src/gromacs/mdlib/groupcoord.c

   1 /* -*- mode: c; tab-width: 4; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 4; c-file-style: "stroustrup"; -*-
   2  *
   3  *                This source code is part of
   4  *
   5  *                 G   R   O   M   A   C   S
   6  *
   7  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   8  *
   9  *                        VERSION 4.5
  10  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  11  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  12  * Copyright (c) 2001-2008, The GROMACS development team,
  13  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  14
  15  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  16  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  17  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  18  * of the License, or (at your option) any later version.
  19  *
  20  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  21  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  22  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  23  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  24  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  25  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  26  *
  27  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  28  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  29  *
  30  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  31  *
  32  * And Hey:
  33  * Groningen Machine for Chemical Simulation
  34  */
  35 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  36 #include <config.h>
  37 #endif
  38
  39
  40 #include "groupcoord.h"
  41 #include "network.h"
  42 #include "pbc.h"
  43 #include "vec.h"
  44 #include "smalloc.h"
  45 #include "gmx_ga2la.h"
  46
  47 #define MIN(a,b) (((a)<(b))?(a):(b))
  48
  49
  50
  51 /* Select the indices of the group's atoms which are local and store them in
  52  * anrs_loc[0..nr_loc]. The indices are saved in coll_ind[] for later reduction
  53  * in communicate_group_positions()
  54  */
  55 extern void dd_make_local_group_indices(
  56         gmx_ga2la_t   ga2la,
  57         const int     nr,          /* IN:  Total number of atoms in the group */
  58         int           anrs[],      /* IN:  Global atom numbers of the groups atoms */
  59         int           *nr_loc,     /* OUT: Number of group atoms found locally */
  60         int           *anrs_loc[], /* OUT: Local atom numbers of the group  */
  61         int           *nalloc_loc, /* IN+OUT: Allocation size of anrs_loc */
  62         int           coll_ind[])  /* OUT (opt): Where is this position found in the collective array? */
  63 {
  64     int  i,ii;
  65     int  localnr;
  66
  67
  68     /* Loop over all the atom indices of the group to check
  69      * which ones are on the local node */
  70     localnr = 0;
  71     for(i=0; i<nr; i++)
  72     {
  73         if (ga2la_get_home(ga2la,anrs[i],&ii))
  74         {
  75             /* The atom with this index is a home atom */
  76             if (localnr >= *nalloc_loc) /* Check whether memory suffices */
  77             {
  78                 *nalloc_loc = over_alloc_dd(localnr+1);
  79                 /* We never need more memory than the number of atoms in the group */
  80                 *nalloc_loc = MIN(*nalloc_loc, nr);
  81                 srenew(*anrs_loc,*nalloc_loc);
  82             }
  83             /* Save the atoms index in the local atom numbers array */
  84             (*anrs_loc)[localnr] = ii;
  85
  86             if (coll_ind != NULL)
  87             {
  88                 /* Keep track of where this local atom belongs in the collective index array.
  89                  * This is needed when reducing the local arrays to a collective/global array
  90                  * in communicate_group_positions */
  91                 coll_ind[localnr] = i;
  92             }
  93
  94             /* add one to the local atom count */
  95             localnr++;
  96         }
  97     }
  98
  99     /* Return the number of local atoms that were found */
 100     *nr_loc = localnr;
 101 }
 102
 103
 104 static void get_shifts_group(
 105         int    npbcdim,
 106         matrix box,
 107         rvec   *xcoll,     /* IN:  Collective set of positions [0..nr] */
 108         int    nr,         /* IN:  Total number of atoms in the group */
 109         rvec   *xcoll_old, /* IN:  Positions from the last time step [0...nr] */
 110         ivec   *shifts)    /* OUT: Shifts for xcoll */
 111 {
 112     int  i,m,d;
 113     rvec dx;
 114
 115
 116     /* Get the shifts such that each atom is within closest
 117      * distance to its position at the last NS time step after shifting.
 118      * If we start with a whole group, and always keep track of
 119      * shift changes, the group will stay whole this way */
 120     for (i=0; i < nr; i++)
 121         clear_ivec(shifts[i]);
 122
 123     for (i=0; i<nr; i++)
 124     {
 125         /* The distance this atom moved since the last time step */
 126         /* If this is more than just a bit, it has changed its home pbc box */
 127         rvec_sub(xcoll[i],xcoll_old[i],dx);
 128
 129         for(m=npbcdim-1; m>=0; m--)
 130         {
 131             while (dx[m] < -0.5*box[m][m])
 132             {
 133                 for(d=0; d<DIM; d++)
 134                     dx[d] += box[m][d];
 135                 shifts[i][m]++;
 136             }
 137             while (dx[m] >= 0.5*box[m][m])
 138             {
 139                 for(d=0; d<DIM; d++)
 140                     dx[d] -= box[m][d];
 141                 shifts[i][m]--;
 142             }
 143         }
 144     }
 145 }
 146
 147
 148 static void shift_positions_group(
 149         matrix box,
 150         rvec   x[],      /* The positions [0..nr] */
 151         ivec   *is,      /* The shifts [0..nr] */
 152         int    nr)       /* The number of positions and shifts */
 153 {
 154     int      i,tx,ty,tz;
 155
 156
 157     /* Loop over the group's atoms */
 158     if(TRICLINIC(box))
 159     {
 160         for (i=0; i < nr; i++)
 161         {
 162             tx=is[i][XX];
 163             ty=is[i][YY];
 164             tz=is[i][ZZ];
 165
 166             x[i][XX]=x[i][XX]+tx*box[XX][XX]+ty*box[YY][XX]+tz*box[ZZ][XX];
 167             x[i][YY]=x[i][YY]+ty*box[YY][YY]+tz*box[ZZ][YY];
 168             x[i][ZZ]=x[i][ZZ]+tz*box[ZZ][ZZ];
 169         }
 170     } else
 171     {
 172         for (i=0; i < nr; i++)
 173         {
 174             tx=is[i][XX];
 175             ty=is[i][YY];
 176             tz=is[i][ZZ];
 177
 178             x[i][XX]=x[i][XX]+tx*box[XX][XX];
 179             x[i][YY]=x[i][YY]+ty*box[YY][YY];
 180             x[i][ZZ]=x[i][ZZ]+tz*box[ZZ][ZZ];
 181         }
 182     }
 183 }
 184
 185
 186 /* Assemble the positions of the group such that every node has all of them.
 187  * The atom indices are retrieved from anrs_loc[0..nr_loc]
 188  * Note that coll_ind[i] = i is needed in the serial case */
 189 extern void communicate_group_positions(
 190         t_commrec  *cr,
 191         rvec       *xcoll,        /* OUT: Collective array of positions */
 192         ivec       *shifts,       /* IN+OUT: Collective array of shifts for xcoll */
 193         ivec       *extra_shifts, /* BUF: Extra shifts since last time step */
 194         const gmx_bool bNS,       /* IN:  NS step, the shifts have changed */
 195         rvec       *x_loc,        /* IN:  Local positions on this node */
 196         const int  nr,            /* IN:  Total number of atoms in the group */
 197         const int  nr_loc,        /* IN:  Local number of atoms in the group */
 198         int        *anrs_loc,     /* IN:  Local atom numbers */
 199         int        *coll_ind,     /* IN:  Collective index */
 200         rvec       *xcoll_old,    /* IN+OUT: Positions from the last time step, used to make group whole */
 201         matrix     box)
 202 {
 203     int i;
 204
 205
 206     /* Zero out the groups' global position array */
 207     clear_rvecs(nr, xcoll);
 208
 209     /* Put the local positions that this node has into the right place of
 210      * the collective array. Note that in the serial case, coll_ind[i] = i */
 211     for (i=0; i<nr_loc; i++)
 212         copy_rvec(x_loc[anrs_loc[i]], xcoll[coll_ind[i]]);
 213
 214     if (PAR(cr))
 215     {
 216         /* Add the arrays from all nodes together */
 217         gmx_sum(nr*3, xcoll[0], cr);
 218     }
 219     /* To make the group whole, start with a whole group and each
 220      * step move the assembled positions at closest distance to the positions
 221      * from the last step. First shift the positions with the saved shift
 222      * vectors (these are 0 when this routine is called for the first time!) */
 223     shift_positions_group(box, xcoll, shifts, nr);
 224
 225     /* Now check if some shifts changed since the last step.
 226      * This only needs to be done when the shifts are expected to have changed,
 227      * i.e. after neighboursearching */
 228     if (bNS)
 229     {
 230         get_shifts_group(3, box, xcoll, nr, xcoll_old, extra_shifts);
 231
 232         /* Shift with the additional shifts such that we get a whole group now */
 233         shift_positions_group(box, xcoll, extra_shifts, nr);
 234
 235         /* Add the shift vectors together for the next time step */
 236         for (i=0; i<nr; i++)
 237         {
 238             shifts[i][XX] += extra_shifts[i][XX];
 239             shifts[i][YY] += extra_shifts[i][YY];
 240             shifts[i][ZZ] += extra_shifts[i][ZZ];
 241         }
 242
 243         /* Store current correctly-shifted positions for comparison in the next NS time step */
 244         for (i=0; i<nr; i++)
 245             copy_rvec(xcoll[i],xcoll_old[i]);
 246     }
 247 }
 248
 249
 250 /* Determine the (weighted) sum vector from positions x */
 251 extern double get_sum_of_positions(rvec x[], real weight[], const int nat, dvec dsumvec)
 252 {
 253     int i;
 254     rvec x_weighted;
 255     double weight_sum = 0.0;
 256
 257
 258     /* Zero out the center */
 259     clear_dvec(dsumvec);
 260
 261     /* Loop over all atoms and add their weighted position vectors */
 262     if (weight != NULL)
 263     {
 264         for (i=0; i<nat; i++)
 265         {
 266             weight_sum += weight[i];
 267             svmul(weight[i], x[i], x_weighted);
 268             dsumvec[XX] += x_weighted[XX];
 269             dsumvec[YY] += x_weighted[YY];
 270             dsumvec[ZZ] += x_weighted[ZZ];
 271         }
 272     }
 273     else
 274     {
 275         for (i=0; i<nat; i++)
 276         {
 277             dsumvec[XX] += x[i][XX];
 278             dsumvec[YY] += x[i][YY];
 279             dsumvec[ZZ] += x[i][ZZ];
 280         }
 281     }
 282     return weight_sum;
 283 }
 284
 285
 286 /* Determine center of structure from collective positions x */
 287 extern void get_center(rvec x[], real weight[], const int nr, rvec rcenter)
 288 {
 289     dvec   dcenter;
 290     double weight_sum, denom;
 291
 292
 293     weight_sum = get_sum_of_positions(x, weight, nr, dcenter);
 294
 295     if (weight != NULL)
 296         denom = weight_sum; /* Divide by the sum of weight */
 297     else
 298         denom = nr;        /* Divide by the number of atoms */
 299
 300     dsvmul(1.0/denom, dcenter, dcenter);
 301
 302     rcenter[XX] = dcenter[XX];
 303     rcenter[YY] = dcenter[YY];
 304     rcenter[ZZ] = dcenter[ZZ];
 305 }
 306
 307
 308 /* Get the center from local positions that already have the correct
 309  * PBC representation */
 310 extern void get_center_comm(
 311         t_commrec *cr,
 312         rvec x_loc[],       /* Local positions */
 313         real weight_loc[],  /* Local masses or other weights */
 314         int nr_loc,         /* Local number of atoms */
 315         int nr_group,       /* Total number of atoms of the group */
 316         rvec center)        /* Weighted center */
 317 {
 318     double weight_sum, denom;
 319     dvec   dsumvec;
 320     double buf[4];
 321
 322
 323     weight_sum = get_sum_of_positions(x_loc, weight_loc, nr_loc, dsumvec);
 324
 325     /* Add the local contributions from all nodes. Put the sum vector and the
 326      * weight in a buffer array so that we get along with a single communication
 327      * call. */
 328     if (PAR(cr))
 329     {
 330         buf[0] = dsumvec[XX];
 331         buf[1] = dsumvec[YY];
 332         buf[2] = dsumvec[ZZ];
 333         buf[3] = weight_sum;
 334
 335         /* Communicate buffer */
 336         gmx_sumd(4, buf, cr);
 337
 338         dsumvec[XX] = buf[0];
 339         dsumvec[YY] = buf[1];
 340         dsumvec[ZZ] = buf[2];
 341         weight_sum  = buf[3];
 342     }
 343
 344     if (weight_loc != NULL)
 345         denom = 1.0/weight_sum; /* Divide by the sum of weight to get center of mass e.g. */
 346     else
 347         denom = 1.0/nr_group;   /* Divide by the number of atoms to get the geometrical center */
 348
 349     center[XX] = dsumvec[XX]*denom;
 350     center[YY] = dsumvec[YY]*denom;
 351     center[ZZ] = dsumvec[ZZ]*denom;
 352 }
 353
 354
 355 /* Translate x with transvec */
 356 extern void translate_x(rvec x[], const int nr, const rvec transvec)
 357 {
 358     int i;
 359
 360
 361     for (i=0; i<nr; i++)
 362         rvec_inc(x[i], transvec);
 363 }
 364
 365
 366 extern void rotate_x(rvec x[], const int nr, matrix rmat)
 367 {
 368     int i,j,k;
 369     rvec x_old;
 370
 371
 372     /* Apply the rotation matrix */
 373     for (i=0; i<nr; i++)
 374     {
 375         for (j=0; j<3; j++)
 376             x_old[j] = x[i][j];
 377         for (j=0; j<3; j++)
 378         {
 379             x[i][j] = 0;
 380             for (k=0; k<3; k++)
 381                 x[i][j] += rmat[k][j]*x_old[k];
 382         }
 383     }
 384 }
 385