src/gromacs/mdlib/minimize.c

   1 /* -*- mode: c; tab-width: 4; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 4; c-file-style: "stroustrup"; -*-
   2  *
   3  *
   4  *                This source code is part of
   5  *
   6  *                 G   R   O   M   A   C   S
   7  *
   8  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   9  *
  10  *                        VERSION 3.2.0
  11  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  12  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  13  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team,
  14  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  15
  16  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  17  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  18  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  19  * of the License, or (at your option) any later version.
  20  *
  21  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  22  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  23  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  24  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  25  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  26  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  27  *
  28  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  29  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  30  *
  31  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  32  *
  33  * And Hey:
  34  * GROwing Monsters And Cloning Shrimps
  35  */
  36 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  37 #include <config.h>
  38 #endif
  39
  40 #include <string.h>
  41 #include <time.h>
  42 #include <math.h>
  43 #include "sysstuff.h"
  44 #include "string2.h"
  45 #include "network.h"
  46 #include "confio.h"
  47 #include "smalloc.h"
  48 #include "nrnb.h"
  49 #include "main.h"
  50 #include "force.h"
  51 #include "macros.h"
  52 #include "random.h"
  53 #include "names.h"
  54 #include "gmx_fatal.h"
  55 #include "txtdump.h"
  56 #include "typedefs.h"
  57 #include "update.h"
  58 #include "constr.h"
  59 #include "vec.h"
  60 #include "statutil.h"
  61 #include "tgroup.h"
  62 #include "mdebin.h"
  63 #include "vsite.h"
  64 #include "force.h"
  65 #include "mdrun.h"
  66 #include "md_support.h"
  67 #include "domdec.h"
  68 #include "partdec.h"
  69 #include "trnio.h"
  70 #include "mdatoms.h"
  71 #include "ns.h"
  72 #include "gmx_wallcycle.h"
  73 #include "mtop_util.h"
  74 #include "gmxfio.h"
  75 #include "pme.h"
  76 #include "bondf.h"
  77 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  78 #include "md_logging.h"
  79
  80
  81 #include "gromacs/linearalgebra/mtxio.h"
  82 #include "gromacs/linearalgebra/sparsematrix.h"
  83
  84 typedef struct {
  85     t_state  s;
  86     rvec    *f;
  87     real     epot;
  88     real     fnorm;
  89     real     fmax;
  90     int      a_fmax;
  91 } em_state_t;
  92
  93 static em_state_t *init_em_state()
  94 {
  95     em_state_t *ems;
  96
  97     snew(ems, 1);
  98
  99     /* does this need to be here?  Should the array be declared differently (staticaly)in the state definition? */
 100     snew(ems->s.lambda, efptNR);
 101
 102     return ems;
 103 }
 104
 105 static void print_em_start(FILE *fplog, t_commrec *cr, gmx_runtime_t *runtime,
 106                            gmx_wallcycle_t wcycle,
 107                            const char *name)
 108 {
 109     char buf[STRLEN];
 110
 111     runtime_start(runtime);
 112
 113     sprintf(buf, "Started %s", name);
 114     print_date_and_time(fplog, cr->nodeid, buf, NULL);
 115
 116     wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
 117 }
 118 static void em_time_end(gmx_runtime_t  *runtime,
 119                         gmx_wallcycle_t wcycle)
 120 {
 121     wallcycle_stop(wcycle, ewcRUN);
 122
 123     runtime_end(runtime);
 124 }
 125
 126 static void sp_header(FILE *out, const char *minimizer, real ftol, int nsteps)
 127 {
 128     fprintf(out, "\n");
 129     fprintf(out, "%s:\n", minimizer);
 130     fprintf(out, "   Tolerance (Fmax)   = %12.5e\n", ftol);
 131     fprintf(out, "   Number of steps    = %12d\n", nsteps);
 132 }
 133
 134 static void warn_step(FILE *fp, real ftol, gmx_bool bLastStep, gmx_bool bConstrain)
 135 {
 136     char buffer[2048];
 137     if (bLastStep)
 138     {
 139         sprintf(buffer,
 140                 "\nEnergy minimization reached the maximum number "
 141                 "of steps before the forces reached the requested "
 142                 "precision Fmax < %g.\n", ftol);
 143     }
 144     else
 145     {
 146         sprintf(buffer,
 147                 "\nEnergy minimization has stopped, but the forces have "
 148                 "not converged to the requested precision Fmax < %g (which "
 149                 "may not be possible for your system). It stopped "
 150                 "because the algorithm tried to make a new step whose size "
 151                 "was too small, or there was no change in the energy since "
 152                 "last step. Either way, we regard the minimization as "
 153                 "converged to within the available machine precision, "
 154                 "given your starting configuration and EM parameters.\n%s%s",
 155                 ftol,
 156                 sizeof(real) < sizeof(double) ?
 157                 "\nDouble precision normally gives you higher accuracy, but "
 158                 "this is often not needed for preparing to run molecular "
 159                 "dynamics.\n" :
 160                 "",
 161                 bConstrain ?
 162                 "You might need to increase your constraint accuracy, or turn\n"
 163                 "off constraints altogether (set constraints = none in mdp file)\n" :
 164                 "");
 165     }
 166     fputs(wrap_lines(buffer, 78, 0, FALSE), fp);
 167 }
 168
 169
 170
 171 static void print_converged(FILE *fp, const char *alg, real ftol,
 172                             gmx_large_int_t count, gmx_bool bDone, gmx_large_int_t nsteps,
 173                             real epot, real fmax, int nfmax, real fnorm)
 174 {
 175     char buf[STEPSTRSIZE];
 176
 177     if (bDone)
 178     {
 179         fprintf(fp, "\n%s converged to Fmax < %g in %s steps\n",
 180                 alg, ftol, gmx_step_str(count, buf));
 181     }
 182     else if (count < nsteps)
 183     {
 184         fprintf(fp, "\n%s converged to machine precision in %s steps,\n"
 185                 "but did not reach the requested Fmax < %g.\n",
 186                 alg, gmx_step_str(count, buf), ftol);
 187     }
 188     else
 189     {
 190         fprintf(fp, "\n%s did not converge to Fmax < %g in %s steps.\n",
 191                 alg, ftol, gmx_step_str(count, buf));
 192     }
 193
 194 #ifdef GMX_DOUBLE
 195     fprintf(fp, "Potential Energy  = %21.14e\n", epot);
 196     fprintf(fp, "Maximum force     = %21.14e on atom %d\n", fmax, nfmax+1);
 197     fprintf(fp, "Norm of force     = %21.14e\n", fnorm);
 198 #else
 199     fprintf(fp, "Potential Energy  = %14.7e\n", epot);
 200     fprintf(fp, "Maximum force     = %14.7e on atom %d\n", fmax, nfmax+1);
 201     fprintf(fp, "Norm of force     = %14.7e\n", fnorm);
 202 #endif
 203 }
 204
 205 static void get_f_norm_max(t_commrec *cr,
 206                            t_grpopts *opts, t_mdatoms *mdatoms, rvec *f,
 207                            real *fnorm, real *fmax, int *a_fmax)
 208 {
 209     double fnorm2, *sum;
 210     real   fmax2, fmax2_0, fam;
 211     int    la_max, a_max, start, end, i, m, gf;
 212
 213     /* This routine finds the largest force and returns it.
 214      * On parallel machines the global max is taken.
 215      */
 216     fnorm2 = 0;
 217     fmax2  = 0;
 218     la_max = -1;
 219     gf     = 0;
 220     start  = mdatoms->start;
 221     end    = mdatoms->homenr + start;
 222     if (mdatoms->cFREEZE)
 223     {
 224         for (i = start; i < end; i++)
 225         {
 226             gf  = mdatoms->cFREEZE[i];
 227             fam = 0;
 228             for (m = 0; m < DIM; m++)
 229             {
 230                 if (!opts->nFreeze[gf][m])
 231                 {
 232                     fam += sqr(f[i][m]);
 233                 }
 234             }
 235             fnorm2 += fam;
 236             if (fam > fmax2)
 237             {
 238                 fmax2  = fam;
 239                 la_max = i;
 240             }
 241         }
 242     }
 243     else
 244     {
 245         for (i = start; i < end; i++)
 246         {
 247             fam     = norm2(f[i]);
 248             fnorm2 += fam;
 249             if (fam > fmax2)
 250             {
 251                 fmax2  = fam;
 252                 la_max = i;
 253             }
 254         }
 255     }
 256
 257     if (la_max >= 0 && DOMAINDECOMP(cr))
 258     {
 259         a_max = cr->dd->gatindex[la_max];
 260     }
 261     else
 262     {
 263         a_max = la_max;
 264     }
 265     if (PAR(cr))
 266     {
 267         snew(sum, 2*cr->nnodes+1);
 268         sum[2*cr->nodeid]   = fmax2;
 269         sum[2*cr->nodeid+1] = a_max;
 270         sum[2*cr->nnodes]   = fnorm2;
 271         gmx_sumd(2*cr->nnodes+1, sum, cr);
 272         fnorm2 = sum[2*cr->nnodes];
 273         /* Determine the global maximum */
 274         for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
 275         {
 276             if (sum[2*i] > fmax2)
 277             {
 278                 fmax2 = sum[2*i];
 279                 a_max = (int)(sum[2*i+1] + 0.5);
 280             }
 281         }
 282         sfree(sum);
 283     }
 284
 285     if (fnorm)
 286     {
 287         *fnorm = sqrt(fnorm2);
 288     }
 289     if (fmax)
 290     {
 291         *fmax  = sqrt(fmax2);
 292     }
 293     if (a_fmax)
 294     {
 295         *a_fmax = a_max;
 296     }
 297 }
 298
 299 static void get_state_f_norm_max(t_commrec *cr,
 300                                  t_grpopts *opts, t_mdatoms *mdatoms,
 301                                  em_state_t *ems)
 302 {
 303     get_f_norm_max(cr, opts, mdatoms, ems->f, &ems->fnorm, &ems->fmax, &ems->a_fmax);
 304 }
 305
 306 void init_em(FILE *fplog, const char *title,
 307              t_commrec *cr, t_inputrec *ir,
 308              t_state *state_global, gmx_mtop_t *top_global,
 309              em_state_t *ems, gmx_localtop_t **top,
 310              rvec **f, rvec **f_global,
 311              t_nrnb *nrnb, rvec mu_tot,
 312              t_forcerec *fr, gmx_enerdata_t **enerd,
 313              t_graph **graph, t_mdatoms *mdatoms, gmx_global_stat_t *gstat,
 314              gmx_vsite_t *vsite, gmx_constr_t constr,
 315              int nfile, const t_filenm fnm[],
 316              gmx_mdoutf_t **outf, t_mdebin **mdebin)
 317 {
 318     int  start, homenr, i;
 319     real dvdl_constr;
 320
 321     if (fplog)
 322     {
 323         fprintf(fplog, "Initiating %s\n", title);
 324     }
 325
 326     state_global->ngtc = 0;
 327
 328     /* Initialize lambda variables */
 329     initialize_lambdas(fplog, ir, &(state_global->fep_state), state_global->lambda, NULL);
 330
 331     init_nrnb(nrnb);
 332
 333     if (DOMAINDECOMP(cr))
 334     {
 335         *top = dd_init_local_top(top_global);
 336
 337         dd_init_local_state(cr->dd, state_global, &ems->s);
 338
 339         *f = NULL;
 340
 341         /* Distribute the charge groups over the nodes from the master node */
 342         dd_partition_system(fplog, ir->init_step, cr, TRUE, 1,
 343                             state_global, top_global, ir,
 344                             &ems->s, &ems->f, mdatoms, *top,
 345                             fr, vsite, NULL, constr,
 346                             nrnb, NULL, FALSE);
 347         dd_store_state(cr->dd, &ems->s);
 348
 349         if (ir->nstfout)
 350         {
 351             snew(*f_global, top_global->natoms);
 352         }
 353         else
 354         {
 355             *f_global = NULL;
 356         }
 357         *graph = NULL;
 358     }
 359     else
 360     {
 361         snew(*f, top_global->natoms);
 362
 363         /* Just copy the state */
 364         ems->s = *state_global;
 365         snew(ems->s.x, ems->s.nalloc);
 366         snew(ems->f, ems->s.nalloc);
 367         for (i = 0; i < state_global->natoms; i++)
 368         {
 369             copy_rvec(state_global->x[i], ems->s.x[i]);
 370         }
 371         copy_mat(state_global->box, ems->s.box);
 372
 373         if (PAR(cr) && ir->eI != eiNM)
 374         {
 375             /* Initialize the particle decomposition and split the topology */
 376             *top = split_system(fplog, top_global, ir, cr);
 377
 378             pd_cg_range(cr, &fr->cg0, &fr->hcg);
 379         }
 380         else
 381         {
 382             *top = gmx_mtop_generate_local_top(top_global, ir);
 383         }
 384         *f_global = *f;
 385
 386         forcerec_set_excl_load(fr, *top, cr);
 387
 388         setup_bonded_threading(fr, &(*top)->idef);
 389
 390         if (ir->ePBC != epbcNONE && !fr->bMolPBC)
 391         {
 392             *graph = mk_graph(fplog, &((*top)->idef), 0, top_global->natoms, FALSE, FALSE);
 393         }
 394         else
 395         {
 396             *graph = NULL;
 397         }
 398
 399         if (PARTDECOMP(cr))
 400         {
 401             pd_at_range(cr, &start, &homenr);
 402             homenr -= start;
 403         }
 404         else
 405         {
 406             start  = 0;
 407             homenr = top_global->natoms;
 408         }
 409         atoms2md(top_global, ir, 0, NULL, start, homenr, mdatoms);
 410         update_mdatoms(mdatoms, state_global->lambda[efptFEP]);
 411
 412         if (vsite)
 413         {
 414             set_vsite_top(vsite, *top, mdatoms, cr);
 415         }
 416     }
 417
 418     if (constr)
 419     {
 420         if (ir->eConstrAlg == econtSHAKE &&
 421             gmx_mtop_ftype_count(top_global, F_CONSTR) > 0)
 422         {
 423             gmx_fatal(FARGS, "Can not do energy minimization with %s, use %s\n",
 424                       econstr_names[econtSHAKE], econstr_names[econtLINCS]);
 425         }
 426
 427         if (!DOMAINDECOMP(cr))
 428         {
 429             set_constraints(constr, *top, ir, mdatoms, cr);
 430         }
 431
 432         if (!ir->bContinuation)
 433         {
 434             /* Constrain the starting coordinates */
 435             dvdl_constr = 0;
 436             constrain(PAR(cr) ? NULL : fplog, TRUE, TRUE, constr, &(*top)->idef,
 437                       ir, NULL, cr, -1, 0, mdatoms,
 438                       ems->s.x, ems->s.x, NULL, fr->bMolPBC, ems->s.box,
 439                       ems->s.lambda[efptFEP], &dvdl_constr,
 440                       NULL, NULL, nrnb, econqCoord, FALSE, 0, 0);
 441         }
 442     }
 443
 444     if (PAR(cr))
 445     {
 446         *gstat = global_stat_init(ir);
 447     }
 448
 449     *outf = init_mdoutf(nfile, fnm, 0, cr, ir, NULL);
 450
 451     snew(*enerd, 1);
 452     init_enerdata(top_global->groups.grps[egcENER].nr, ir->fepvals->n_lambda,
 453                   *enerd);
 454
 455     if (mdebin != NULL)
 456     {
 457         /* Init bin for energy stuff */
 458         *mdebin = init_mdebin((*outf)->fp_ene, top_global, ir, NULL);
 459     }
 460
 461     clear_rvec(mu_tot);
 462     calc_shifts(ems->s.box, fr->shift_vec);
 463 }
 464
 465 static void finish_em(t_commrec *cr, gmx_mdoutf_t *outf,
 466                       gmx_runtime_t *runtime, gmx_wallcycle_t wcycle)
 467 {
 468     if (!(cr->duty & DUTY_PME))
 469     {
 470         /* Tell the PME only node to finish */
 471         gmx_pme_send_finish(cr);
 472     }
 473
 474     done_mdoutf(outf);
 475
 476     em_time_end(runtime, wcycle);
 477 }
 478
 479 static void swap_em_state(em_state_t *ems1, em_state_t *ems2)
 480 {
 481     em_state_t tmp;
 482
 483     tmp   = *ems1;
 484     *ems1 = *ems2;
 485     *ems2 = tmp;
 486 }
 487
 488 static void copy_em_coords(em_state_t *ems, t_state *state)
 489 {
 490     int i;
 491
 492     for (i = 0; (i < state->natoms); i++)
 493     {
 494         copy_rvec(ems->s.x[i], state->x[i]);
 495     }
 496 }
 497
 498 static void write_em_traj(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 499                           gmx_mdoutf_t *outf,
 500                           gmx_bool bX, gmx_bool bF, const char *confout,
 501                           gmx_mtop_t *top_global,
 502                           t_inputrec *ir, gmx_large_int_t step,
 503                           em_state_t *state,
 504                           t_state *state_global, rvec *f_global)
 505 {
 506     int mdof_flags;
 507
 508     if ((bX || bF || confout != NULL) && !DOMAINDECOMP(cr))
 509     {
 510         copy_em_coords(state, state_global);
 511         f_global = state->f;
 512     }
 513
 514     mdof_flags = 0;
 515     if (bX)
 516     {
 517         mdof_flags |= MDOF_X;
 518     }
 519     if (bF)
 520     {
 521         mdof_flags |= MDOF_F;
 522     }
 523     write_traj(fplog, cr, outf, mdof_flags,
 524                top_global, step, (double)step,
 525                &state->s, state_global, state->f, f_global, NULL, NULL);
 526
 527     if (confout != NULL && MASTER(cr))
 528     {
 529         if (ir->ePBC != epbcNONE && !ir->bPeriodicMols && DOMAINDECOMP(cr))
 530         {
 531             /* Make molecules whole only for confout writing */
 532             do_pbc_mtop(fplog, ir->ePBC, state_global->box, top_global,
 533                         state_global->x);
 534         }
 535
 536         write_sto_conf_mtop(confout,
 537                             *top_global->name, top_global,
 538                             state_global->x, NULL, ir->ePBC, state_global->box);
 539     }
 540 }
 541
 542 static void do_em_step(t_commrec *cr, t_inputrec *ir, t_mdatoms *md,
 543                        gmx_bool bMolPBC,
 544                        em_state_t *ems1, real a, rvec *f, em_state_t *ems2,
 545                        gmx_constr_t constr, gmx_localtop_t *top,
 546                        t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 547                        gmx_large_int_t count)
 548
 549 {
 550     t_state *s1, *s2;
 551     int      i;
 552     int      start, end;
 553     rvec    *x1, *x2;
 554     real     dvdl_constr;
 555
 556     s1 = &ems1->s;
 557     s2 = &ems2->s;
 558
 559     if (DOMAINDECOMP(cr) && s1->ddp_count != cr->dd->ddp_count)
 560     {
 561         gmx_incons("state mismatch in do_em_step");
 562     }
 563
 564     s2->flags = s1->flags;
 565
 566     if (s2->nalloc != s1->nalloc)
 567     {
 568         s2->nalloc = s1->nalloc;
 569         srenew(s2->x, s1->nalloc);
 570         srenew(ems2->f,  s1->nalloc);
 571         if (s2->flags & (1<<estCGP))
 572         {
 573             srenew(s2->cg_p,  s1->nalloc);
 574         }
 575     }
 576
 577     s2->natoms = s1->natoms;
 578     copy_mat(s1->box, s2->box);
 579     /* Copy free energy state */
 580     for (i = 0; i < efptNR; i++)
 581     {
 582         s2->lambda[i] = s1->lambda[i];
 583     }
 584     copy_mat(s1->box, s2->box);
 585
 586     start = md->start;
 587     end   = md->start + md->homenr;
 588
 589     x1 = s1->x;
 590     x2 = s2->x;
 591
 592 #pragma omp parallel num_threads(gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate))
 593     {
 594         int gf, i, m;
 595
 596         gf = 0;
 597 #pragma omp for schedule(static) nowait
 598         for (i = start; i < end; i++)
 599         {
 600             if (md->cFREEZE)
 601             {
 602                 gf = md->cFREEZE[i];
 603             }
 604             for (m = 0; m < DIM; m++)
 605             {
 606                 if (ir->opts.nFreeze[gf][m])
 607                 {
 608                     x2[i][m] = x1[i][m];
 609                 }
 610                 else
 611                 {
 612                     x2[i][m] = x1[i][m] + a*f[i][m];
 613                 }
 614             }
 615         }
 616
 617         if (s2->flags & (1<<estCGP))
 618         {
 619             /* Copy the CG p vector */
 620             x1 = s1->cg_p;
 621             x2 = s2->cg_p;
 622 #pragma omp for schedule(static) nowait
 623             for (i = start; i < end; i++)
 624             {
 625                 copy_rvec(x1[i], x2[i]);
 626             }
 627         }
 628
 629         if (DOMAINDECOMP(cr))
 630         {
 631             s2->ddp_count = s1->ddp_count;
 632             if (s2->cg_gl_nalloc < s1->cg_gl_nalloc)
 633             {
 634 #pragma omp barrier
 635                 s2->cg_gl_nalloc = s1->cg_gl_nalloc;
 636                 srenew(s2->cg_gl, s2->cg_gl_nalloc);
 637 #pragma omp barrier
 638             }
 639             s2->ncg_gl = s1->ncg_gl;
 640 #pragma omp for schedule(static) nowait
 641             for (i = 0; i < s2->ncg_gl; i++)
 642             {
 643                 s2->cg_gl[i] = s1->cg_gl[i];
 644             }
 645             s2->ddp_count_cg_gl = s1->ddp_count_cg_gl;
 646         }
 647     }
 648
 649     if (constr)
 650     {
 651         wallcycle_start(wcycle, ewcCONSTR);
 652         dvdl_constr = 0;
 653         constrain(NULL, TRUE, TRUE, constr, &top->idef,
 654                   ir, NULL, cr, count, 0, md,
 655                   s1->x, s2->x, NULL, bMolPBC, s2->box,
 656                   s2->lambda[efptBONDED], &dvdl_constr,
 657                   NULL, NULL, nrnb, econqCoord, FALSE, 0, 0);
 658         wallcycle_stop(wcycle, ewcCONSTR);
 659     }
 660 }
 661
 662 static void em_dd_partition_system(FILE *fplog, int step, t_commrec *cr,
 663                                    gmx_mtop_t *top_global, t_inputrec *ir,
 664                                    em_state_t *ems, gmx_localtop_t *top,
 665                                    t_mdatoms *mdatoms, t_forcerec *fr,
 666                                    gmx_vsite_t *vsite, gmx_constr_t constr,
 667                                    t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle)
 668 {
 669     /* Repartition the domain decomposition */
 670     wallcycle_start(wcycle, ewcDOMDEC);
 671     dd_partition_system(fplog, step, cr, FALSE, 1,
 672                         NULL, top_global, ir,
 673                         &ems->s, &ems->f,
 674                         mdatoms, top, fr, vsite, NULL, constr,
 675                         nrnb, wcycle, FALSE);
 676     dd_store_state(cr->dd, &ems->s);
 677     wallcycle_stop(wcycle, ewcDOMDEC);
 678 }
 679
 680 static void evaluate_energy(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 681                             gmx_mtop_t *top_global,
 682                             em_state_t *ems, gmx_localtop_t *top,
 683                             t_inputrec *inputrec,
 684                             t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 685                             gmx_global_stat_t gstat,
 686                             gmx_vsite_t *vsite, gmx_constr_t constr,
 687                             t_fcdata *fcd,
 688                             t_graph *graph, t_mdatoms *mdatoms,
 689                             t_forcerec *fr, rvec mu_tot,
 690                             gmx_enerdata_t *enerd, tensor vir, tensor pres,
 691                             gmx_large_int_t count, gmx_bool bFirst)
 692 {
 693     real     t;
 694     gmx_bool bNS;
 695     int      nabnsb;
 696     tensor   force_vir, shake_vir, ekin;
 697     real     dvdl_constr, prescorr, enercorr, dvdlcorr;
 698     real     terminate = 0;
 699
 700     /* Set the time to the initial time, the time does not change during EM */
 701     t = inputrec->init_t;
 702
 703     if (bFirst ||
 704         (DOMAINDECOMP(cr) && ems->s.ddp_count < cr->dd->ddp_count))
 705     {
 706         /* This the first state or an old state used before the last ns */
 707         bNS = TRUE;
 708     }
 709     else
 710     {
 711         bNS = FALSE;
 712         if (inputrec->nstlist > 0)
 713         {
 714             bNS = TRUE;
 715         }
 716         else if (inputrec->nstlist == -1)
 717         {
 718             nabnsb = natoms_beyond_ns_buffer(inputrec, fr, &top->cgs, NULL, ems->s.x);
 719             if (PAR(cr))
 720             {
 721                 gmx_sumi(1, &nabnsb, cr);
 722             }
 723             bNS = (nabnsb > 0);
 724         }
 725     }
 726
 727     if (vsite)
 728     {
 729         construct_vsites(vsite, ems->s.x, 1, NULL,
 730                          top->idef.iparams, top->idef.il,
 731                          fr->ePBC, fr->bMolPBC, graph, cr, ems->s.box);
 732     }
 733
 734     if (DOMAINDECOMP(cr))
 735     {
 736         if (bNS)
 737         {
 738             /* Repartition the domain decomposition */
 739             em_dd_partition_system(fplog, count, cr, top_global, inputrec,
 740                                    ems, top, mdatoms, fr, vsite, constr,
 741                                    nrnb, wcycle);
 742         }
 743     }
 744
 745     /* Calc force & energy on new trial position  */
 746     /* do_force always puts the charge groups in the box and shifts again
 747      * We do not unshift, so molecules are always whole in congrad.c
 748      */
 749     do_force(fplog, cr, inputrec,
 750              count, nrnb, wcycle, top, &top_global->groups,
 751              ems->s.box, ems->s.x, &ems->s.hist,
 752              ems->f, force_vir, mdatoms, enerd, fcd,
 753              ems->s.lambda, graph, fr, vsite, mu_tot, t, NULL, NULL, TRUE,
 754              GMX_FORCE_STATECHANGED | GMX_FORCE_ALLFORCES |
 755              GMX_FORCE_VIRIAL | GMX_FORCE_ENERGY |
 756              (bNS ? GMX_FORCE_NS | GMX_FORCE_DO_LR : 0));
 757
 758     /* Clear the unused shake virial and pressure */
 759     clear_mat(shake_vir);
 760     clear_mat(pres);
 761
 762     /* Communicate stuff when parallel */
 763     if (PAR(cr) && inputrec->eI != eiNM)
 764     {
 765         wallcycle_start(wcycle, ewcMoveE);
 766
 767         global_stat(fplog, gstat, cr, enerd, force_vir, shake_vir, mu_tot,
 768                     inputrec, NULL, NULL, NULL, 1, &terminate,
 769                     top_global, &ems->s, FALSE,
 770                     CGLO_ENERGY |
 771                     CGLO_PRESSURE |
 772                     CGLO_CONSTRAINT |
 773                     CGLO_FIRSTITERATE);
 774
 775         wallcycle_stop(wcycle, ewcMoveE);
 776     }
 777
 778     /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
 779     calc_dispcorr(fplog, inputrec, fr, count, top_global->natoms, ems->s.box, ems->s.lambda[efptVDW],
 780                   pres, force_vir, &prescorr, &enercorr, &dvdlcorr);
 781     enerd->term[F_DISPCORR] = enercorr;
 782     enerd->term[F_EPOT]    += enercorr;
 783     enerd->term[F_PRES]    += prescorr;
 784     enerd->term[F_DVDL]    += dvdlcorr;
 785
 786     ems->epot = enerd->term[F_EPOT];
 787
 788     if (constr)
 789     {
 790         /* Project out the constraint components of the force */
 791         wallcycle_start(wcycle, ewcCONSTR);
 792         dvdl_constr = 0;
 793         constrain(NULL, FALSE, FALSE, constr, &top->idef,
 794                   inputrec, NULL, cr, count, 0, mdatoms,
 795                   ems->s.x, ems->f, ems->f, fr->bMolPBC, ems->s.box,
 796                   ems->s.lambda[efptBONDED], &dvdl_constr,
 797                   NULL, &shake_vir, nrnb, econqForceDispl, FALSE, 0, 0);
 798         if (fr->bSepDVDL && fplog)
 799         {
 800             gmx_print_sepdvdl(fplog, "Constraints", t, dvdl_constr);
 801         }
 802         enerd->term[F_DVDL_CONSTR] += dvdl_constr;
 803         m_add(force_vir, shake_vir, vir);
 804         wallcycle_stop(wcycle, ewcCONSTR);
 805     }
 806     else
 807     {
 808         copy_mat(force_vir, vir);
 809     }
 810
 811     clear_mat(ekin);
 812     enerd->term[F_PRES] =
 813         calc_pres(fr->ePBC, inputrec->nwall, ems->s.box, ekin, vir, pres);
 814
 815     sum_dhdl(enerd, ems->s.lambda, inputrec->fepvals);
 816
 817     if (EI_ENERGY_MINIMIZATION(inputrec->eI))
 818     {
 819         get_state_f_norm_max(cr, &(inputrec->opts), mdatoms, ems);
 820     }
 821 }
 822
 823 static double reorder_partsum(t_commrec *cr, t_grpopts *opts, t_mdatoms *mdatoms,
 824                               gmx_mtop_t *mtop,
 825                               em_state_t *s_min, em_state_t *s_b)
 826 {
 827     rvec          *fm, *fb, *fmg;
 828     t_block       *cgs_gl;
 829     int            ncg, *cg_gl, *index, c, cg, i, a0, a1, a, gf, m;
 830     double         partsum;
 831     unsigned char *grpnrFREEZE;
 832
 833     if (debug)
 834     {
 835         fprintf(debug, "Doing reorder_partsum\n");
 836     }
 837
 838     fm = s_min->f;
 839     fb = s_b->f;
 840
 841     cgs_gl = dd_charge_groups_global(cr->dd);
 842     index  = cgs_gl->index;
 843
 844     /* Collect fm in a global vector fmg.
 845      * This conflicts with the spirit of domain decomposition,
 846      * but to fully optimize this a much more complicated algorithm is required.
 847      */
 848     snew(fmg, mtop->natoms);
 849
 850     ncg   = s_min->s.ncg_gl;
 851     cg_gl = s_min->s.cg_gl;
 852     i     = 0;
 853     for (c = 0; c < ncg; c++)
 854     {
 855         cg = cg_gl[c];
 856         a0 = index[cg];
 857         a1 = index[cg+1];
 858         for (a = a0; a < a1; a++)
 859         {
 860             copy_rvec(fm[i], fmg[a]);
 861             i++;
 862         }
 863     }
 864     gmx_sum(mtop->natoms*3, fmg[0], cr);
 865
 866     /* Now we will determine the part of the sum for the cgs in state s_b */
 867     ncg         = s_b->s.ncg_gl;
 868     cg_gl       = s_b->s.cg_gl;
 869     partsum     = 0;
 870     i           = 0;
 871     gf          = 0;
 872     grpnrFREEZE = mtop->groups.grpnr[egcFREEZE];
 873     for (c = 0; c < ncg; c++)
 874     {
 875         cg = cg_gl[c];
 876         a0 = index[cg];
 877         a1 = index[cg+1];
 878         for (a = a0; a < a1; a++)
 879         {
 880             if (mdatoms->cFREEZE && grpnrFREEZE)
 881             {
 882                 gf = grpnrFREEZE[i];
 883             }
 884             for (m = 0; m < DIM; m++)
 885             {
 886                 if (!opts->nFreeze[gf][m])
 887                 {
 888                     partsum += (fb[i][m] - fmg[a][m])*fb[i][m];
 889                 }
 890             }
 891             i++;
 892         }
 893     }
 894
 895     sfree(fmg);
 896
 897     return partsum;
 898 }
 899
 900 static real pr_beta(t_commrec *cr, t_grpopts *opts, t_mdatoms *mdatoms,
 901                     gmx_mtop_t *mtop,
 902                     em_state_t *s_min, em_state_t *s_b)
 903 {
 904     rvec  *fm, *fb;
 905     double sum;
 906     int    gf, i, m;
 907
 908     /* This is just the classical Polak-Ribiere calculation of beta;
 909      * it looks a bit complicated since we take freeze groups into account,
 910      * and might have to sum it in parallel runs.
 911      */
 912
 913     if (!DOMAINDECOMP(cr) ||
 914         (s_min->s.ddp_count == cr->dd->ddp_count &&
 915          s_b->s.ddp_count   == cr->dd->ddp_count))
 916     {
 917         fm  = s_min->f;
 918         fb  = s_b->f;
 919         sum = 0;
 920         gf  = 0;
 921         /* This part of code can be incorrect with DD,
 922          * since the atom ordering in s_b and s_min might differ.
 923          */
 924         for (i = mdatoms->start; i < mdatoms->start+mdatoms->homenr; i++)
 925         {
 926             if (mdatoms->cFREEZE)
 927             {
 928                 gf = mdatoms->cFREEZE[i];
 929             }
 930             for (m = 0; m < DIM; m++)
 931             {
 932                 if (!opts->nFreeze[gf][m])
 933                 {
 934                     sum += (fb[i][m] - fm[i][m])*fb[i][m];
 935                 }
 936             }
 937         }
 938     }
 939     else
 940     {
 941         /* We need to reorder cgs while summing */
 942         sum = reorder_partsum(cr, opts, mdatoms, mtop, s_min, s_b);
 943     }
 944     if (PAR(cr))
 945     {
 946         gmx_sumd(1, &sum, cr);
 947     }
 948
 949     return sum/sqr(s_min->fnorm);
 950 }
 951
 952 double do_cg(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 953              int nfile, const t_filenm fnm[],
 954              const output_env_t gmx_unused oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
 955              int gmx_unused nstglobalcomm,
 956              gmx_vsite_t *vsite, gmx_constr_t constr,
 957              int gmx_unused stepout,
 958              t_inputrec *inputrec,
 959              gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
 960              t_state *state_global,
 961              t_mdatoms *mdatoms,
 962              t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 963              gmx_edsam_t gmx_unused ed,
 964              t_forcerec *fr,
 965              int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
 966              gmx_membed_t gmx_unused membed,
 967              real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
 968              const char gmx_unused *deviceOptions,
 969              unsigned long gmx_unused Flags,
 970              gmx_runtime_t *runtime)
 971 {
 972     const char       *CG = "Polak-Ribiere Conjugate Gradients";
 973
 974     em_state_t       *s_min, *s_a, *s_b, *s_c;
 975     gmx_localtop_t   *top;
 976     gmx_enerdata_t   *enerd;
 977     rvec             *f;
 978     gmx_global_stat_t gstat;
 979     t_graph          *graph;
 980     rvec             *f_global, *p, *sf, *sfm;
 981     double            gpa, gpb, gpc, tmp, sum[2], minstep;
 982     real              fnormn;
 983     real              stepsize;
 984     real              a, b, c, beta = 0.0;
 985     real              epot_repl = 0;
 986     real              pnorm;
 987     t_mdebin         *mdebin;
 988     gmx_bool          converged, foundlower;
 989     rvec              mu_tot;
 990     gmx_bool          do_log = FALSE, do_ene = FALSE, do_x, do_f;
 991     tensor            vir, pres;
 992     int               number_steps, neval = 0, nstcg = inputrec->nstcgsteep;
 993     gmx_mdoutf_t     *outf;
 994     int               i, m, gf, step, nminstep;
 995     real              terminate = 0;
 996
 997     step = 0;
 998
 999     s_min = init_em_state();
1000     s_a   = init_em_state();
1001     s_b   = init_em_state();
1002     s_c   = init_em_state();
1003
1004     /* Init em and store the local state in s_min */
1005     init_em(fplog, CG, cr, inputrec,
1006             state_global, top_global, s_min, &top, &f, &f_global,
1007             nrnb, mu_tot, fr, &enerd, &graph, mdatoms, &gstat, vsite, constr,
1008             nfile, fnm, &outf, &mdebin);
1009
1010     /* Print to log file */
1011     print_em_start(fplog, cr, runtime, wcycle, CG);
1012
1013     /* Max number of steps */
1014     number_steps = inputrec->nsteps;
1015
1016     if (MASTER(cr))
1017     {
1018         sp_header(stderr, CG, inputrec->em_tol, number_steps);
1019     }
1020     if (fplog)
1021     {
1022         sp_header(fplog, CG, inputrec->em_tol, number_steps);
1023     }
1024
1025     /* Call the force routine and some auxiliary (neighboursearching etc.) */
1026     /* do_force always puts the charge groups in the box and shifts again
1027      * We do not unshift, so molecules are always whole in congrad.c
1028      */
1029     evaluate_energy(fplog, cr,
1030                     top_global, s_min, top,
1031                     inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
1032                     vsite, constr, fcd, graph, mdatoms, fr,
1033                     mu_tot, enerd, vir, pres, -1, TRUE);
1034     where();
1035
1036     if (MASTER(cr))
1037     {
1038         /* Copy stuff to the energy bin for easy printing etc. */
1039         upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, (double)step,
1040                    mdatoms->tmass, enerd, &s_min->s, inputrec->fepvals, inputrec->expandedvals, s_min->s.box,
1041                    NULL, NULL, vir, pres, NULL, mu_tot, constr);
1042
1043         print_ebin_header(fplog, step, step, s_min->s.lambda[efptFEP]);
1044         print_ebin(outf->fp_ene, TRUE, FALSE, FALSE, fplog, step, step, eprNORMAL,
1045                    TRUE, mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts));
1046     }
1047     where();
1048
1049     /* Estimate/guess the initial stepsize */
1050     stepsize = inputrec->em_stepsize/s_min->fnorm;
1051
1052     if (MASTER(cr))
1053     {
1054         fprintf(stderr, "   F-max             = %12.5e on atom %d\n",
1055                 s_min->fmax, s_min->a_fmax+1);
1056         fprintf(stderr, "   F-Norm            = %12.5e\n",
1057                 s_min->fnorm/sqrt(state_global->natoms));
1058         fprintf(stderr, "\n");
1059         /* and copy to the log file too... */
1060         fprintf(fplog, "   F-max             = %12.5e on atom %d\n",
1061                 s_min->fmax, s_min->a_fmax+1);
1062         fprintf(fplog, "   F-Norm            = %12.5e\n",
1063                 s_min->fnorm/sqrt(state_global->natoms));
1064         fprintf(fplog, "\n");
1065     }
1066     /* Start the loop over CG steps.
1067      * Each successful step is counted, and we continue until
1068      * we either converge or reach the max number of steps.
1069      */
1070     converged = FALSE;
1071     for (step = 0; (number_steps < 0 || (number_steps >= 0 && step <= number_steps)) && !converged; step++)
1072     {
1073
1074         /* start taking steps in a new direction
1075          * First time we enter the routine, beta=0, and the direction is
1076          * simply the negative gradient.
1077          */
1078
1079         /* Calculate the new direction in p, and the gradient in this direction, gpa */
1080         p   = s_min->s.cg_p;
1081         sf  = s_min->f;
1082         gpa = 0;
1083         gf  = 0;
1084         for (i = mdatoms->start; i < mdatoms->start+mdatoms->homenr; i++)
1085         {
1086             if (mdatoms->cFREEZE)
1087             {
1088                 gf = mdatoms->cFREEZE[i];
1089             }
1090             for (m = 0; m < DIM; m++)
1091             {
1092                 if (!inputrec->opts.nFreeze[gf][m])
1093                 {
1094                     p[i][m] = sf[i][m] + beta*p[i][m];
1095                     gpa    -= p[i][m]*sf[i][m];
1096                     /* f is negative gradient, thus the sign */
1097                 }
1098                 else
1099                 {
1100                     p[i][m] = 0;
1101                 }
1102             }
1103         }
1104
1105         /* Sum the gradient along the line across CPUs */
1106         if (PAR(cr))
1107         {
1108             gmx_sumd(1, &gpa, cr);
1109         }
1110
1111         /* Calculate the norm of the search vector */
1112         get_f_norm_max(cr, &(inputrec->opts), mdatoms, p, &pnorm, NULL, NULL);
1113
1114         /* Just in case stepsize reaches zero due to numerical precision... */
1115         if (stepsize <= 0)
1116         {
1117             stepsize = inputrec->em_stepsize/pnorm;
1118         }
1119
1120         /*
1121          * Double check the value of the derivative in the search direction.
1122          * If it is positive it must be due to the old information in the
1123          * CG formula, so just remove that and start over with beta=0.
1124          * This corresponds to a steepest descent step.
1125          */
1126         if (gpa > 0)
1127         {
1128             beta = 0;
1129             step--;   /* Don't count this step since we are restarting */
1130             continue; /* Go back to the beginning of the big for-loop */
1131         }
1132
1133         /* Calculate minimum allowed stepsize, before the average (norm)
1134          * relative change in coordinate is smaller than precision
1135          */
1136         minstep = 0;
1137         for (i = mdatoms->start; i < mdatoms->start+mdatoms->homenr; i++)
1138         {
1139             for (m = 0; m < DIM; m++)
1140             {
1141                 tmp = fabs(s_min->s.x[i][m]);
1142                 if (tmp < 1.0)
1143                 {
1144                     tmp = 1.0;
1145                 }
1146                 tmp      = p[i][m]/tmp;
1147                 minstep += tmp*tmp;
1148             }
1149         }
1150         /* Add up from all CPUs */
1151         if (PAR(cr))
1152         {
1153             gmx_sumd(1, &minstep, cr);
1154         }
1155
1156         minstep = GMX_REAL_EPS/sqrt(minstep/(3*state_global->natoms));
1157
1158         if (stepsize < minstep)
1159         {
1160             converged = TRUE;
1161             break;
1162         }
1163
1164         /* Write coordinates if necessary */
1165         do_x = do_per_step(step, inputrec->nstxout);
1166         do_f = do_per_step(step, inputrec->nstfout);
1167
1168         write_em_traj(fplog, cr, outf, do_x, do_f, NULL,
1169                       top_global, inputrec, step,
1170                       s_min, state_global, f_global);
1171
1172         /* Take a step downhill.
1173          * In theory, we should minimize the function along this direction.
1174          * That is quite possible, but it turns out to take 5-10 function evaluations
1175          * for each line. However, we dont really need to find the exact minimum -
1176          * it is much better to start a new CG step in a modified direction as soon
1177          * as we are close to it. This will save a lot of energy evaluations.
1178          *
1179          * In practice, we just try to take a single step.
1180          * If it worked (i.e. lowered the energy), we increase the stepsize but
1181          * the continue straight to the next CG step without trying to find any minimum.
1182          * If it didn't work (higher energy), there must be a minimum somewhere between
1183          * the old position and the new one.
1184          *
1185          * Due to the finite numerical accuracy, it turns out that it is a good idea
1186          * to even accept a SMALL increase in energy, if the derivative is still downhill.
1187          * This leads to lower final energies in the tests I've done. / Erik
1188          */
1189         s_a->epot = s_min->epot;
1190         a         = 0.0;
1191         c         = a + stepsize; /* reference position along line is zero */
1192
1193         if (DOMAINDECOMP(cr) && s_min->s.ddp_count < cr->dd->ddp_count)
1194         {
1195             em_dd_partition_system(fplog, step, cr, top_global, inputrec,
1196                                    s_min, top, mdatoms, fr, vsite, constr,
1197                                    nrnb, wcycle);
1198         }
1199
1200         /* Take a trial step (new coords in s_c) */
1201         do_em_step(cr, inputrec, mdatoms, fr->bMolPBC, s_min, c, s_min->s.cg_p, s_c,
1202                    constr, top, nrnb, wcycle, -1);
1203
1204         neval++;
1205         /* Calculate energy for the trial step */
1206         evaluate_energy(fplog, cr,
1207                         top_global, s_c, top,
1208                         inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
1209                         vsite, constr, fcd, graph, mdatoms, fr,
1210                         mu_tot, enerd, vir, pres, -1, FALSE);
1211
1212         /* Calc derivative along line */
1213         p   = s_c->s.cg_p;
1214         sf  = s_c->f;
1215         gpc = 0;
1216         for (i = mdatoms->start; i < mdatoms->start+mdatoms->homenr; i++)
1217         {
1218             for (m = 0; m < DIM; m++)
1219             {
1220                 gpc -= p[i][m]*sf[i][m]; /* f is negative gradient, thus the sign */
1221             }
1222         }
1223         /* Sum the gradient along the line across CPUs */
1224         if (PAR(cr))
1225         {
1226             gmx_sumd(1, &gpc, cr);
1227         }
1228
1229         /* This is the max amount of increase in energy we tolerate */
1230         tmp = sqrt(GMX_REAL_EPS)*fabs(s_a->epot);
1231
1232         /* Accept the step if the energy is lower, or if it is not significantly higher
1233          * and the line derivative is still negative.
1234          */
1235         if (s_c->epot < s_a->epot || (gpc < 0 && s_c->epot < (s_a->epot + tmp)))
1236         {
1237             foundlower = TRUE;
1238             /* Great, we found a better energy. Increase step for next iteration
1239              * if we are still going down, decrease it otherwise
1240              */
1241             if (gpc < 0)
1242             {
1243                 stepsize *= 1.618034; /* The golden section */
1244             }
1245             else
1246             {
1247                 stepsize *= 0.618034; /* 1/golden section */
1248             }
1249         }
1250         else
1251         {
1252             /* New energy is the same or higher. We will have to do some work
1253              * to find a smaller value in the interval. Take smaller step next time!
1254              */
1255             foundlower = FALSE;
1256             stepsize  *= 0.618034;
1257         }
1258
1259
1260
1261
1262         /* OK, if we didn't find a lower value we will have to locate one now - there must
1263          * be one in the interval [a=0,c].
1264          * The same thing is valid here, though: Don't spend dozens of iterations to find
1265          * the line minimum. We try to interpolate based on the derivative at the endpoints,
1266          * and only continue until we find a lower value. In most cases this means 1-2 iterations.
1267          *
1268          * I also have a safeguard for potentially really patological functions so we never
1269          * take more than 20 steps before we give up ...
1270          *
1271          * If we already found a lower value we just skip this step and continue to the update.
1272          */
1273         if (!foundlower)
1274         {
1275             nminstep = 0;
1276
1277             do
1278             {
1279                 /* Select a new trial point.
1280                  * If the derivatives at points a & c have different sign we interpolate to zero,
1281                  * otherwise just do a bisection.
1282                  */
1283                 if (gpa < 0 && gpc > 0)
1284                 {
1285                     b = a + gpa*(a-c)/(gpc-gpa);
1286                 }
1287                 else
1288                 {
1289                     b = 0.5*(a+c);
1290                 }
1291
1292                 /* safeguard if interpolation close to machine accuracy causes errors:
1293                  * never go outside the interval
1294                  */
1295                 if (b <= a || b >= c)
1296                 {
1297                     b = 0.5*(a+c);
1298                 }
1299
1300                 if (DOMAINDECOMP(cr) && s_min->s.ddp_count != cr->dd->ddp_count)
1301                 {
1302                     /* Reload the old state */
1303                     em_dd_partition_system(fplog, -1, cr, top_global, inputrec,
1304                                            s_min, top, mdatoms, fr, vsite, constr,
1305                                            nrnb, wcycle);
1306                 }
1307
1308                 /* Take a trial step to this new point - new coords in s_b */
1309                 do_em_step(cr, inputrec, mdatoms, fr->bMolPBC, s_min, b, s_min->s.cg_p, s_b,
1310                            constr, top, nrnb, wcycle, -1);
1311
1312                 neval++;
1313                 /* Calculate energy for the trial step */
1314                 evaluate_energy(fplog, cr,
1315                                 top_global, s_b, top,
1316                                 inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
1317                                 vsite, constr, fcd, graph, mdatoms, fr,
1318                                 mu_tot, enerd, vir, pres, -1, FALSE);
1319
1320                 /* p does not change within a step, but since the domain decomposition
1321                  * might change, we have to use cg_p of s_b here.
1322                  */
1323                 p   = s_b->s.cg_p;
1324                 sf  = s_b->f;
1325                 gpb = 0;
1326                 for (i = mdatoms->start; i < mdatoms->start+mdatoms->homenr; i++)
1327                 {
1328                     for (m = 0; m < DIM; m++)
1329                     {
1330                         gpb -= p[i][m]*sf[i][m]; /* f is negative gradient, thus the sign */
1331                     }
1332                 }
1333                 /* Sum the gradient along the line across CPUs */
1334                 if (PAR(cr))
1335                 {
1336                     gmx_sumd(1, &gpb, cr);
1337                 }
1338
1339                 if (debug)
1340                 {
1341                     fprintf(debug, "CGE: EpotA %f EpotB %f EpotC %f gpb %f\n",
1342                             s_a->epot, s_b->epot, s_c->epot, gpb);
1343                 }
1344
1345                 epot_repl = s_b->epot;
1346
1347                 /* Keep one of the intervals based on the value of the derivative at the new point */
1348                 if (gpb > 0)
1349                 {
1350                     /* Replace c endpoint with b */
1351                     swap_em_state(s_b, s_c);
1352                     c   = b;
1353                     gpc = gpb;
1354                 }
1355                 else
1356                 {
1357                     /* Replace a endpoint with b */
1358                     swap_em_state(s_b, s_a);
1359                     a   = b;
1360                     gpa = gpb;
1361                 }
1362
1363                 /*
1364                  * Stop search as soon as we find a value smaller than the endpoints.
1365                  * Never run more than 20 steps, no matter what.
1366                  */
1367                 nminstep++;
1368             }
1369             while ((epot_repl > s_a->epot || epot_repl > s_c->epot) &&
1370                    (nminstep < 20));
1371
1372             if (fabs(epot_repl - s_min->epot) < fabs(s_min->epot)*GMX_REAL_EPS ||
1373                 nminstep >= 20)
1374             {
1375                 /* OK. We couldn't find a significantly lower energy.
1376                  * If beta==0 this was steepest descent, and then we give up.
1377                  * If not, set beta=0 and restart with steepest descent before quitting.
1378                  */
1379                 if (beta == 0.0)
1380                 {
1381                     /* Converged */
1382                     converged = TRUE;
1383                     break;
1384                 }
1385                 else
1386                 {
1387                     /* Reset memory before giving up */
1388                     beta = 0.0;
1389                     continue;
1390                 }
1391             }
1392
1393             /* Select min energy state of A & C, put the best in B.
1394              */
1395             if (s_c->epot < s_a->epot)
1396             {
1397                 if (debug)
1398                 {
1399                     fprintf(debug, "CGE: C (%f) is lower than A (%f), moving C to B\n",
1400                             s_c->epot, s_a->epot);
1401                 }
1402                 swap_em_state(s_b, s_c);
1403                 gpb = gpc;
1404                 b   = c;
1405             }
1406             else
1407             {
1408                 if (debug)
1409                 {
1410                     fprintf(debug, "CGE: A (%f) is lower than C (%f), moving A to B\n",
1411                             s_a->epot, s_c->epot);
1412                 }
1413                 swap_em_state(s_b, s_a);
1414                 gpb = gpa;
1415                 b   = a;
1416             }
1417
1418         }
1419         else
1420         {
1421             if (debug)
1422             {
1423                 fprintf(debug, "CGE: Found a lower energy %f, moving C to B\n",
1424                         s_c->epot);
1425             }
1426             swap_em_state(s_b, s_c);
1427             gpb = gpc;
1428             b   = c;
1429         }
1430
1431         /* new search direction */
1432         /* beta = 0 means forget all memory and restart with steepest descents. */
1433         if (nstcg && ((step % nstcg) == 0))
1434         {
1435             beta = 0.0;
1436         }
1437         else
1438         {
1439             /* s_min->fnorm cannot be zero, because then we would have converged
1440              * and broken out.
1441              */
1442
1443             /* Polak-Ribiere update.
1444              * Change to fnorm2/fnorm2_old for Fletcher-Reeves
1445              */
1446             beta = pr_beta(cr, &inputrec->opts, mdatoms, top_global, s_min, s_b);
1447         }
1448         /* Limit beta to prevent oscillations */
1449         if (fabs(beta) > 5.0)
1450         {
1451             beta = 0.0;
1452         }
1453
1454
1455         /* update positions */
1456         swap_em_state(s_min, s_b);
1457         gpa = gpb;
1458
1459         /* Print it if necessary */
1460         if (MASTER(cr))
1461         {
1462             if (bVerbose)
1463             {
1464                 fprintf(stderr, "\rStep %d, Epot=%12.6e, Fnorm=%9.3e, Fmax=%9.3e (atom %d)\n",
1465                         step, s_min->epot, s_min->fnorm/sqrt(state_global->natoms),
1466                         s_min->fmax, s_min->a_fmax+1);
1467             }
1468             /* Store the new (lower) energies */
1469             upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, (double)step,
1470                        mdatoms->tmass, enerd, &s_min->s, inputrec->fepvals, inputrec->expandedvals, s_min->s.box,
1471                        NULL, NULL, vir, pres, NULL, mu_tot, constr);
1472
1473             do_log = do_per_step(step, inputrec->nstlog);
1474             do_ene = do_per_step(step, inputrec->nstenergy);
1475             if (do_log)
1476             {
1477                 print_ebin_header(fplog, step, step, s_min->s.lambda[efptFEP]);
1478             }
1479             print_ebin(outf->fp_ene, do_ene, FALSE, FALSE,
1480                        do_log ? fplog : NULL, step, step, eprNORMAL,
1481                        TRUE, mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts));
1482         }
1483
1484         /* Stop when the maximum force lies below tolerance.
1485          * If we have reached machine precision, converged is already set to true.
1486          */
1487         converged = converged || (s_min->fmax < inputrec->em_tol);
1488
1489     } /* End of the loop */
1490
1491     if (converged)
1492     {
1493         step--; /* we never took that last step in this case */
1494
1495     }
1496     if (s_min->fmax > inputrec->em_tol)
1497     {
1498         if (MASTER(cr))
1499         {
1500             warn_step(stderr, inputrec->em_tol, step-1 == number_steps, FALSE);
1501             warn_step(fplog, inputrec->em_tol, step-1 == number_steps, FALSE);
1502         }
1503         converged = FALSE;
1504     }
1505
1506     if (MASTER(cr))
1507     {
1508         /* If we printed energy and/or logfile last step (which was the last step)
1509          * we don't have to do it again, but otherwise print the final values.
1510          */
1511         if (!do_log)
1512         {
1513             /* Write final value to log since we didn't do anything the last step */
1514             print_ebin_header(fplog, step, step, s_min->s.lambda[efptFEP]);
1515         }
1516         if (!do_ene || !do_log)
1517         {
1518             /* Write final energy file entries */
1519             print_ebin(outf->fp_ene, !do_ene, FALSE, FALSE,
1520                        !do_log ? fplog : NULL, step, step, eprNORMAL,
1521                        TRUE, mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts));
1522         }
1523     }
1524
1525     /* Print some stuff... */
1526     if (MASTER(cr))
1527     {
1528         fprintf(stderr, "\nwriting lowest energy coordinates.\n");
1529     }
1530
1531     /* IMPORTANT!
1532      * For accurate normal mode calculation it is imperative that we
1533      * store the last conformation into the full precision binary trajectory.
1534      *
1535      * However, we should only do it if we did NOT already write this step
1536      * above (which we did if do_x or do_f was true).
1537      */
1538     do_x = !do_per_step(step, inputrec->nstxout);
1539     do_f = (inputrec->nstfout > 0 && !do_per_step(step, inputrec->nstfout));
1540
1541     write_em_traj(fplog, cr, outf, do_x, do_f, ftp2fn(efSTO, nfile, fnm),
1542                   top_global, inputrec, step,
1543                   s_min, state_global, f_global);
1544
1545     fnormn = s_min->fnorm/sqrt(state_global->natoms);
1546
1547     if (MASTER(cr))
1548     {
1549         print_converged(stderr, CG, inputrec->em_tol, step, converged, number_steps,
1550                         s_min->epot, s_min->fmax, s_min->a_fmax, fnormn);
1551         print_converged(fplog, CG, inputrec->em_tol, step, converged, number_steps,
1552                         s_min->epot, s_min->fmax, s_min->a_fmax, fnormn);
1553
1554         fprintf(fplog, "\nPerformed %d energy evaluations in total.\n", neval);
1555     }
1556
1557     finish_em(cr, outf, runtime, wcycle);
1558
1559     /* To print the actual number of steps we needed somewhere */
1560     runtime->nsteps_done = step;
1561
1562     return 0;
1563 } /* That's all folks */
1564
1565
1566 double do_lbfgs(FILE *fplog, t_commrec *cr,
1567                 int nfile, const t_filenm fnm[],
1568                 const output_env_t gmx_unused oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
1569                 int gmx_unused nstglobalcomm,
1570                 gmx_vsite_t *vsite, gmx_constr_t constr,
1571                 int gmx_unused stepout,
1572                 t_inputrec *inputrec,
1573                 gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
1574                 t_state *state,
1575                 t_mdatoms *mdatoms,
1576                 t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
1577                 gmx_edsam_t gmx_unused ed,
1578                 t_forcerec *fr,
1579                 int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
1580                 gmx_membed_t gmx_unused membed,
1581                 real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
1582                 const char gmx_unused *deviceOptions,
1583                 unsigned long gmx_unused Flags,
1584                 gmx_runtime_t *runtime)
1585 {
1586     static const char *LBFGS = "Low-Memory BFGS Minimizer";
1587     em_state_t         ems;
1588     gmx_localtop_t    *top;
1589     gmx_enerdata_t    *enerd;
1590     rvec              *f;
1591     gmx_global_stat_t  gstat;
1592     t_graph           *graph;
1593     rvec              *f_global;
1594     int                ncorr, nmaxcorr, point, cp, neval, nminstep;
1595     double             stepsize, gpa, gpb, gpc, tmp, minstep;
1596     real              *rho, *alpha, *ff, *xx, *p, *s, *lastx, *lastf, **dx, **dg;
1597     real              *xa, *xb, *xc, *fa, *fb, *fc, *xtmp, *ftmp;
1598     real               a, b, c, maxdelta, delta;
1599     real               diag, Epot0, Epot, EpotA, EpotB, EpotC;
1600     real               dgdx, dgdg, sq, yr, beta;
1601     t_mdebin          *mdebin;
1602     gmx_bool           converged, first;
1603     rvec               mu_tot;
1604     real               fnorm, fmax;
1605     gmx_bool           do_log, do_ene, do_x, do_f, foundlower, *frozen;
1606     tensor             vir, pres;
1607     int                start, end, number_steps;
1608     gmx_mdoutf_t      *outf;
1609     int                i, k, m, n, nfmax, gf, step;
1610     int                mdof_flags;
1611     /* not used */
1612     real               terminate;
1613
1614     if (PAR(cr))
1615     {
1616         gmx_fatal(FARGS, "Cannot do parallel L-BFGS Minimization - yet.\n");
1617     }
1618
1619     if (NULL != constr)
1620     {
1621         gmx_fatal(FARGS, "The combination of constraints and L-BFGS minimization is not implemented. Either do not use constraints, or use another minimizer (e.g. steepest descent).");
1622     }
1623
1624     n        = 3*state->natoms;
1625     nmaxcorr = inputrec->nbfgscorr;
1626
1627     /* Allocate memory */
1628     /* Use pointers to real so we dont have to loop over both atoms and
1629      * dimensions all the time...
1630      * x/f are allocated as rvec *, so make new x0/f0 pointers-to-real
1631      * that point to the same memory.
1632      */
1633     snew(xa, n);
1634     snew(xb, n);
1635     snew(xc, n);
1636     snew(fa, n);
1637     snew(fb, n);
1638     snew(fc, n);
1639     snew(frozen, n);
1640
1641     snew(p, n);
1642     snew(lastx, n);
1643     snew(lastf, n);
1644     snew(rho, nmaxcorr);
1645     snew(alpha, nmaxcorr);
1646
1647     snew(dx, nmaxcorr);
1648     for (i = 0; i < nmaxcorr; i++)
1649     {
1650         snew(dx[i], n);
1651     }
1652
1653     snew(dg, nmaxcorr);
1654     for (i = 0; i < nmaxcorr; i++)
1655     {
1656         snew(dg[i], n);
1657     }
1658
1659     step  = 0;
1660     neval = 0;
1661
1662     /* Init em */
1663     init_em(fplog, LBFGS, cr, inputrec,
1664             state, top_global, &ems, &top, &f, &f_global,
1665             nrnb, mu_tot, fr, &enerd, &graph, mdatoms, &gstat, vsite, constr,
1666             nfile, fnm, &outf, &mdebin);
1667     /* Do_lbfgs is not completely updated like do_steep and do_cg,
1668      * so we free some memory again.
1669      */
1670     sfree(ems.s.x);
1671     sfree(ems.f);
1672
1673     xx = (real *)state->x;
1674     ff = (real *)f;
1675
1676     start = mdatoms->start;
1677     end   = mdatoms->homenr + start;
1678
1679     /* Print to log file */
1680     print_em_start(fplog, cr, runtime, wcycle, LBFGS);
1681
1682     do_log = do_ene = do_x = do_f = TRUE;
1683
1684     /* Max number of steps */
1685     number_steps = inputrec->nsteps;
1686
1687     /* Create a 3*natoms index to tell whether each degree of freedom is frozen */
1688     gf = 0;
1689     for (i = start; i < end; i++)
1690     {
1691         if (mdatoms->cFREEZE)
1692         {
1693             gf = mdatoms->cFREEZE[i];
1694         }
1695         for (m = 0; m < DIM; m++)
1696         {
1697             frozen[3*i+m] = inputrec->opts.nFreeze[gf][m];
1698         }
1699     }
1700     if (MASTER(cr))
1701     {
1702         sp_header(stderr, LBFGS, inputrec->em_tol, number_steps);
1703     }
1704     if (fplog)
1705     {
1706         sp_header(fplog, LBFGS, inputrec->em_tol, number_steps);
1707     }
1708
1709     if (vsite)
1710     {
1711         construct_vsites(vsite, state->x, 1, NULL,
1712                          top->idef.iparams, top->idef.il,
1713                          fr->ePBC, fr->bMolPBC, graph, cr, state->box);
1714     }
1715
1716     /* Call the force routine and some auxiliary (neighboursearching etc.) */
1717     /* do_force always puts the charge groups in the box and shifts again
1718      * We do not unshift, so molecules are always whole
1719      */
1720     neval++;
1721     ems.s.x = state->x;
1722     ems.f   = f;
1723     evaluate_energy(fplog, cr,
1724                     top_global, &ems, top,
1725                     inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
1726                     vsite, constr, fcd, graph, mdatoms, fr,
1727                     mu_tot, enerd, vir, pres, -1, TRUE);
1728     where();
1729
1730     if (MASTER(cr))
1731     {
1732         /* Copy stuff to the energy bin for easy printing etc. */
1733         upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, (double)step,
1734                    mdatoms->tmass, enerd, state, inputrec->fepvals, inputrec->expandedvals, state->box,
1735                    NULL, NULL, vir, pres, NULL, mu_tot, constr);
1736
1737         print_ebin_header(fplog, step, step, state->lambda[efptFEP]);
1738         print_ebin(outf->fp_ene, TRUE, FALSE, FALSE, fplog, step, step, eprNORMAL,
1739                    TRUE, mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts));
1740     }
1741     where();
1742
1743     /* This is the starting energy */
1744     Epot = enerd->term[F_EPOT];
1745
1746     fnorm = ems.fnorm;
1747     fmax  = ems.fmax;
1748     nfmax = ems.a_fmax;
1749
1750     /* Set the initial step.
1751      * since it will be multiplied by the non-normalized search direction
1752      * vector (force vector the first time), we scale it by the
1753      * norm of the force.
1754      */
1755
1756     if (MASTER(cr))
1757     {
1758         fprintf(stderr, "Using %d BFGS correction steps.\n\n", nmaxcorr);
1759         fprintf(stderr, "   F-max             = %12.5e on atom %d\n", fmax, nfmax+1);
1760         fprintf(stderr, "   F-Norm            = %12.5e\n", fnorm/sqrt(state->natoms));
1761         fprintf(stderr, "\n");
1762         /* and copy to the log file too... */
1763         fprintf(fplog, "Using %d BFGS correction steps.\n\n", nmaxcorr);
1764         fprintf(fplog, "   F-max             = %12.5e on atom %d\n", fmax, nfmax+1);
1765         fprintf(fplog, "   F-Norm            = %12.5e\n", fnorm/sqrt(state->natoms));
1766         fprintf(fplog, "\n");
1767     }
1768
1769     point = 0;
1770     for (i = 0; i < n; i++)
1771     {
1772         if (!frozen[i])
1773         {
1774             dx[point][i] = ff[i]; /* Initial search direction */
1775         }
1776         else
1777         {
1778             dx[point][i] = 0;
1779         }
1780     }
1781
1782     stepsize  = 1.0/fnorm;
1783     converged = FALSE;
1784
1785     /* Start the loop over BFGS steps.
1786      * Each successful step is counted, and we continue until
1787      * we either converge or reach the max number of steps.
1788      */
1789
1790     ncorr = 0;
1791
1792     /* Set the gradient from the force */
1793     converged = FALSE;
1794     for (step = 0; (number_steps < 0 || (number_steps >= 0 && step <= number_steps)) && !converged; step++)
1795     {
1796
1797         /* Write coordinates if necessary */
1798         do_x = do_per_step(step, inputrec->nstxout);
1799         do_f = do_per_step(step, inputrec->nstfout);
1800
1801         mdof_flags = 0;
1802         if (do_x)
1803         {
1804             mdof_flags |= MDOF_X;
1805         }
1806
1807         if (do_f)
1808         {
1809             mdof_flags |= MDOF_F;
1810         }
1811
1812         write_traj(fplog, cr, outf, mdof_flags,
1813                    top_global, step, (real)step, state, state, f, f, NULL, NULL);
1814
1815         /* Do the linesearching in the direction dx[point][0..(n-1)] */
1816
1817         /* pointer to current direction - point=0 first time here */
1818         s = dx[point];
1819
1820         /* calculate line gradient */
1821         for (gpa = 0, i = 0; i < n; i++)
1822         {
1823             gpa -= s[i]*ff[i];
1824         }
1825
1826         /* Calculate minimum allowed stepsize, before the average (norm)
1827          * relative change in coordinate is smaller than precision
1828          */
1829         for (minstep = 0, i = 0; i < n; i++)
1830         {
1831             tmp = fabs(xx[i]);
1832             if (tmp < 1.0)
1833             {
1834                 tmp = 1.0;
1835             }
1836             tmp      = s[i]/tmp;
1837             minstep += tmp*tmp;
1838         }
1839         minstep = GMX_REAL_EPS/sqrt(minstep/n);
1840
1841         if (stepsize < minstep)
1842         {
1843             converged = TRUE;
1844             break;
1845         }
1846
1847         /* Store old forces and coordinates */
1848         for (i = 0; i < n; i++)
1849         {
1850             lastx[i] = xx[i];
1851             lastf[i] = ff[i];
1852         }
1853         Epot0 = Epot;
1854
1855         first = TRUE;
1856
1857         for (i = 0; i < n; i++)
1858         {
1859             xa[i] = xx[i];
1860         }
1861
1862         /* Take a step downhill.
1863          * In theory, we should minimize the function along this direction.
1864          * That is quite possible, but it turns out to take 5-10 function evaluations
1865          * for each line. However, we dont really need to find the exact minimum -
1866          * it is much better to start a new BFGS step in a modified direction as soon
1867          * as we are close to it. This will save a lot of energy evaluations.
1868          *
1869          * In practice, we just try to take a single step.
1870          * If it worked (i.e. lowered the energy), we increase the stepsize but
1871          * the continue straight to the next BFGS step without trying to find any minimum.
1872          * If it didn't work (higher energy), there must be a minimum somewhere between
1873          * the old position and the new one.
1874          *
1875          * Due to the finite numerical accuracy, it turns out that it is a good idea
1876          * to even accept a SMALL increase in energy, if the derivative is still downhill.
1877          * This leads to lower final energies in the tests I've done. / Erik
1878          */
1879         foundlower = FALSE;
1880         EpotA      = Epot0;
1881         a          = 0.0;
1882         c          = a + stepsize; /* reference position along line is zero */
1883
1884         /* Check stepsize first. We do not allow displacements
1885          * larger than emstep.
1886          */
1887         do
1888         {
1889             c        = a + stepsize;
1890             maxdelta = 0;
1891             for (i = 0; i < n; i++)
1892             {
1893                 delta = c*s[i];
1894                 if (delta > maxdelta)
1895                 {
1896                     maxdelta = delta;
1897                 }
1898             }
1899             if (maxdelta > inputrec->em_stepsize)
1900             {
1901                 stepsize *= 0.1;
1902             }
1903         }
1904         while (maxdelta > inputrec->em_stepsize);
1905
1906         /* Take a trial step */
1907         for (i = 0; i < n; i++)
1908         {
1909             xc[i] = lastx[i] + c*s[i];
1910         }
1911
1912         neval++;
1913         /* Calculate energy for the trial step */
1914         ems.s.x = (rvec *)xc;
1915         ems.f   = (rvec *)fc;
1916         evaluate_energy(fplog, cr,
1917                         top_global, &ems, top,
1918                         inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
1919                         vsite, constr, fcd, graph, mdatoms, fr,
1920                         mu_tot, enerd, vir, pres, step, FALSE);
1921         EpotC = ems.epot;
1922
1923         /* Calc derivative along line */
1924         for (gpc = 0, i = 0; i < n; i++)
1925         {
1926             gpc -= s[i]*fc[i]; /* f is negative gradient, thus the sign */
1927         }
1928         /* Sum the gradient along the line across CPUs */
1929         if (PAR(cr))
1930         {
1931             gmx_sumd(1, &gpc, cr);
1932         }
1933
1934         /* This is the max amount of increase in energy we tolerate */
1935         tmp = sqrt(GMX_REAL_EPS)*fabs(EpotA);
1936
1937         /* Accept the step if the energy is lower, or if it is not significantly higher
1938          * and the line derivative is still negative.
1939          */
1940         if (EpotC < EpotA || (gpc < 0 && EpotC < (EpotA+tmp)))
1941         {
1942             foundlower = TRUE;
1943             /* Great, we found a better energy. Increase step for next iteration
1944              * if we are still going down, decrease it otherwise
1945              */
1946             if (gpc < 0)
1947             {
1948                 stepsize *= 1.618034; /* The golden section */
1949             }
1950             else
1951             {
1952                 stepsize *= 0.618034; /* 1/golden section */
1953             }
1954         }
1955         else
1956         {
1957             /* New energy is the same or higher. We will have to do some work
1958              * to find a smaller value in the interval. Take smaller step next time!
1959              */
1960             foundlower = FALSE;
1961             stepsize  *= 0.618034;
1962         }
1963
1964         /* OK, if we didn't find a lower value we will have to locate one now - there must
1965          * be one in the interval [a=0,c].
1966          * The same thing is valid here, though: Don't spend dozens of iterations to find
1967          * the line minimum. We try to interpolate based on the derivative at the endpoints,
1968          * and only continue until we find a lower value. In most cases this means 1-2 iterations.
1969          *
1970          * I also have a safeguard for potentially really patological functions so we never
1971          * take more than 20 steps before we give up ...
1972          *
1973          * If we already found a lower value we just skip this step and continue to the update.
1974          */
1975
1976         if (!foundlower)
1977         {
1978
1979             nminstep = 0;
1980             do
1981             {
1982                 /* Select a new trial point.
1983                  * If the derivatives at points a & c have different sign we interpolate to zero,
1984                  * otherwise just do a bisection.
1985                  */
1986
1987                 if (gpa < 0 && gpc > 0)
1988                 {
1989                     b = a + gpa*(a-c)/(gpc-gpa);
1990                 }
1991                 else
1992                 {
1993                     b = 0.5*(a+c);
1994                 }
1995
1996                 /* safeguard if interpolation close to machine accuracy causes errors:
1997                  * never go outside the interval
1998                  */
1999                 if (b <= a || b >= c)
2000                 {
2001                     b = 0.5*(a+c);
2002                 }
2003
2004                 /* Take a trial step */
2005                 for (i = 0; i < n; i++)
2006                 {
2007                     xb[i] = lastx[i] + b*s[i];
2008                 }
2009
2010                 neval++;
2011                 /* Calculate energy for the trial step */
2012                 ems.s.x = (rvec *)xb;
2013                 ems.f   = (rvec *)fb;
2014                 evaluate_energy(fplog, cr,
2015                                 top_global, &ems, top,
2016                                 inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
2017                                 vsite, constr, fcd, graph, mdatoms, fr,
2018                                 mu_tot, enerd, vir, pres, step, FALSE);
2019                 EpotB = ems.epot;
2020
2021                 fnorm = ems.fnorm;
2022
2023                 for (gpb = 0, i = 0; i < n; i++)
2024                 {
2025                     gpb -= s[i]*fb[i]; /* f is negative gradient, thus the sign */
2026
2027                 }
2028                 /* Sum the gradient along the line across CPUs */
2029                 if (PAR(cr))
2030                 {
2031                     gmx_sumd(1, &gpb, cr);
2032                 }
2033
2034                 /* Keep one of the intervals based on the value of the derivative at the new point */
2035                 if (gpb > 0)
2036                 {
2037                     /* Replace c endpoint with b */
2038                     EpotC = EpotB;
2039                     c     = b;
2040                     gpc   = gpb;
2041                     /* swap coord pointers b/c */
2042                     xtmp = xb;
2043                     ftmp = fb;
2044                     xb   = xc;
2045                     fb   = fc;
2046                     xc   = xtmp;
2047                     fc   = ftmp;
2048                 }
2049                 else
2050                 {
2051                     /* Replace a endpoint with b */
2052                     EpotA = EpotB;
2053                     a     = b;
2054                     gpa   = gpb;
2055                     /* swap coord pointers a/b */
2056                     xtmp = xb;
2057                     ftmp = fb;
2058                     xb   = xa;
2059                     fb   = fa;
2060                     xa   = xtmp;
2061                     fa   = ftmp;
2062                 }
2063
2064                 /*
2065                  * Stop search as soon as we find a value smaller than the endpoints,
2066                  * or if the tolerance is below machine precision.
2067                  * Never run more than 20 steps, no matter what.
2068                  */
2069                 nminstep++;
2070             }
2071             while ((EpotB > EpotA || EpotB > EpotC) && (nminstep < 20));
2072
2073             if (fabs(EpotB-Epot0) < GMX_REAL_EPS || nminstep >= 20)
2074             {
2075                 /* OK. We couldn't find a significantly lower energy.
2076                  * If ncorr==0 this was steepest descent, and then we give up.
2077                  * If not, reset memory to restart as steepest descent before quitting.
2078                  */
2079                 if (ncorr == 0)
2080                 {
2081                     /* Converged */
2082                     converged = TRUE;
2083                     break;
2084                 }
2085                 else
2086                 {
2087                     /* Reset memory */
2088                     ncorr = 0;
2089                     /* Search in gradient direction */
2090                     for (i = 0; i < n; i++)
2091                     {
2092                         dx[point][i] = ff[i];
2093                     }
2094                     /* Reset stepsize */
2095                     stepsize = 1.0/fnorm;
2096                     continue;
2097                 }
2098             }
2099
2100             /* Select min energy state of A & C, put the best in xx/ff/Epot
2101              */
2102             if (EpotC < EpotA)
2103             {
2104                 Epot = EpotC;
2105                 /* Use state C */
2106                 for (i = 0; i < n; i++)
2107                 {
2108                     xx[i] = xc[i];
2109                     ff[i] = fc[i];
2110                 }
2111                 stepsize = c;
2112             }
2113             else
2114             {
2115                 Epot = EpotA;
2116                 /* Use state A */
2117                 for (i = 0; i < n; i++)
2118                 {
2119                     xx[i] = xa[i];
2120                     ff[i] = fa[i];
2121                 }
2122                 stepsize = a;
2123             }
2124
2125         }
2126         else
2127         {
2128             /* found lower */
2129             Epot = EpotC;
2130             /* Use state C */
2131             for (i = 0; i < n; i++)
2132             {
2133                 xx[i] = xc[i];
2134                 ff[i] = fc[i];
2135             }
2136             stepsize = c;
2137         }
2138
2139         /* Update the memory information, and calculate a new
2140          * approximation of the inverse hessian
2141          */
2142
2143         /* Have new data in Epot, xx, ff */
2144         if (ncorr < nmaxcorr)
2145         {
2146             ncorr++;
2147         }
2148
2149         for (i = 0; i < n; i++)
2150         {
2151             dg[point][i]  = lastf[i]-ff[i];
2152             dx[point][i] *= stepsize;
2153         }
2154
2155         dgdg = 0;
2156         dgdx = 0;
2157         for (i = 0; i < n; i++)
2158         {
2159             dgdg += dg[point][i]*dg[point][i];
2160             dgdx += dg[point][i]*dx[point][i];
2161         }
2162
2163         diag = dgdx/dgdg;
2164
2165         rho[point] = 1.0/dgdx;
2166         point++;
2167
2168         if (point >= nmaxcorr)
2169         {
2170             point = 0;
2171         }
2172
2173         /* Update */
2174         for (i = 0; i < n; i++)
2175         {
2176             p[i] = ff[i];
2177         }
2178
2179         cp = point;
2180
2181         /* Recursive update. First go back over the memory points */
2182         for (k = 0; k < ncorr; k++)
2183         {
2184             cp--;
2185             if (cp < 0)
2186             {
2187                 cp = ncorr-1;
2188             }
2189
2190             sq = 0;
2191             for (i = 0; i < n; i++)
2192             {
2193                 sq += dx[cp][i]*p[i];
2194             }
2195
2196             alpha[cp] = rho[cp]*sq;
2197
2198             for (i = 0; i < n; i++)
2199             {
2200                 p[i] -= alpha[cp]*dg[cp][i];
2201             }
2202         }
2203
2204         for (i = 0; i < n; i++)
2205         {
2206             p[i] *= diag;
2207         }
2208
2209         /* And then go forward again */
2210         for (k = 0; k < ncorr; k++)
2211         {
2212             yr = 0;
2213             for (i = 0; i < n; i++)
2214             {
2215                 yr += p[i]*dg[cp][i];
2216             }
2217
2218             beta = rho[cp]*yr;
2219             beta = alpha[cp]-beta;
2220
2221             for (i = 0; i < n; i++)
2222             {
2223                 p[i] += beta*dx[cp][i];
2224             }
2225
2226             cp++;
2227             if (cp >= ncorr)
2228             {
2229                 cp = 0;
2230             }
2231         }
2232
2233         for (i = 0; i < n; i++)
2234         {
2235             if (!frozen[i])
2236             {
2237                 dx[point][i] = p[i];
2238             }
2239             else
2240             {
2241                 dx[point][i] = 0;
2242             }
2243         }
2244
2245         stepsize = 1.0;
2246
2247         /* Test whether the convergence criterion is met */
2248         get_f_norm_max(cr, &(inputrec->opts), mdatoms, f, &fnorm, &fmax, &nfmax);
2249
2250         /* Print it if necessary */
2251         if (MASTER(cr))
2252         {
2253             if (bVerbose)
2254             {
2255                 fprintf(stderr, "\rStep %d, Epot=%12.6e, Fnorm=%9.3e, Fmax=%9.3e (atom %d)\n",
2256                         step, Epot, fnorm/sqrt(state->natoms), fmax, nfmax+1);
2257             }
2258             /* Store the new (lower) energies */
2259             upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, (double)step,
2260                        mdatoms->tmass, enerd, state, inputrec->fepvals, inputrec->expandedvals, state->box,
2261                        NULL, NULL, vir, pres, NULL, mu_tot, constr);
2262             do_log = do_per_step(step, inputrec->nstlog);
2263             do_ene = do_per_step(step, inputrec->nstenergy);
2264             if (do_log)
2265             {
2266                 print_ebin_header(fplog, step, step, state->lambda[efptFEP]);
2267             }
2268             print_ebin(outf->fp_ene, do_ene, FALSE, FALSE,
2269                        do_log ? fplog : NULL, step, step, eprNORMAL,
2270                        TRUE, mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts));
2271         }
2272
2273         /* Stop when the maximum force lies below tolerance.
2274          * If we have reached machine precision, converged is already set to true.
2275          */
2276
2277         converged = converged || (fmax < inputrec->em_tol);
2278
2279     } /* End of the loop */
2280
2281     if (converged)
2282     {
2283         step--; /* we never took that last step in this case */
2284
2285     }
2286     if (fmax > inputrec->em_tol)
2287     {
2288         if (MASTER(cr))
2289         {
2290             warn_step(stderr, inputrec->em_tol, step-1 == number_steps, FALSE);
2291             warn_step(fplog, inputrec->em_tol, step-1 == number_steps, FALSE);
2292         }
2293         converged = FALSE;
2294     }
2295
2296     /* If we printed energy and/or logfile last step (which was the last step)
2297      * we don't have to do it again, but otherwise print the final values.
2298      */
2299     if (!do_log) /* Write final value to log since we didn't do anythin last step */
2300     {
2301         print_ebin_header(fplog, step, step, state->lambda[efptFEP]);
2302     }
2303     if (!do_ene || !do_log) /* Write final energy file entries */
2304     {
2305         print_ebin(outf->fp_ene, !do_ene, FALSE, FALSE,
2306                    !do_log ? fplog : NULL, step, step, eprNORMAL,
2307                    TRUE, mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts));
2308     }
2309
2310     /* Print some stuff... */
2311     if (MASTER(cr))
2312     {
2313         fprintf(stderr, "\nwriting lowest energy coordinates.\n");
2314     }
2315
2316     /* IMPORTANT!
2317      * For accurate normal mode calculation it is imperative that we
2318      * store the last conformation into the full precision binary trajectory.
2319      *
2320      * However, we should only do it if we did NOT already write this step
2321      * above (which we did if do_x or do_f was true).
2322      */
2323     do_x = !do_per_step(step, inputrec->nstxout);
2324     do_f = !do_per_step(step, inputrec->nstfout);
2325     write_em_traj(fplog, cr, outf, do_x, do_f, ftp2fn(efSTO, nfile, fnm),
2326                   top_global, inputrec, step,
2327                   &ems, state, f);
2328
2329     if (MASTER(cr))
2330     {
2331         print_converged(stderr, LBFGS, inputrec->em_tol, step, converged,
2332                         number_steps, Epot, fmax, nfmax, fnorm/sqrt(state->natoms));
2333         print_converged(fplog, LBFGS, inputrec->em_tol, step, converged,
2334                         number_steps, Epot, fmax, nfmax, fnorm/sqrt(state->natoms));
2335
2336         fprintf(fplog, "\nPerformed %d energy evaluations in total.\n", neval);
2337     }
2338
2339     finish_em(cr, outf, runtime, wcycle);
2340
2341     /* To print the actual number of steps we needed somewhere */
2342     runtime->nsteps_done = step;
2343
2344     return 0;
2345 } /* That's all folks */
2346
2347
2348 double do_steep(FILE *fplog, t_commrec *cr,
2349                 int nfile, const t_filenm fnm[],
2350                 const output_env_t gmx_unused oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
2351                 int gmx_unused nstglobalcomm,
2352                 gmx_vsite_t *vsite, gmx_constr_t constr,
2353                 int gmx_unused stepout,
2354                 t_inputrec *inputrec,
2355                 gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
2356                 t_state *state_global,
2357                 t_mdatoms *mdatoms,
2358                 t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
2359                 gmx_edsam_t gmx_unused  ed,
2360                 t_forcerec *fr,
2361                 int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
2362                 gmx_membed_t gmx_unused membed,
2363                 real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
2364                 const char  gmx_unused *deviceOptions,
2365                 unsigned long gmx_unused Flags,
2366                 gmx_runtime_t *runtime)
2367 {
2368     const char       *SD = "Steepest Descents";
2369     em_state_t       *s_min, *s_try;
2370     rvec             *f_global;
2371     gmx_localtop_t   *top;
2372     gmx_enerdata_t   *enerd;
2373     rvec             *f;
2374     gmx_global_stat_t gstat;
2375     t_graph          *graph;
2376     real              stepsize, constepsize;
2377     real              ustep, fnormn;
2378     gmx_mdoutf_t     *outf;
2379     t_mdebin         *mdebin;
2380     gmx_bool          bDone, bAbort, do_x, do_f;
2381     tensor            vir, pres;
2382     rvec              mu_tot;
2383     int               nsteps;
2384     int               count          = 0;
2385     int               steps_accepted = 0;
2386     /* not used */
2387     real              terminate = 0;
2388
2389     s_min = init_em_state();
2390     s_try = init_em_state();
2391
2392     /* Init em and store the local state in s_try */
2393     init_em(fplog, SD, cr, inputrec,
2394             state_global, top_global, s_try, &top, &f, &f_global,
2395             nrnb, mu_tot, fr, &enerd, &graph, mdatoms, &gstat, vsite, constr,
2396             nfile, fnm, &outf, &mdebin);
2397
2398     /* Print to log file  */
2399     print_em_start(fplog, cr, runtime, wcycle, SD);
2400
2401     /* Set variables for stepsize (in nm). This is the largest
2402      * step that we are going to make in any direction.
2403      */
2404     ustep    = inputrec->em_stepsize;
2405     stepsize = 0;
2406
2407     /* Max number of steps  */
2408     nsteps = inputrec->nsteps;
2409
2410     if (MASTER(cr))
2411     {
2412         /* Print to the screen  */
2413         sp_header(stderr, SD, inputrec->em_tol, nsteps);
2414     }
2415     if (fplog)
2416     {
2417         sp_header(fplog, SD, inputrec->em_tol, nsteps);
2418     }
2419
2420     /**** HERE STARTS THE LOOP ****
2421      * count is the counter for the number of steps
2422      * bDone will be TRUE when the minimization has converged
2423      * bAbort will be TRUE when nsteps steps have been performed or when
2424      * the stepsize becomes smaller than is reasonable for machine precision
2425      */
2426     count  = 0;
2427     bDone  = FALSE;
2428     bAbort = FALSE;
2429     while (!bDone && !bAbort)
2430     {
2431         bAbort = (nsteps >= 0) && (count == nsteps);
2432
2433         /* set new coordinates, except for first step */
2434         if (count > 0)
2435         {
2436             do_em_step(cr, inputrec, mdatoms, fr->bMolPBC,
2437                        s_min, stepsize, s_min->f, s_try,
2438                        constr, top, nrnb, wcycle, count);
2439         }
2440
2441         evaluate_energy(fplog, cr,
2442                         top_global, s_try, top,
2443                         inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
2444                         vsite, constr, fcd, graph, mdatoms, fr,
2445                         mu_tot, enerd, vir, pres, count, count == 0);
2446
2447         if (MASTER(cr))
2448         {
2449             print_ebin_header(fplog, count, count, s_try->s.lambda[efptFEP]);
2450         }
2451
2452         if (count == 0)
2453         {
2454             s_min->epot = s_try->epot + 1;
2455         }
2456
2457         /* Print it if necessary  */
2458         if (MASTER(cr))
2459         {
2460             if (bVerbose)
2461             {
2462                 fprintf(stderr, "Step=%5d, Dmax= %6.1e nm, Epot= %12.5e Fmax= %11.5e, atom= %d%c",
2463                         count, ustep, s_try->epot, s_try->fmax, s_try->a_fmax+1,
2464                         (s_try->epot < s_min->epot) ? '\n' : '\r');
2465             }
2466
2467             if (s_try->epot < s_min->epot)
2468             {
2469                 /* Store the new (lower) energies  */
2470                 upd_mdebin(mdebin, FALSE, FALSE, (double)count,
2471                            mdatoms->tmass, enerd, &s_try->s, inputrec->fepvals, inputrec->expandedvals,
2472                            s_try->s.box, NULL, NULL, vir, pres, NULL, mu_tot, constr);
2473                 print_ebin(outf->fp_ene, TRUE,
2474                            do_per_step(steps_accepted, inputrec->nstdisreout),
2475                            do_per_step(steps_accepted, inputrec->nstorireout),
2476                            fplog, count, count, eprNORMAL, TRUE,
2477                            mdebin, fcd, &(top_global->groups), &(inputrec->opts));
2478                 fflush(fplog);
2479             }
2480         }
2481
2482         /* Now if the new energy is smaller than the previous...
2483          * or if this is the first step!
2484          * or if we did random steps!
2485          */
2486
2487         if ( (count == 0) || (s_try->epot < s_min->epot) )
2488         {
2489             steps_accepted++;
2490
2491             /* Test whether the convergence criterion is met...  */
2492             bDone = (s_try->fmax < inputrec->em_tol);
2493
2494             /* Copy the arrays for force, positions and energy  */
2495             /* The 'Min' array always holds the coords and forces of the minimal
2496                sampled energy  */
2497             swap_em_state(s_min, s_try);
2498             if (count > 0)
2499             {
2500                 ustep *= 1.2;
2501             }
2502
2503             /* Write to trn, if necessary */
2504             do_x = do_per_step(steps_accepted, inputrec->nstxout);
2505             do_f = do_per_step(steps_accepted, inputrec->nstfout);
2506             write_em_traj(fplog, cr, outf, do_x, do_f, NULL,
2507                           top_global, inputrec, count,
2508                           s_min, state_global, f_global);
2509         }
2510         else
2511         {
2512             /* If energy is not smaller make the step smaller...  */
2513             ustep *= 0.5;
2514
2515             if (DOMAINDECOMP(cr) && s_min->s.ddp_count != cr->dd->ddp_count)
2516             {
2517                 /* Reload the old state */
2518                 em_dd_partition_system(fplog, count, cr, top_global, inputrec,
2519                                        s_min, top, mdatoms, fr, vsite, constr,
2520                                        nrnb, wcycle);
2521             }
2522         }
2523
2524         /* Determine new step  */
2525         stepsize = ustep/s_min->fmax;
2526
2527         /* Check if stepsize is too small, with 1 nm as a characteristic length */
2528 #ifdef GMX_DOUBLE
2529         if (count == nsteps || ustep < 1e-12)
2530 #else
2531         if (count == nsteps || ustep < 1e-6)
2532 #endif
2533         {
2534             if (MASTER(cr))
2535             {
2536                 warn_step(stderr, inputrec->em_tol, count == nsteps, constr != NULL);
2537                 warn_step(fplog, inputrec->em_tol, count == nsteps, constr != NULL);
2538             }
2539             bAbort = TRUE;
2540         }
2541
2542         count++;
2543     } /* End of the loop  */
2544
2545     /* Print some shit...  */
2546     if (MASTER(cr))
2547     {
2548         fprintf(stderr, "\nwriting lowest energy coordinates.\n");
2549     }
2550     write_em_traj(fplog, cr, outf, TRUE, inputrec->nstfout, ftp2fn(efSTO, nfile, fnm),
2551                   top_global, inputrec, count,
2552                   s_min, state_global, f_global);
2553
2554     fnormn = s_min->fnorm/sqrt(state_global->natoms);
2555
2556     if (MASTER(cr))
2557     {
2558         print_converged(stderr, SD, inputrec->em_tol, count, bDone, nsteps,
2559                         s_min->epot, s_min->fmax, s_min->a_fmax, fnormn);
2560         print_converged(fplog, SD, inputrec->em_tol, count, bDone, nsteps,
2561                         s_min->epot, s_min->fmax, s_min->a_fmax, fnormn);
2562     }
2563
2564     finish_em(cr, outf, runtime, wcycle);
2565
2566     /* To print the actual number of steps we needed somewhere */
2567     inputrec->nsteps = count;
2568
2569     runtime->nsteps_done = count;
2570
2571     return 0;
2572 } /* That's all folks */
2573
2574
2575 double do_nm(FILE *fplog, t_commrec *cr,
2576              int nfile, const t_filenm fnm[],
2577              const output_env_t gmx_unused oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused  bCompact,
2578              int gmx_unused nstglobalcomm,
2579              gmx_vsite_t *vsite, gmx_constr_t constr,
2580              int gmx_unused stepout,
2581              t_inputrec *inputrec,
2582              gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
2583              t_state *state_global,
2584              t_mdatoms *mdatoms,
2585              t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
2586              gmx_edsam_t  gmx_unused ed,
2587              t_forcerec *fr,
2588              int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
2589              gmx_membed_t gmx_unused membed,
2590              real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
2591              const char gmx_unused *deviceOptions,
2592              unsigned long gmx_unused Flags,
2593              gmx_runtime_t *runtime)
2594 {
2595     const char          *NM = "Normal Mode Analysis";
2596     gmx_mdoutf_t        *outf;
2597     int                  natoms, atom, d;
2598     int                  nnodes, node;
2599     rvec                *f_global;
2600     gmx_localtop_t      *top;
2601     gmx_enerdata_t      *enerd;
2602     rvec                *f;
2603     gmx_global_stat_t    gstat;
2604     t_graph             *graph;
2605     real                 t, t0, lambda, lam0;
2606     gmx_bool             bNS;
2607     tensor               vir, pres;
2608     rvec                 mu_tot;
2609     rvec                *fneg, *dfdx;
2610     gmx_bool             bSparse; /* use sparse matrix storage format */
2611     size_t               sz=0;
2612     gmx_sparsematrix_t * sparse_matrix           = NULL;
2613     real           *     full_matrix             = NULL;
2614     em_state_t       *   state_work;
2615
2616     /* added with respect to mdrun */
2617     int        i, j, k, row, col;
2618     real       der_range = 10.0*sqrt(GMX_REAL_EPS);
2619     real       x_min;
2620     real       fnorm, fmax;
2621
2622     if (constr != NULL)
2623     {
2624         gmx_fatal(FARGS, "Constraints present with Normal Mode Analysis, this combination is not supported");
2625     }
2626
2627     state_work = init_em_state();
2628
2629     /* Init em and store the local state in state_minimum */
2630     init_em(fplog, NM, cr, inputrec,
2631             state_global, top_global, state_work, &top,
2632             &f, &f_global,
2633             nrnb, mu_tot, fr, &enerd, &graph, mdatoms, &gstat, vsite, constr,
2634             nfile, fnm, &outf, NULL);
2635
2636     natoms = top_global->natoms;
2637     snew(fneg, natoms);
2638     snew(dfdx, natoms);
2639
2640 #ifndef GMX_DOUBLE
2641     if (MASTER(cr))
2642     {
2643         fprintf(stderr,
2644                 "NOTE: This version of Gromacs has been compiled in single precision,\n"
2645                 "      which MIGHT not be accurate enough for normal mode analysis.\n"
2646                 "      Gromacs now uses sparse matrix storage, so the memory requirements\n"
2647                 "      are fairly modest even if you recompile in double precision.\n\n");
2648     }
2649 #endif
2650
2651     /* Check if we can/should use sparse storage format.
2652      *
2653      * Sparse format is only useful when the Hessian itself is sparse, which it
2654      * will be when we use a cutoff.
2655      * For small systems (n<1000) it is easier to always use full matrix format, though.
2656      */
2657     if (EEL_FULL(fr->eeltype) || fr->rlist == 0.0)
2658     {
2659         md_print_info(cr, fplog, "Non-cutoff electrostatics used, forcing full Hessian format.\n");
2660         bSparse = FALSE;
2661     }
2662     else if (top_global->natoms < 1000)
2663     {
2664         md_print_info(cr, fplog, "Small system size (N=%d), using full Hessian format.\n", top_global->natoms);
2665         bSparse = FALSE;
2666     }
2667     else
2668     {
2669         md_print_info(cr, fplog, "Using compressed symmetric sparse Hessian format.\n");
2670         bSparse = TRUE;
2671     }
2672
2673     if (MASTER(cr))
2674     {
2675         sz = DIM*top_global->natoms;
2676
2677         fprintf(stderr, "Allocating Hessian memory...\n\n");
2678
2679         if (bSparse)
2680         {
2681             sparse_matrix = gmx_sparsematrix_init(sz);
2682             sparse_matrix->compressed_symmetric = TRUE;
2683         }
2684         else
2685         {
2686             snew(full_matrix, sz*sz);
2687         }
2688     }
2689
2690     /* Initial values */
2691     t0           = inputrec->init_t;
2692     lam0         = inputrec->fepvals->init_lambda;
2693     t            = t0;
2694     lambda       = lam0;
2695
2696     init_nrnb(nrnb);
2697
2698     where();
2699
2700     /* Write start time and temperature */
2701     print_em_start(fplog, cr, runtime, wcycle, NM);
2702
2703     /* fudge nr of steps to nr of atoms */
2704     inputrec->nsteps = natoms*2;
2705
2706     if (MASTER(cr))
2707     {
2708         fprintf(stderr, "starting normal mode calculation '%s'\n%d steps.\n\n",
2709                 *(top_global->name), (int)inputrec->nsteps);
2710     }
2711
2712     nnodes = cr->nnodes;
2713
2714     /* Make evaluate_energy do a single node force calculation */
2715     cr->nnodes = 1;
2716     evaluate_energy(fplog, cr,
2717                     top_global, state_work, top,
2718                     inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
2719                     vsite, constr, fcd, graph, mdatoms, fr,
2720                     mu_tot, enerd, vir, pres, -1, TRUE);
2721     cr->nnodes = nnodes;
2722
2723     /* if forces are not small, warn user */
2724     get_state_f_norm_max(cr, &(inputrec->opts), mdatoms, state_work);
2725
2726     md_print_info(cr, fplog, "Maximum force:%12.5e\n", state_work->fmax);
2727     if (state_work->fmax > 1.0e-3)
2728     {
2729         md_print_info(cr, fplog,
2730                       "The force is probably not small enough to "
2731                       "ensure that you are at a minimum.\n"
2732                       "Be aware that negative eigenvalues may occur\n"
2733                       "when the resulting matrix is diagonalized.\n\n");
2734     }
2735
2736     /***********************************************************
2737      *
2738      *      Loop over all pairs in matrix
2739      *
2740      *      do_force called twice. Once with positive and
2741      *      once with negative displacement
2742      *
2743      ************************************************************/
2744
2745     /* Steps are divided one by one over the nodes */
2746     for (atom = cr->nodeid; atom < natoms; atom += nnodes)
2747     {
2748
2749         for (d = 0; d < DIM; d++)
2750         {
2751             x_min = state_work->s.x[atom][d];
2752
2753             state_work->s.x[atom][d] = x_min - der_range;
2754
2755             /* Make evaluate_energy do a single node force calculation */
2756             cr->nnodes = 1;
2757             evaluate_energy(fplog, cr,
2758                             top_global, state_work, top,
2759                             inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
2760                             vsite, constr, fcd, graph, mdatoms, fr,
2761                             mu_tot, enerd, vir, pres, atom*2, FALSE);
2762
2763             for (i = 0; i < natoms; i++)
2764             {
2765                 copy_rvec(state_work->f[i], fneg[i]);
2766             }
2767
2768             state_work->s.x[atom][d] = x_min + der_range;
2769
2770             evaluate_energy(fplog, cr,
2771                             top_global, state_work, top,
2772                             inputrec, nrnb, wcycle, gstat,
2773                             vsite, constr, fcd, graph, mdatoms, fr,
2774                             mu_tot, enerd, vir, pres, atom*2+1, FALSE);
2775             cr->nnodes = nnodes;
2776
2777             /* x is restored to original */
2778             state_work->s.x[atom][d] = x_min;
2779
2780             for (j = 0; j < natoms; j++)
2781             {
2782                 for (k = 0; (k < DIM); k++)
2783                 {
2784                     dfdx[j][k] =
2785                         -(state_work->f[j][k] - fneg[j][k])/(2*der_range);
2786                 }
2787             }
2788
2789             if (!MASTER(cr))
2790             {
2791 #ifdef GMX_MPI
2792 #ifdef GMX_DOUBLE
2793 #define mpi_type MPI_DOUBLE
2794 #else
2795 #define mpi_type MPI_FLOAT
2796 #endif
2797                 MPI_Send(dfdx[0], natoms*DIM, mpi_type, MASTERNODE(cr), cr->nodeid,
2798                          cr->mpi_comm_mygroup);
2799 #endif
2800             }
2801             else
2802             {
2803                 for (node = 0; (node < nnodes && atom+node < natoms); node++)
2804                 {
2805                     if (node > 0)
2806                     {
2807 #ifdef GMX_MPI
2808                         MPI_Status stat;
2809                         MPI_Recv(dfdx[0], natoms*DIM, mpi_type, node, node,
2810                                  cr->mpi_comm_mygroup, &stat);
2811 #undef mpi_type
2812 #endif
2813                     }
2814
2815                     row = (atom + node)*DIM + d;
2816
2817                     for (j = 0; j < natoms; j++)
2818                     {
2819                         for (k = 0; k < DIM; k++)
2820                         {
2821                             col = j*DIM + k;
2822
2823                             if (bSparse)
2824                             {
2825                                 if (col >= row && dfdx[j][k] != 0.0)
2826                                 {
2827                                     gmx_sparsematrix_increment_value(sparse_matrix,
2828                                                                      row, col, dfdx[j][k]);
2829                                 }
2830                             }
2831                             else
2832                             {
2833                                 full_matrix[row*sz+col] = dfdx[j][k];
2834                             }
2835                         }
2836                     }
2837                 }
2838             }
2839
2840             if (bVerbose && fplog)
2841             {
2842                 fflush(fplog);
2843             }
2844         }
2845         /* write progress */
2846         if (MASTER(cr) && bVerbose)
2847         {
2848             fprintf(stderr, "\rFinished step %d out of %d",
2849                     min(atom+nnodes, natoms), natoms);
2850             fflush(stderr);
2851         }
2852     }
2853
2854     if (MASTER(cr))
2855     {
2856         fprintf(stderr, "\n\nWriting Hessian...\n");
2857         gmx_mtxio_write(ftp2fn(efMTX, nfile, fnm), sz, sz, full_matrix, sparse_matrix);
2858     }
2859
2860     finish_em(cr, outf, runtime, wcycle);
2861
2862     runtime->nsteps_done = natoms*2;
2863
2864     return 0;
2865 }