displacement. OVER/UNDERESTIMATES the drift, depending on
81  * the geometry and masses of constructing atoms.
82  *
83  * Note that the formulas for normal atoms and linear virtual sites are exact,
84  * apart from the first two approximations.
85  *
86  * Note that apart from the effect of the above approximations, the actual
87  * drift of the total energy of a system can be order of magnitude smaller
88  * due to cancellation of positive and negative drift for different pairs.
89  */
90
91
92 /* Struct for unique atom type for calculating the energy drift.
93  * The atom displacement depends on mass and constraints.
94  * The energy jump for given distance depend on LJ type and q.
95  */
96 typedef struct
97 {
98     atom_nonbonded_kinetic_prop_t prop; /* non-bonded and kinetic atom prop. */
99     int                           n;    /* #atoms of this type in the system */
100 } verletbuf_atomtype_t;
101
102 // Struct for derivatives of a non-bonded interaction potential
103 typedef struct
104 {
105     real  md1; // -V' at the cutoff
106     real  d2;  //  V'' at the cutoff
107     real  md3; // -V''' at the cutoff
108 } pot_derivatives_t;
109
110 void verletbuf_get_list_setup(gmx_bool gmx_unused     bSIMD,
111                               gmx_bool                bGPU,
112                               verletbuf_list_setup_t *list_setup)
113 {
114     /* When calling this function we often don't know which kernel type we
115      * are going to use. W choose the kernel type with the smallest possible
116      * i- and j-cluster sizes, so we potentially overestimate, but never
117      * underestimate, the buffer drift.
118      * Note that the current buffer estimation code only handles clusters
119      * of size 1, 2 or 4, so for 4x8 or 8x8 we use the estimate for 4x4.
120      */
121
122     if (bGPU)
123     {
124         /* The CUDA kernels split the j-clusters in two halves */
125         list_setup->cluster_size_i = nbnxn_kernel_to_cluster_i_size(nbnxnk8x8x8_GPU);
126         list_setup->cluster_size_j = nbnxn_kernel_to_cluster_j_size(nbnxnk8x8x8_GPU)/2;
127     }
128     else
129     {
130         int kernel_type;
131
132         kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
133
134 #if GMX_SIMD
135         if (bSIMD)
136         {
137 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
138             /* We use the smallest cluster size to be on the safe side */
139             kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
140 #else
141             kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
142 #endif
143         }
144 #endif
145
146         list_setup->cluster_size_i = nbnxn_kernel_to_cluster_i_size(kernel_type);
147         list_setup->cluster_size_j = nbnxn_kernel_to_cluster_j_size(kernel_type);
148     }
149 }
150
151 static gmx_bool
152 atom_nonbonded_kinetic_prop_equal(const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop1,
153                                   const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop2)
154 {
155     return (prop1->mass     == prop2->mass &&
156             prop1->type     == prop2->type &&
157             prop1->q        == prop2->q &&
158             prop1->bConstr  == prop2->bConstr &&
159             prop1->con_mass == prop2->con_mass &&
160             prop1->con_len  == prop2->con_len);
161 }
162
163 static void add_at(verletbuf_atomtype_t **att_p, int *natt_p,
164                    const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop,
165                    int nmol)
166 {
167     verletbuf_atomtype_t   *att;
168     int                     natt, i;
169
170     if (prop->mass == 0)
171     {
172         /* Ignore massless particles */
173         return;
174     }
175
176     att  = *att_p;
177     natt = *natt_p;
178
179     i = 0;
180     while (i < natt && !atom_nonbonded_kinetic_prop_equal(prop, &att[i].prop))
181     {
182         i++;
183     }
184
185     if (i < natt)
186     {
187         att[i].n += nmol;
188     }
189     else
190     {
191         (*natt_p)++;
192         srenew(*att_p, *natt_p);
193         (*att_p)[i].prop = *prop;
194         (*att_p)[i].n    = nmol;
195     }
196 }
197
198 static void get_vsite_masses(const gmx_moltype_t  *moltype,
199                              const gmx_ffparams_t *ffparams,
200                              real                 *vsite_m,
201                              int                  *n_nonlin_vsite)
202 {
203     int            ft, i;
204     const t_ilist *il;
205
206     *n_nonlin_vsite = 0;
207
208     /* Check for virtual sites, determine mass from constructing atoms */
209     for (ft = 0; ft < F_NRE; ft++)
210     {
211         if (IS_VSITE(ft))
212         {
213             il = &moltype->ilist[ft];
214
215             for (i = 0; i < il->nr; i += 1+NRAL(ft))
216             {
217                 const t_iparams *ip;
218                 real             inv_mass, coeff, m_aj;
219                 int              a1, aj;
220
221                 ip = &ffparams->iparams[il->iatoms[i]];
222
223                 a1 = il->iatoms[i+1];
224
225                 if (ft != F_VSITEN)
226                 {
227                     /* Only vsiten can have more than four
228                        constructing atoms, so NRAL(ft) <= 5 */
229                     int        j;
230                     real      *cam;
231                     const int  maxj = NRAL(ft);
232
233                     snew(cam, maxj);
234                     assert(maxj <= 5);
235                     for (j = 1; j < maxj; j++)
236                     {
237                         cam[j] = moltype->atoms.atom[il->iatoms[i+1+j]].m;
238                         if (cam[j] == 0)
239                         {
240                             cam[j] = vsite_m[il->iatoms[i+1+j]];
241                         }
242                         if (cam[j] == 0)
243                         {
244                             gmx_fatal(FARGS, "In molecule type '%s' %s construction involves atom %d, which is a virtual site of equal or high complexity. This is not supported.",
245                                       *moltype->name,
246                                       interaction_function[ft].longname,
247                                       il->iatoms[i+1+j]+1);
248                         }
249                     }
250
251                     switch (ft)
252                     {
253                         case F_VSITE2:
254                             /* Exact */
255                             vsite_m[a1] = (cam[1]*cam[2])/(cam[2]*gmx::square(1-ip->vsite.a) + cam[1]*gmx::square(ip->vsite.a));
256                             break;
257                         case F_VSITE3:
258                             /* Exact */
259                             vsite_m[a1] = (cam[1]*cam[2]*cam[3])/(cam[2]*cam[3]*gmx::square(1-ip->vsite.a-ip->vsite.b) + cam[1]*cam[3]*gmx::square(ip->vsite.a) + cam[1]*cam[2]*gmx::square(ip->vsite.b));
260                             break;
261                         case F_VSITEN:
262                             gmx_incons("Invalid vsite type");
263                             break;
264                         default:
265                             /* Use the mass of the lightest constructing atom.
266                              * This is an approximation.
267                              * If the distance of the virtual site to the
268                              * constructing atom is less than all distances
269                              * between constructing atoms, this is a safe
270                              * over-estimate of the displacement of the vsite.
271                              * This condition holds for all H mass replacement
272                              * vsite constructions, except for SP2/3 groups.
273                              * In SP3 groups one H will have a F_VSITE3
274                              * construction, so even there the total drift
275                              * estimate shouldn't be far off.
276                              */
277                             vsite_m[a1] = cam[1];
278                             for (j = 2; j < maxj; j++)
279                             {
280                                 vsite_m[a1] = std::min(vsite_m[a1], cam[j]);
281                             }
282                             (*n_nonlin_vsite)++;
283                             break;
284                     }
285                     sfree(cam);
286                 }
287                 else
288                 {
289                     int j;
290
291                     /* Exact */
292                     inv_mass = 0;
293                     for (j = 0; j < 3*ffparams->iparams[il->iatoms[i]].vsiten.n; j += 3)
294                     {
295                         aj    = il->iatoms[i+j+2];
296                         coeff = ffparams->iparams[il->iatoms[i+j]].vsiten.a;
297                         if (moltype->atoms.atom[aj].ptype == eptVSite)
298                         {
299                             m_aj = vsite_m[aj];
300                         }
301                         else
302                         {
303                             m_aj = moltype->atoms.atom[aj].m;
304                         }
305                         if (m_aj <= 0)
306                         {
307                             gmx_incons("The mass of a vsiten constructing atom is <= 0");
308                         }
309                         inv_mass += coeff*coeff/m_aj;
310                     }
311                     vsite_m[a1] = 1/inv_mass;
312                     /* Correct for loop increment of i */
313                     i += j - 1 - NRAL(ft);
314                 }
315                 if (gmx_debug_at)
316                 {
317                     fprintf(debug, "atom %4d %-20s mass %6.3f\n",
318                             a1, interaction_function[ft].longname, vsite_m[a1]);
319                 }
320             }
321         }
322     }
323 }
324
325 static void get_verlet_buffer_atomtypes(const gmx_mtop_t      *mtop,
326                                         verletbuf_atomtype_t **att_p,
327                                         int                   *natt_p,
328                                         int                   *n_nonlin_vsite)
329 {
330     verletbuf_atomtype_t          *att;
331     int                            natt;
332     int                            mb, nmol, ft, i, a1, a2, a3, a;
333     const t_atoms                 *atoms;
334     const t_ilist                 *il;
335     const t_iparams               *ip;
336     atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop;
337     real                          *vsite_m;
338     int                            n_nonlin_vsite_mol;
339
340     att  = nullptr;
341     natt = 0;
342
343     if (n_nonlin_vsite != nullptr)
344     {
345         *n_nonlin_vsite = 0;
346     }
347
348     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
349     {
350         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
351
352         atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
353
354         /* Check for constraints, as they affect the kinetic energy.
355          * For virtual sites we need the masses and geometry of
356          * the constructing atoms to determine their velocity distribution.
357          */
358         snew(prop, atoms->nr);
359         snew(vsite_m, atoms->nr);
360
361         for (ft = F_CONSTR; ft <= F_CONSTRNC; ft++)
362         {
363             il = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].ilist[ft];
364
365             for (i = 0; i < il->nr; i += 1+NRAL(ft))
366             {
367                 ip         = &mtop->ffparams.iparams[il->iatoms[i]];
368                 a1         = il->iatoms[i+1];
369                 a2         = il->iatoms[i+2];
370                 if (atoms->atom[a2].m > prop[a1].con_mass)
371                 {
372                     prop[a1].con_mass = atoms->atom[a2].m;
373                     prop[a1].con_len  = ip->constr.dA;
374                 }
375                 if (atoms->atom[a1].m > prop[a2].con_mass)
376                 {
377                     prop[a2].con_mass = atoms->atom[a1].m;
378                     prop[a2].con_len  = ip->constr.dA;
379                 }
380             }
381         }
382
383         il = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].ilist[F_SETTLE];
384
385         for (i = 0; i < il->nr; i += 1+NRAL(F_SETTLE))
386         {
387             ip         = &mtop->ffparams.iparams[il->iatoms[i]];
388             a1         = il->iatoms[i+1];
389             a2         = il->iatoms[i+2];
390             a3         = il->iatoms[i+3];
391             /* Usually the mass of a1 (usually oxygen) is larger than a2/a3.
392              * If this is not the case, we overestimate the displacement,
393              * which leads to a larger buffer (ok since this is an exotic case).
394              */
395             prop[a1].con_mass = atoms->atom[a2].m;
396             prop[a1].con_len  = ip->settle.doh;
397
398             prop[a2].con_mass = atoms->atom[a1].m;
399             prop[a2].con_len  = ip->settle.doh;
400
401             prop[a3].con_mass = atoms->atom[a1].m;
402             prop[a3].con_len  = ip->settle.doh;
403         }
404
405         get_vsite_masses(&mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type],
406                          &mtop->ffparams,
407                          vsite_m,
408                          &n_nonlin_vsite_mol);
409         if (n_nonlin_vsite != nullptr)
410         {
411             *n_nonlin_vsite += nmol*n_nonlin_vsite_mol;
412         }
413
414         for (a = 0; a < atoms->nr; a++)
415         {
416             if (atoms->atom[a].ptype == eptVSite)
417             {
418                 prop[a].mass = vsite_m[a];
419             }
420             else
421             {
422                 prop[a].mass = atoms->atom[a].m;
423             }
424             prop[a].type     = atoms->atom[a].type;
425             prop[a].q        = atoms->atom[a].q;
426             /* We consider an atom constrained, #DOF=2, when it is
427              * connected with constraints to (at least one) atom with
428              * a mass of more than 0.4x its own mass. This is not a critical
429              * parameter, since with roughly equal masses the unconstrained
430              * and constrained displacement will not differ much (and both
431              * overestimate the displacement).
432              */
433             prop[a].bConstr = (prop[a].con_mass > 0.4*prop[a].mass);
434
435             add_at(&att, &natt, &prop[a], nmol);
436         }
437
438         sfree(vsite_m);
439         sfree(prop);
440     }
441
442     if (gmx_debug_at)
443     {
444         for (a = 0; a < natt; a++)
445         {
446             fprintf(debug, "type %d: m %5.2f t %d q %6.3f con %d con_m %5.3f con_l %5.3f n %d\n",
447                     a, att[a].prop.mass, att[a].prop.type, att[a].prop.q,
448                     att[a].prop.bConstr, att[a].prop.con_mass, att[a].prop.con_len,
449                     att[a].n);
450         }
451     }
452
453     *att_p  = att;
454     *natt_p = natt;
455 }
456
457 /* This function computes two components of the estimate of the variance
458  * in the displacement of one atom in a system of two constrained atoms.
459  * Returns in sigma2_2d the variance due to rotation of the constrained
460  * atom around the atom to which it constrained.
461  * Returns in sigma2_3d the variance due to displacement of the COM
462  * of the whole system of the two constrained atoms.
463  *
464  * Note that we only take a single constraint (the one to the heaviest atom)
465  * into account. If an atom has multiple constraints, this will result in
466  * an overestimate of the displacement, which gives a larger drift and buffer.
467  */
468 void constrained_atom_sigma2(real                                 kT_fac,
469                              const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop,
470                              real                                *sigma2_2d,
471                              real                                *sigma2_3d)
472 {
473     /* Here we decompose the motion of a constrained atom into two
474      * components: rotation around the COM and translation of the COM.
475      */
476
477     /* Determine the variance of the arc length for the two rotational DOFs */
478     real massFraction = prop->con_mass/(prop->mass + prop->con_mass);
479     real sigma2_rot   = kT_fac*massFraction/prop->mass;
480
481     /* The distance from the atom to the COM, i.e. the rotational arm */
482     real comDistance  = prop->con_len*massFraction;
483
484     /* The variance relative to the arm */
485     real sigma2_rel   = sigma2_rot/gmx::square(comDistance);
486
487     /* For sigma2_rel << 1 we don't notice the rotational effect and
488      * we have a normal, Gaussian displacement distribution.
489      * For larger sigma2_rel the displacement is much less, in fact it can
490      * not exceed 2*comDistance. We can calculate MSD/arm^2 as:
491      *   integral_x=0-inf distance2(x) x/sigma2_rel exp(-x^2/(2 sigma2_rel)) dx
492      * where x is angular displacement and distance2(x) is the distance^2
493      * between points at angle 0 and x:
494      *   distance2(x) = (sin(x) - sin(0))^2 + (cos(x) - cos(0))^2
495      * The limiting value of this MSD is 2, which is also the value for
496      * a uniform rotation distribution that would be reached at long time.
497      * The maximum is 2.5695 at sigma2_rel = 4.5119.
498      * We approximate this integral with a rational polynomial with
499      * coefficients from a Taylor expansion. This approximation is an
500      * overestimate for all values of sigma2_rel. Its maximum value
501      * of 2.6491 is reached at sigma2_rel = sqrt(45/2) = 4.7434.
502      * We keep the approximation constant after that.
503      * We use this approximate MSD as the variance for a Gaussian distribution.
504      *
505      * NOTE: For any sensible buffer tolerance this will result in a (large)
506      * overestimate of the buffer size, since the Gaussian has a long tail,
507      * whereas the actual distribution can not reach values larger than 2.
508      */
509     /* Coeffients obtained from a Taylor expansion */
510     const real a = 1.0/3.0;
511     const real b = 2.0/45.0;
512
513     /* Our approximation is constant after sigma2_rel = 1/sqrt(b) */
514     sigma2_rel   = std::min(sigma2_rel, 1/std::sqrt(b));
515
516     /* Compute the approximate sigma^2 for 2D motion due to the rotation */
517     *sigma2_2d   = gmx::square(comDistance)*
518         sigma2_rel/(1 + a*sigma2_rel + b*gmx::square(sigma2_rel));
519
520     /* The constrained atom also moves (in 3D) with the COM of both atoms */
521     *sigma2_3d   = kT_fac/(prop->mass + prop->con_mass);
522 }
523
524 static void get_atom_sigma2(real                                 kT_fac,
525                             const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop,
526                             real                                *sigma2_2d,
527                             real                                *sigma2_3d)
528 {
529     if (prop->bConstr)
530     {
531         /* Complicated constraint calculation in a separate function */
532         constrained_atom_sigma2(kT_fac, prop, sigma2_2d, sigma2_3d);
533     }
534     else
535     {
536         /* Unconstrained atom: trivial */
537         *sigma2_2d = 0;
538         *sigma2_3d = kT_fac/prop->mass;
539     }
540 }
541
542 static void approx_2dof(real s2, real x, real *shift, real *scale)
543 {
544     /* A particle with 1 DOF constrained has 2 DOFs instead of 3.
545      * This code is also used for particles with multiple constraints,
546      * in which case we overestimate the displacement.
547      * The 2DOF distribution is sqrt(pi/2)*erfc(r/(sqrt(2)*s))/(2*s).
548      * We approximate this with scale*Gaussian(s,r+shift),
549      * by matching the distribution value and derivative at x.
550      * This is a tight overestimate for all r>=0 at any s and x.
551      */
552     real ex, er;
553
554     ex = std::exp(-x*x/(2*s2));
555     er = std::erfc(x/std::sqrt(2*s2));
556
557     *shift = -x + std::sqrt(2*s2/M_PI)*ex/er;
558     *scale = 0.5*M_PI*std::exp(ex*ex/(M_PI*er*er))*er;
559 }
560
561 // Returns an (over)estimate of the energy drift for a single atom pair,
562 // given the kinetic properties, displacement variances and list buffer.
563 static real energyDriftAtomPair(const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop_i,
564                                 const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop_j,
565                                 real s2, real s2i_2d, real s2j_2d,
566                                 real r_buffer,
567                                 const pot_derivatives_t *der)
568 {
569     // For relatively small arguments erfc() is so small that if will be 0.0
570     // when stored in a float. We set an argument limit of 8 (Erfc(8)=1e-29),
571     // such that we can divide by erfc and have some space left for arithmetic.
572     const real erfc_arg_max = 8.0;
573
574     real       rsh    = r_buffer;
575     real       sc_fac = 1.0;
576
577     real       c_exp, c_erfc;
578
579     if (rsh*rsh > 2*s2*erfc_arg_max*erfc_arg_max)
580     {
581         // Below we calculate c_erfc = 0.5*erfc(rsh/sqrt(2*s2))
582         // When rsh/sqrt(2*s2) increases, this erfc will be the first
583         // result that underflows and becomes 0.0. To avoid this,
584         // we set c_exp=0 and c_erfc=0 for large arguments.
585         // This also avoids NaN in approx_2dof().
586         // In any relevant case this has no effect on the results,
587         // since c_exp < 6e-29, so the displacement is completely
588         // negligible for such atom pairs (and an overestimate).
589         // In nearly all use cases, there will be other atom pairs
590         // that contribute much more to the total, so zeroing
591         // this particular contribution has no effect at all.
592         c_exp  = 0;
593         c_erfc = 0;
594     }
595     else
596     {
597         /* For constraints: adapt r and scaling for the Gaussian */
598         if (prop_i->bConstr)
599         {
600             real sh, sc;
601
602             approx_2dof(s2i_2d, r_buffer*s2i_2d/s2, &sh, &sc);
603             rsh    += sh;
604             sc_fac *= sc;
605         }
606         if (prop_j->bConstr)
607         {
608             real sh, sc;
609
610             approx_2dof(s2j_2d, r_buffer*s2j_2d/s2, &sh, &sc);
611             rsh    += sh;
612             sc_fac *= sc;
613         }
614
615         /* Exact contribution of an atom pair with Gaussian displacement
616          * with sigma s to the energy drift for a potential with
617          * derivative -md and second derivative dd at the cut-off.
618          * The only catch is that for potentials that change sign
619          * near the cut-off there could be an unlucky compensation
620          * of positive and negative energy drift.
621          * Such potentials are extremely rare though.
622          *
623          * Note that pot has unit energy*length, as the linear
624          * atom density still needs to be put in.
625          */
626         c_exp  = std::exp(-rsh*rsh/(2*s2))/std::sqrt(2*M_PI);
627         c_erfc = 0.5*std::erfc(rsh/(std::sqrt(2*s2)));
628     }
629     real s    = std::sqrt(s2);
630     real rsh2 = rsh*rsh;
631
632     real pot1 = sc_fac*
633         der->md1/2*((rsh2 + s2)*c_erfc - rsh*s*c_exp);
634     real pot2 = sc_fac*
635         der->d2/6*(s*(rsh2 + 2*s2)*c_exp - rsh*(rsh2 + 3*s2)*c_erfc);
636     real pot3 = sc_fac*
637         der->md3/24*((rsh2*rsh2 + 6*rsh2*s2 + 3*s2*s2)*c_erfc - rsh*s*(rsh2 + 5*s2)*c_exp);
638
639     return pot1 + pot2 + pot3;
640 }
641
642 static real energyDrift(const verletbuf_atomtype_t *att, int natt,
643                         const gmx_ffparams_t *ffp,
644                         real kT_fac,
645                         const pot_derivatives_t *ljDisp,
646                         const pot_derivatives_t *ljRep,
647                         const pot_derivatives_t *elec,
648                         real rlj, real rcoulomb,
649                         real rlist, real boxvol)
650 {
651     double drift_tot = 0;
652
653     if (kT_fac == 0)
654     {
655         /* No atom displacements: no drift, avoid division by 0 */
656         return drift_tot;
657     }
658
659     // Here add up the contribution of all atom pairs in the system to
660     // (estimated) energy drift by looping over all atom type pairs.
661     for (int i = 0; i < natt; i++)
662     {
663         // Get the thermal displacement variance for the i-atom type
664         const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop_i = &att[i].prop;
665         real                                 s2i_2d, s2i_3d;
666         get_atom_sigma2(kT_fac, prop_i, &s2i_2d, &s2i_3d);
667
668         for (int j = i; j < natt; j++)
669         {
670             // Get the thermal displacement variance for the j-atom type
671             const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop_j = &att[j].prop;
672             real                                 s2j_2d, s2j_3d;
673             get_atom_sigma2(kT_fac, prop_j, &s2j_2d, &s2j_3d);
674
675             /* Add up the up to four independent variances */
676             real s2 = s2i_2d + s2i_3d + s2j_2d + s2j_3d;
677
678             // Set -V', V'' and -V''' at the cut-off for LJ */
679             real              c6  = ffp->iparams[prop_i->type*ffp->atnr + prop_j->type].lj.c6;
680             real              c12 = ffp->iparams[prop_i->type*ffp->atnr + prop_j->type].lj.c12;
681             pot_derivatives_t lj;
682             lj.md1 = c6*ljDisp->md1 + c12*ljRep->md1;
683             lj.d2  = c6*ljDisp->d2  + c12*ljRep->d2;
684             lj.md3 = c6*ljDisp->md3 + c12*ljRep->md3;
685
686             real pot_lj = energyDriftAtomPair(prop_i, prop_j,
687                                               s2, s2i_2d, s2j_2d,
688                                               rlist - rlj,
689                                               &lj);
690
691             // Set -V' and V'' at the cut-off for Coulomb
692             pot_derivatives_t elec_qq;
693             elec_qq.md1 = elec->md1*prop_i->q*prop_j->q;
694             elec_qq.d2  = elec->d2 *prop_i->q*prop_j->q;
695             elec_qq.md3 = 0;
696
697             real pot_q  = energyDriftAtomPair(prop_i, prop_j,
698                                               s2, s2i_2d, s2j_2d,
699                                               rlist - rcoulomb,
700                                               &elec_qq);
701
702             // Note that attractive and repulsive potentials for individual
703             // pairs can partially cancel.
704             real pot = pot_lj + pot_q;
705
706             /* Multiply by the number of atom pairs */
707             if (j == i)
708             {
709                 pot *= (double)att[i].n*(att[i].n - 1)/2;
710             }
711             else
712             {
713                 pot *= (double)att[i].n*att[j].n;
714             }
715             /* We need the line density to get the energy drift of the system.
716              * The effective average r^2 is close to (rlist+sigma)^2.
717              */
718             pot *= 4*M_PI*gmx::square(rlist + std::sqrt(s2))/boxvol;
719
720             /* Add the unsigned drift to avoid cancellation of errors */
721             drift_tot += std::abs(pot);
722         }
723     }
724
725     return drift_tot;
726 }
727
728 static real surface_frac(int cluster_size, real particle_distance, real rlist)
729 {
730     real d, area_rel;
731
732     if (rlist < 0.5*particle_distance)
733     {
734         /* We have non overlapping spheres */
735         return 1.0;
736     }
737
738     /* Half the inter-particle distance relative to rlist */
739     d = 0.5*particle_distance/rlist;
740
741     /* Determine the area of the surface at distance rlist to the closest
742      * particle, relative to surface of a sphere of radius rlist.
743      * The formulas below assume close to cubic cells for the pair search grid,
744      * which the pair search code tries to achieve.
745      * Note that in practice particle distances will not be delta distributed,
746      * but have some spread, often involving shorter distances,
747      * as e.g. O-H bonds in a water molecule. Thus the estimates below will
748      * usually be slightly too high and thus conservative.
749      */
750     switch (cluster_size)
751     {
752         case 1:
753             /* One particle: trivial */
754             area_rel = 1.0;
755             break;
756         case 2:
757             /* Two particles: two spheres at fractional distance 2*a */
758             area_rel = 1.0 + d;
759             break;
760         case 4:
761             /* We assume a perfect, symmetric tetrahedron geometry.
762              * The surface around a tetrahedron is too complex for a full
763              * analytical solution, so we use a Taylor expansion.
764              */
765             area_rel = (1.0 + 1/M_PI*(6*std::acos(1/std::sqrt(3))*d +
766                                       std::sqrt(3)*d*d*(1.0 +
767                                                         5.0/18.0*d*d +
768                                                         7.0/45.0*d*d*d*d +
769                                                         83.0/756.0*d*d*d*d*d*d)));
770             break;
771         default:
772             gmx_incons("surface_frac called with unsupported cluster_size");
773             area_rel = 1.0;
774     }
775
776     return area_rel/cluster_size;
777 }
778
779 /* Returns the negative of the third derivative of a potential r^-p
780  * with a force-switch function, evaluated at the cut-off rc.
781  */
782 static real md3_force_switch(real p, real rswitch, real rc)
783 {
784     /* The switched force function is:
785      * p*r^-(p+1) + a*(r - rswitch)^2 + b*(r - rswitch)^3
786      */
787     real a, b;
788     real md3_pot, md3_sw;
789
790     a = -((p + 4)*rc - (p + 1)*rswitch)/(pow(rc, p+2)*gmx::square(rc-rswitch));
791     b =  ((p + 3)*rc - (p + 1)*rswitch)/(pow(rc, p+2)*gmx::power3(rc-rswitch));
792
793     md3_pot = (p + 2)*(p + 1)*p*pow(rc, p+3);
794     md3_sw  = 2*a + 6*b*(rc - rswitch);
795
796     return md3_pot + md3_sw;
797 }
798
799 void calc_verlet_buffer_size(const gmx_mtop_t *mtop, real boxvol,
800                              const t_inputrec *ir,
801                              real reference_temperature,
802                              const verletbuf_list_setup_t *list_setup,
803                              int *n_nonlin_vsite,
804                              real *rlist)
805 {
806     double                resolution;
807     char                 *env;
808
809     real                  particle_distance;
810     real                  nb_clust_frac_pairs_not_in_list_at_cutoff;
811
812     verletbuf_atomtype_t *att  = nullptr;
813     int                   natt = -1, i;
814     real                  elfac;
815     real                  kT_fac, mass_min;
816     int                   ib0, ib1, ib;
817     real                  rb, rl;
818     real                  drift;
819
820     if (!EI_DYNAMICS(ir->eI))
821     {
822         gmx_incons("Can only determine the Verlet buffer size for integrators that perform dynamics");
823     }
824     if (ir->verletbuf_tol <= 0)
825     {
826         gmx_incons("The Verlet buffer tolerance needs to be larger than zero");
827     }
828
829     if (reference_temperature < 0)
830     {
831         if (EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO)
832         {
833             /* This case should be handled outside calc_verlet_buffer_size */
834             gmx_incons("calc_verlet_buffer_size called with an NVE ensemble and reference_temperature < 0");
835         }
836
837         /* We use the maximum temperature with multiple T-coupl groups.
838          * We could use a per particle temperature, but since particles
839          * interact, this might underestimate the buffer size.
840          */
841         reference_temperature = 0;
842         for (i = 0; i < ir->opts.ngtc; i++)
843         {
844             if (ir->opts.tau_t[i] >= 0)
845             {
846                 reference_temperature = std::max(reference_temperature,
847                                                  ir->opts.ref_t[i]);
848             }
849         }
850     }
851
852     /* Resolution of the buffer size */
853     resolution = 0.001;
854
855     env = getenv("GMX_VERLET_BUFFER_RES");
856     if (env != nullptr)
857     {
858         sscanf(env, "%lf", &resolution);
859     }
860
861     /* In an atom wise pair-list there would be no pairs in the list
862      * beyond the pair-list cut-off.
863      * However, we use a pair-list of groups vs groups of atoms.
864      * For groups of 4 atoms, the parallelism of SSE instructions, only
865      * 10% of the atoms pairs are not in the list just beyond the cut-off.
866      * As this percentage increases slowly compared to the decrease of the
867      * Gaussian displacement distribution over this range, we can simply
868      * reduce the drift by this fraction.
869      * For larger groups, e.g. of 8 atoms, this fraction will be lower,
870      * so then buffer size will be on the conservative (large) side.
871      *
872      * Note that the formulas used here do not take into account
873      * cancellation of errors which could occur by missing both
874      * attractive and repulsive interactions.
875      *
876      * The only major assumption is homogeneous particle distribution.
877      * For an inhomogeneous system, such as a liquid-vapor system,
878      * the buffer will be underestimated. The actual energy drift
879      * will be higher by the factor: local/homogeneous particle density.
880      *
881      * The results of this estimate have been checked againt simulations.
882      * In most cases the real drift differs by less than a factor 2.
883      */
884
885     /* Worst case assumption: HCP packing of particles gives largest distance */
886     particle_distance = std::cbrt(boxvol*std::sqrt(2)/mtop->natoms);
887
888     get_verlet_buffer_atomtypes(mtop, &att, &natt, n_nonlin_vsite);
889     assert(att != NULL && natt >= 0);
890
891     if (debug)
892     {
893         fprintf(debug, "particle distance assuming HCP packing: %f nm\n",
894                 particle_distance);
895         fprintf(debug, "energy drift atom types: %d\n", natt);
896     }
897
898     pot_derivatives_t ljDisp = { 0, 0, 0 };
899     pot_derivatives_t ljRep  = { 0, 0, 0 };
900     real              repPow = mtop->ffparams.reppow;
901
902     if (ir->vdwtype == evdwCUT)
903     {
904         real sw_range, md3_pswf;
905
906         switch (ir->vdw_modifier)
907         {
908             case eintmodNONE:
909             case eintmodPOTSHIFT:
910                 /* -dV/dr of -r^-6 and r^-reppow */
911                 ljDisp.md1 =     -6*std::pow(ir->rvdw, -7.0);
912                 ljRep.md1  = repPow*std::pow(ir->rvdw, -(repPow + 1));
913                 /* The contribution of the higher derivatives is negligible */
914                 break;
915             case eintmodFORCESWITCH:
916                 /* At the cut-off: V=V'=V''=0, so we use only V''' */
917                 ljDisp.md3 = -md3_force_switch(6.0,    ir->rvdw_switch, ir->rvdw);
918                 ljRep.md3  =  md3_force_switch(repPow, ir->rvdw_switch, ir->rvdw);
919                 break;
920             case eintmodPOTSWITCH:
921                 /* At the cut-off: V=V'=V''=0.
922                  * V''' is given by the original potential times
923                  * the third derivative of the switch function.
924                  */
925                 sw_range   = ir->rvdw - ir->rvdw_switch;
926                 md3_pswf   = 60.0/gmx::power3(sw_range);
927
928                 ljDisp.md3 = -std::pow(ir->rvdw, -6.0   )*md3_pswf;
929                 ljRep.md3  =  std::pow(ir->rvdw, -repPow)*md3_pswf;
930                 break;
931             default:
932                 gmx_incons("Unimplemented VdW modifier");
933         }
934     }
935     else if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
936     {
937         real b     = calc_ewaldcoeff_lj(ir->rvdw, ir->ewald_rtol_lj);
938         real r     = ir->rvdw;
939         real br    = b*r;
940         real br2   = br*br;
941         real br4   = br2*br2;
942         real br6   = br4*br2;
943         // -dV/dr of g(br)*r^-6 [where g(x) = exp(-x^2)(1+x^2+x^4/2),
944         // see LJ-PME equations in manual] and r^-reppow
945         ljDisp.md1 = -std::exp(-br2)*(br6 + 3.0*br4 + 6.0*br2 + 6.0)*std::pow(r, -7.0);
946         ljRep.md1  = repPow*pow(r, -(repPow + 1));
947         // The contribution of the higher derivatives is negligible
948     }
949     else
950     {
951         gmx_fatal(FARGS, "Energy drift calculation is only implemented for plain cut-off Lennard-Jones interactions");
952     }
953
954     elfac = ONE_4PI_EPS0/ir->epsilon_r;
955
956     // Determine the 1st and 2nd derivative for the electostatics
957     pot_derivatives_t elec = { 0, 0, 0 };
958
959     if (ir->coulombtype == eelCUT || EEL_RF(ir->coulombtype))
960     {
961         real eps_rf, k_rf;
962
963         if (ir->coulombtype == eelCUT)
964         {
965             eps_rf = 1;
966             k_rf   = 0;
967         }
968         else
969         {
970             eps_rf = ir->epsilon_rf/ir->epsilon_r;
971             if (eps_rf != 0)
972             {
973                 k_rf = (eps_rf - ir->epsilon_r)/( gmx::power3(ir->rcoulomb) * (2*eps_rf + ir->epsilon_r) );
974             }
975             else
976             {
977                 /* epsilon_rf = infinity */
978                 k_rf = 0.5/gmx::power3(ir->rcoulomb);
979             }
980         }
981
982         if (eps_rf > 0)
983         {
984             elec.md1 = elfac*(1.0/gmx::square(ir->rcoulomb) - 2*k_rf*ir->rcoulomb);
985         }
986         elec.d2      = elfac*(2.0/gmx::power3(ir->rcoulomb) + 2*k_rf);
987     }
988     else if (EEL_PME(ir->coulombtype) || ir->coulombtype == eelEWALD)
989     {
990         real b, rc, br;
991
992         b        = calc_ewaldcoeff_q(ir->rcoulomb, ir->ewald_rtol);
993         rc       = ir->rcoulomb;
994         br       = b*rc;
995         elec.md1 = elfac*(b*std::exp(-br*br)*M_2_SQRTPI/rc + std::erfc(br)/(rc*rc));
996         elec.d2  = elfac/(rc*rc)*(2*b*(1 + br*br)*std::exp(-br*br)*M_2_SQRTPI + 2*std::erfc(br)/rc);
997     }
998     else
999     {
1000         gmx_fatal(FARGS, "Energy drift calculation is only implemented for Reaction-Field and Ewald electrostatics");
1001     }
1002
1003     /* Determine the variance of the atomic displacement
1004      * over nstlist-1 steps: kT_fac
1005      * For inertial dynamics (not Brownian dynamics) the mass factor
1006      * is not included in kT_fac, it is added later.
1007      */
1008     if (ir->eI == eiBD)
1009     {
1010         /* Get the displacement distribution from the random component only.
1011          * With accurate integration the systematic (force) displacement
1012          * should be negligible (unless nstlist is extremely large, which
1013          * you wouldn't do anyhow).
1014          */
1015         kT_fac = 2*BOLTZ*reference_temperature*(ir->nstlist-1)*ir->delta_t;
1016         if (ir->bd_fric > 0)
1017         {
1018             /* This is directly sigma^2 of the displacement */
1019             kT_fac /= ir->bd_fric;
1020
1021             /* Set the masses to 1 as kT_fac is the full sigma^2,
1022              * but we divide by m in ener_drift().
1023              */
1024             for (i = 0; i < natt; i++)
1025             {
1026                 att[i].prop.mass = 1;
1027             }
1028         }
1029         else
1030         {
1031             real tau_t;
1032
1033             /* Per group tau_t is not implemented yet, use the maximum */
1034             tau_t = ir->opts.tau_t[0];
1035             for (i = 1; i < ir->opts.ngtc; i++)
1036             {
1037                 tau_t = std::max(tau_t, ir->opts.tau_t[i]);
1038             }
1039
1040             kT_fac *= tau_t;
1041             /* This kT_fac needs to be divided by the mass to get sigma^2 */
1042         }
1043     }
1044     else
1045     {
1046         kT_fac = BOLTZ*reference_temperature*gmx::square((ir->nstlist-1)*ir->delta_t);
1047     }
1048
1049     mass_min = att[0].prop.mass;
1050     for (i = 1; i < natt; i++)
1051     {
1052         mass_min = std::min(mass_min, att[i].prop.mass);
1053     }
1054
1055     if (debug)
1056     {
1057         fprintf(debug, "Derivatives of non-bonded potentials at the cut-off:\n");
1058         fprintf(debug, "LJ disp. -V' %9.2e V'' %9.2e -V''' %9.2e\n", ljDisp.md1, ljDisp.d2, ljDisp.md3);
1059         fprintf(debug, "LJ rep.  -V' %9.2e V'' %9.2e -V''' %9.2e\n", ljRep.md1, ljRep.d2, ljRep.md3);
1060         fprintf(debug, "Electro. -V' %9.2e V'' %9.2e\n", elec.md1, elec.d2);
1061         fprintf(debug, "sqrt(kT_fac) %f\n", std::sqrt(kT_fac));
1062         fprintf(debug, "mass_min %f\n", mass_min);
1063     }
1064
1065     /* Search using bisection */
1066     ib0 = -1;
1067     /* The drift will be neglible at 5 times the max sigma */
1068     ib1 = (int)(5*2*std::sqrt(kT_fac/mass_min)/resolution) + 1;
1069     while (ib1 - ib0 > 1)
1070     {
1071         ib = (ib0 + ib1)/2;
1072         rb = ib*resolution;
1073         rl = std::max(ir->rvdw, ir->rcoulomb) + rb;
1074
1075         /* Calculate the average energy drift at the last step
1076          * of the nstlist steps at which the pair-list is used.
1077          */
1078         drift = energyDrift(att, natt, &mtop->ffparams,
1079                             kT_fac,
1080                             &ljDisp, &ljRep, &elec,
1081                             ir->rvdw, ir->rcoulomb,
1082                             rl, boxvol);
1083
1084         /* Correct for the fact that we are using a Ni x Nj particle pair list
1085          * and not a 1 x 1 particle pair list. This reduces the drift.
1086          */
1087         /* We don't have a formula for 8 (yet), use 4 which is conservative */
1088         nb_clust_frac_pairs_not_in_list_at_cutoff =
1089             surface_frac(std::min(list_setup->cluster_size_i, 4),
1090                          particle_distance, rl)*
1091             surface_frac(std::min(list_setup->cluster_size_j, 4),
1092                          particle_distance, rl);
1093         drift *= nb_clust_frac_pairs_not_in_list_at_cutoff;
1094
1095         /* Convert the drift to drift per unit time per atom */
1096         drift /= ir->nstlist*ir->delta_t*mtop->natoms;
1097
1098         if (debug)
1099         {
1100             fprintf(debug, "ib %3d %3d %3d rb %.3f %dx%d fac %.3f drift %.1e\n",
1101                     ib0, ib, ib1, rb,
1102                     list_setup->cluster_size_i, list_setup->cluster_size_j,
1103                     nb_clust_frac_pairs_not_in_list_at_cutoff,
1104                     drift);
1105         }
1106
1107         if (std::abs(drift) > ir->verletbuf_tol)
1108         {
1109             ib0 = ib;
1110         }
1111         else
1112         {
1113             ib1 = ib;
1114         }
1115     }
1116
1117     sfree(att);
1118
1119     *rlist = std::max(ir->rvdw, ir->rcoulomb) + ib1*resolution;
1120 }