src/gromacs/mdlib/mdatoms.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) 2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include "mdatoms.h"
  40
  41 #include <cmath>
  42
  43 #include <memory>
  44
  45 #include "gromacs/compat/make_unique.h"
  46 #include "gromacs/ewald/pme.h"
  47 #include "gromacs/gpu_utils/hostallocator.h"
  48 #include "gromacs/math/functions.h"
  49 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
  50 #include "gromacs/mdlib/qmmm.h"
  51 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  52 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  53 #include "gromacs/topology/mtop_lookup.h"
  54 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  55 #include "gromacs/topology/topology.h"
  56 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  57 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  58
  59 #define ALMOST_ZERO 1e-30
  60
  61 namespace gmx
  62 {
  63
  64 MDAtoms::MDAtoms()
  65     : mdatoms_(nullptr)
  66 {
  67 }
  68
  69 MDAtoms::~MDAtoms()
  70 {
  71     if (mdatoms_ == nullptr)
  72     {
  73         return;
  74     }
  75     sfree(mdatoms_->massA);
  76     sfree(mdatoms_->massB);
  77     sfree(mdatoms_->massT);
  78     gmx::AlignedAllocationPolicy::free(mdatoms_->invmass);
  79     sfree(mdatoms_->invMassPerDim);
  80     sfree(mdatoms_->typeA);
  81     sfree(mdatoms_->chargeB);
  82     sfree(mdatoms_->typeB);
  83     sfree(mdatoms_->sqrt_c6A);
  84     sfree(mdatoms_->sigmaA);
  85     sfree(mdatoms_->sigma3A);
  86     sfree(mdatoms_->sqrt_c6B);
  87     sfree(mdatoms_->sigmaB);
  88     sfree(mdatoms_->sigma3B);
  89     sfree(mdatoms_->ptype);
  90     sfree(mdatoms_->cTC);
  91     sfree(mdatoms_->cENER);
  92     sfree(mdatoms_->cACC);
  93     sfree(mdatoms_->cFREEZE);
  94     sfree(mdatoms_->cVCM);
  95     sfree(mdatoms_->cORF);
  96     sfree(mdatoms_->bPerturbed);
  97     sfree(mdatoms_->cU1);
  98     sfree(mdatoms_->cU2);
  99     sfree(mdatoms_->bQM);
 100 }
 101
 102 void MDAtoms::resize(int newSize)
 103 {
 104     chargeA_.resizeWithPadding(newSize);
 105     mdatoms_->chargeA = chargeA_.data();
 106 }
 107
 108 void MDAtoms::reserve(int newCapacity)
 109 {
 110     chargeA_.reserveWithPadding(newCapacity);
 111     mdatoms_->chargeA = chargeA_.data();
 112 }
 113
 114 std::unique_ptr<MDAtoms>
 115 makeMDAtoms(FILE *fp, const gmx_mtop_t &mtop, const t_inputrec &ir,
 116             const bool rankHasPmeGpuTask)
 117 {
 118     auto       mdAtoms = compat::make_unique<MDAtoms>();
 119     // GPU transfers may want to use a suitable pinning mode.
 120     if (rankHasPmeGpuTask)
 121     {
 122         changePinningPolicy(&mdAtoms->chargeA_, pme_get_pinning_policy());
 123     }
 124     t_mdatoms *md;
 125     snew(md, 1);
 126     mdAtoms->mdatoms_.reset(md);
 127
 128     md->nenergrp = mtop.groups.grps[egcENER].nr;
 129     md->bVCMgrps = FALSE;
 130     for (int i = 0; i < mtop.natoms; i++)
 131     {
 132         if (getGroupType(mtop.groups, egcVCM, i) > 0)
 133         {
 134             md->bVCMgrps = TRUE;
 135         }
 136     }
 137
 138     /* Determine the total system mass and perturbed atom counts */
 139     double                     totalMassA = 0.0;
 140     double                     totalMassB = 0.0;
 141
 142     md->haveVsites = FALSE;
 143     gmx_mtop_atomloop_block_t  aloop = gmx_mtop_atomloop_block_init(&mtop);
 144     const t_atom              *atom;
 145     int                        nmol;
 146     while (gmx_mtop_atomloop_block_next(aloop, &atom, &nmol))
 147     {
 148         totalMassA += nmol*atom->m;
 149         totalMassB += nmol*atom->mB;
 150
 151         if (atom->ptype == eptVSite)
 152         {
 153             md->haveVsites = TRUE;
 154         }
 155
 156         if (ir.efep != efepNO && PERTURBED(*atom))
 157         {
 158             md->nPerturbed++;
 159             if (atom->mB != atom->m)
 160             {
 161                 md->nMassPerturbed += nmol;
 162             }
 163             if (atom->qB != atom->q)
 164             {
 165                 md->nChargePerturbed += nmol;
 166             }
 167             if (atom->typeB != atom->type)
 168             {
 169                 md->nTypePerturbed += nmol;
 170             }
 171         }
 172     }
 173
 174     md->tmassA = totalMassA;
 175     md->tmassB = totalMassB;
 176
 177     if (ir.efep != efepNO && fp)
 178     {
 179         fprintf(fp,
 180                 "There are %d atoms and %d charges for free energy perturbation\n",
 181                 md->nPerturbed, md->nChargePerturbed);
 182     }
 183
 184     md->havePartiallyFrozenAtoms = FALSE;
 185     for (int g = 0; g < ir.opts.ngfrz; g++)
 186     {
 187         for (int d = YY; d < DIM; d++)
 188         {
 189             if (ir.opts.nFreeze[g][d] != ir.opts.nFreeze[g][XX])
 190             {
 191                 md->havePartiallyFrozenAtoms = TRUE;
 192             }
 193         }
 194     }
 195
 196     md->bOrires = (gmx_mtop_ftype_count(&mtop, F_ORIRES) != 0);
 197
 198     return mdAtoms;
 199 }
 200
 201 }  // namespace gmx
 202
 203 void atoms2md(const gmx_mtop_t *mtop, const t_inputrec *ir,
 204               int nindex, const int *index,
 205               int homenr,
 206               gmx::MDAtoms *mdAtoms)
 207 {
 208     gmx_bool              bLJPME;
 209     const t_grpopts      *opts;
 210     int                   nthreads gmx_unused;
 211
 212     bLJPME = EVDW_PME(ir->vdwtype);
 213
 214     opts = &ir->opts;
 215
 216     const gmx_groups_t &groups = mtop->groups;
 217
 218     auto                md = mdAtoms->mdatoms();
 219     /* nindex>=0 indicates DD where we use an index */
 220     if (nindex >= 0)
 221     {
 222         md->nr = nindex;
 223     }
 224     else
 225     {
 226         md->nr = mtop->natoms;
 227     }
 228
 229     if (md->nr > md->nalloc)
 230     {
 231         md->nalloc = over_alloc_dd(md->nr);
 232
 233         if (md->nMassPerturbed)
 234         {
 235             srenew(md->massA, md->nalloc);
 236             srenew(md->massB, md->nalloc);
 237         }
 238         srenew(md->massT, md->nalloc);
 239         /* The SIMD version of the integrator needs this aligned and padded.
 240          * The padding needs to be with zeros, which we set later below.
 241          */
 242         gmx::AlignedAllocationPolicy::free(md->invmass);
 243         md->invmass = new(gmx::AlignedAllocationPolicy::malloc((md->nalloc + GMX_REAL_MAX_SIMD_WIDTH)*sizeof(*md->invmass)))real;
 244         srenew(md->invMassPerDim, md->nalloc);
 245         // TODO eventually we will have vectors and just resize
 246         // everything, but for now the semantics of md->nalloc being
 247         // the capacity are preserved by keeping vectors within
 248         // mdAtoms having the same properties as the other arrays.
 249         mdAtoms->reserve(md->nalloc);
 250         mdAtoms->resize(md->nr);
 251         srenew(md->typeA, md->nalloc);
 252         if (md->nPerturbed)
 253         {
 254             srenew(md->chargeB, md->nalloc);
 255             srenew(md->typeB, md->nalloc);
 256         }
 257         if (bLJPME)
 258         {
 259             srenew(md->sqrt_c6A, md->nalloc);
 260             srenew(md->sigmaA, md->nalloc);
 261             srenew(md->sigma3A, md->nalloc);
 262             if (md->nPerturbed)
 263             {
 264                 srenew(md->sqrt_c6B, md->nalloc);
 265                 srenew(md->sigmaB, md->nalloc);
 266                 srenew(md->sigma3B, md->nalloc);
 267             }
 268         }
 269         srenew(md->ptype, md->nalloc);
 270         if (opts->ngtc > 1)
 271         {
 272             srenew(md->cTC, md->nalloc);
 273             /* We always copy cTC with domain decomposition */
 274         }
 275         srenew(md->cENER, md->nalloc);
 276         if (opts->ngacc > 1)
 277         {
 278             srenew(md->cACC, md->nalloc);
 279         }
 280         if (opts->nFreeze &&
 281             (opts->ngfrz > 1 ||
 282              opts->nFreeze[0][XX] || opts->nFreeze[0][YY] || opts->nFreeze[0][ZZ]))
 283         {
 284             srenew(md->cFREEZE, md->nalloc);
 285         }
 286         if (md->bVCMgrps)
 287         {
 288             srenew(md->cVCM, md->nalloc);
 289         }
 290         if (md->bOrires)
 291         {
 292             srenew(md->cORF, md->nalloc);
 293         }
 294         if (md->nPerturbed)
 295         {
 296             srenew(md->bPerturbed, md->nalloc);
 297         }
 298
 299         /* Note that these user t_mdatoms array pointers are NULL
 300          * when there is only one group present.
 301          * Therefore, when adding code, the user should use something like:
 302          * gprnrU1 = (md->cU1==NULL ? 0 : md->cU1[localatindex])
 303          */
 304         if (mtop->groups.grpnr[egcUser1] != nullptr)
 305         {
 306             srenew(md->cU1, md->nalloc);
 307         }
 308         if (mtop->groups.grpnr[egcUser2] != nullptr)
 309         {
 310             srenew(md->cU2, md->nalloc);
 311         }
 312
 313         if (ir->bQMMM)
 314         {
 315             srenew(md->bQM, md->nalloc);
 316         }
 317     }
 318
 319     int molb = 0;
 320
 321     nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntDefault);
 322 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static) firstprivate(molb)
 323     for (int i = 0; i < md->nr; i++)
 324     {
 325         try
 326         {
 327             int      g, ag;
 328             real     mA, mB, fac;
 329             real     c6, c12;
 330
 331             if (index == nullptr)
 332             {
 333                 ag = i;
 334             }
 335             else
 336             {
 337                 ag = index[i];
 338             }
 339             const t_atom &atom = mtopGetAtomParameters(mtop, ag, &molb);
 340
 341             if (md->cFREEZE)
 342             {
 343                 md->cFREEZE[i] = getGroupType(groups, egcFREEZE, ag);
 344             }
 345             if (EI_ENERGY_MINIMIZATION(ir->eI))
 346             {
 347                 /* Displacement is proportional to F, masses used for constraints */
 348                 mA = 1.0;
 349                 mB = 1.0;
 350             }
 351             else if (ir->eI == eiBD)
 352             {
 353                 /* With BD the physical masses are irrelevant.
 354                  * To keep the code simple we use most of the normal MD code path
 355                  * for BD. Thus for constraining the masses should be proportional
 356                  * to the friction coefficient. We set the absolute value such that
 357                  * m/2<(dx/dt)^2> = m/2*2kT/fric*dt = kT/2 => m=fric*dt/2
 358                  * Then if we set the (meaningless) velocity to v=dx/dt, we get the
 359                  * correct kinetic energy and temperature using the usual code path.
 360                  * Thus with BD v*dt will give the displacement and the reported
 361                  * temperature can signal bad integration (too large time step).
 362                  */
 363                 if (ir->bd_fric > 0)
 364                 {
 365                     mA = 0.5*ir->bd_fric*ir->delta_t;
 366                     mB = 0.5*ir->bd_fric*ir->delta_t;
 367                 }
 368                 else
 369                 {
 370                     /* The friction coefficient is mass/tau_t */
 371                     fac = ir->delta_t/opts->tau_t[md->cTC ? groups.grpnr[egcTC][ag] : 0];
 372                     mA  = 0.5*atom.m*fac;
 373                     mB  = 0.5*atom.mB*fac;
 374                 }
 375             }
 376             else
 377             {
 378                 mA = atom.m;
 379                 mB = atom.mB;
 380             }
 381             if (md->nMassPerturbed)
 382             {
 383                 md->massA[i]  = mA;
 384                 md->massB[i]  = mB;
 385             }
 386             md->massT[i]    = mA;
 387
 388             if (mA == 0.0)
 389             {
 390                 md->invmass[i]           = 0;
 391                 md->invMassPerDim[i][XX] = 0;
 392                 md->invMassPerDim[i][YY] = 0;
 393                 md->invMassPerDim[i][ZZ] = 0;
 394             }
 395             else if (md->cFREEZE)
 396             {
 397                 g = md->cFREEZE[i];
 398                 if (opts->nFreeze[g][XX] && opts->nFreeze[g][YY] && opts->nFreeze[g][ZZ])
 399                 {
 400                     /* Set the mass of completely frozen particles to ALMOST_ZERO
 401                      * iso 0 to avoid div by zero in lincs or shake.
 402                      */
 403                     md->invmass[i]  = ALMOST_ZERO;
 404                 }
 405                 else
 406                 {
 407                     /* Note: Partially frozen particles use the normal invmass.
 408                      * If such particles are constrained, the frozen dimensions
 409                      * should not be updated with the constrained coordinates.
 410                      */
 411                     md->invmass[i]  = 1.0/mA;
 412                 }
 413                 for (int d = 0; d < DIM; d++)
 414                 {
 415                     md->invMassPerDim[i][d] = (opts->nFreeze[g][d] ? 0 : 1.0/mA);
 416                 }
 417             }
 418             else
 419             {
 420                 md->invmass[i]  = 1.0/mA;
 421                 for (int d = 0; d < DIM; d++)
 422                 {
 423                     md->invMassPerDim[i][d] = 1.0/mA;
 424                 }
 425             }
 426
 427             md->chargeA[i]      = atom.q;
 428             md->typeA[i]        = atom.type;
 429             if (bLJPME)
 430             {
 431                 c6                = mtop->ffparams.iparams[atom.type*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 432                 c12               = mtop->ffparams.iparams[atom.type*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c12;
 433                 md->sqrt_c6A[i]   = sqrt(c6);
 434                 if (c6 == 0.0 || c12 == 0)
 435                 {
 436                     md->sigmaA[i] = 1.0;
 437                 }
 438                 else
 439                 {
 440                     md->sigmaA[i] = gmx::sixthroot(c12/c6);
 441                 }
 442                 md->sigma3A[i]    = 1/(md->sigmaA[i]*md->sigmaA[i]*md->sigmaA[i]);
 443             }
 444             if (md->nPerturbed)
 445             {
 446                 md->bPerturbed[i] = PERTURBED(atom);
 447                 md->chargeB[i]    = atom.qB;
 448                 md->typeB[i]      = atom.typeB;
 449                 if (bLJPME)
 450                 {
 451                     c6                = mtop->ffparams.iparams[atom.typeB*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 452                     c12               = mtop->ffparams.iparams[atom.typeB*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c12;
 453                     md->sqrt_c6B[i]   = sqrt(c6);
 454                     if (c6 == 0.0 || c12 == 0)
 455                     {
 456                         md->sigmaB[i] = 1.0;
 457                     }
 458                     else
 459                     {
 460                         md->sigmaB[i] = gmx::sixthroot(c12/c6);
 461                     }
 462                     md->sigma3B[i]    = 1/(md->sigmaB[i]*md->sigmaB[i]*md->sigmaB[i]);
 463                 }
 464             }
 465             md->ptype[i]    = atom.ptype;
 466             if (md->cTC)
 467             {
 468                 md->cTC[i]    = groups.grpnr[egcTC][ag];
 469             }
 470             md->cENER[i]    = getGroupType(groups, egcENER, ag);
 471             if (md->cACC)
 472             {
 473                 md->cACC[i]   = groups.grpnr[egcACC][ag];
 474             }
 475             if (md->cVCM)
 476             {
 477                 md->cVCM[i]       = groups.grpnr[egcVCM][ag];
 478             }
 479             if (md->cORF)
 480             {
 481                 md->cORF[i]       = getGroupType(groups, egcORFIT, ag);
 482             }
 483
 484             if (md->cU1)
 485             {
 486                 md->cU1[i]        = groups.grpnr[egcUser1][ag];
 487             }
 488             if (md->cU2)
 489             {
 490                 md->cU2[i]        = groups.grpnr[egcUser2][ag];
 491             }
 492
 493             if (ir->bQMMM)
 494             {
 495                 if (groups.grpnr[egcQMMM] == nullptr ||
 496                     groups.grpnr[egcQMMM][ag] < groups.grps[egcQMMM].nr-1)
 497                 {
 498                     md->bQM[i]      = TRUE;
 499                 }
 500                 else
 501                 {
 502                     md->bQM[i]      = FALSE;
 503                 }
 504             }
 505         }
 506         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
 507     }
 508
 509     if (md->nr > 0)
 510     {
 511         /* Pad invmass with 0 so a SIMD MD update does not change v and x */
 512         for (int i = md->nr; i < md->nr + GMX_REAL_MAX_SIMD_WIDTH; i++)
 513         {
 514             md->invmass[i] = 0;
 515         }
 516     }
 517
 518     md->homenr = homenr;
 519     /* We set mass, invmass, invMassPerDim and tmass for lambda=0.
 520      * For free-energy runs, these should be updated using update_mdatoms().
 521      */
 522     md->tmass  = md->tmassA;
 523     md->lambda = 0;
 524 }
 525
 526 void update_mdatoms(t_mdatoms *md, real lambda)
 527 {
 528     if (md->nMassPerturbed && lambda != md->lambda)
 529     {
 530         real L1 = 1 - lambda;
 531
 532         /* Update masses of perturbed atoms for the change in lambda */
 533         int gmx_unused nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntDefault);
 534 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
 535         for (int i = 0; i < md->nr; i++)
 536         {
 537             if (md->bPerturbed[i])
 538             {
 539                 md->massT[i] = L1*md->massA[i] + lambda*md->massB[i];
 540                 /* Atoms with invmass 0 or ALMOST_ZERO are massless or frozen
 541                  * and their invmass does not depend on lambda.
 542                  */
 543                 if (md->invmass[i] > 1.1*ALMOST_ZERO)
 544                 {
 545                     md->invmass[i] = 1.0/md->massT[i];
 546                     for (int d = 0; d < DIM; d++)
 547                     {
 548                         if (md->invMassPerDim[i][d] > 1.1*ALMOST_ZERO)
 549                         {
 550                             md->invMassPerDim[i][d] = md->invmass[i];
 551                         }
 552                     }
 553                 }
 554             }
 555         }
 556
 557         /* Update the system mass for the change in lambda */
 558         md->tmass  = L1*md->tmassA + lambda*md->tmassB;
 559     }
 560
 561     md->lambda = lambda;
 562 }