src/gromacs/mdlib/shellfc.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2008, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  38 #include <config.h>
  39 #endif
  40
  41 #include <string.h>
  42 #include "typedefs.h"
  43 #include "smalloc.h"
  44 #include "gmx_fatal.h"
  45 #include "vec.h"
  46 #include "txtdump.h"
  47 #include "force.h"
  48 #include "mdrun.h"
  49 #include "partdec.h"
  50 #include "mdatoms.h"
  51 #include "vsite.h"
  52 #include "network.h"
  53 #include "names.h"
  54 #include "constr.h"
  55 #include "domdec.h"
  56 #include "partdec.h"
  57 #include "physics.h"
  58 #include "shellfc.h"
  59 #include "mtop_util.h"
  60 #include "chargegroup.h"
  61 #include "macros.h"
  62
  63
  64 typedef struct {
  65     int     nnucl;
  66     atom_id shell;               /* The shell id                                */
  67     atom_id nucl1, nucl2, nucl3; /* The nuclei connected to the shell   */
  68     /* gmx_bool    bInterCG; */       /* Coupled to nuclei outside cg?        */
  69     real    k;                   /* force constant                      */
  70     real    k_1;                 /* 1 over force constant               */
  71     rvec    xold;
  72     rvec    fold;
  73     rvec    step;
  74 } t_shell;
  75
  76 typedef struct gmx_shellfc {
  77     int         nshell_gl;      /* The number of shells in the system       */
  78     t_shell    *shell_gl;       /* All the shells (for DD only)             */
  79     int        *shell_index_gl; /* Global shell index (for DD only)         */
  80     gmx_bool    bInterCG;       /* Are there inter charge-group shells?     */
  81     int         nshell;         /* The number of local shells               */
  82     t_shell    *shell;          /* The local shells                         */
  83     int         shell_nalloc;   /* The allocation size of shell             */
  84     gmx_bool    bPredict;       /* Predict shell positions                  */
  85     gmx_bool    bRequireInit;   /* Require initialization of shell positions  */
  86     int         nflexcon;       /* The number of flexible constraints       */
  87     rvec       *x[2];           /* Array for iterative minimization         */
  88     rvec       *f[2];           /* Array for iterative minimization         */
  89     int         x_nalloc;       /* The allocation size of x and f           */
  90     rvec       *acc_dir;        /* Acceleration direction for flexcon       */
  91     rvec       *x_old;          /* Old coordinates for flexcon              */
  92     int         flex_nalloc;    /* The allocation size of acc_dir and x_old */
  93     rvec       *adir_xnold;     /* Work space for init_adir                 */
  94     rvec       *adir_xnew;      /* Work space for init_adir                 */
  95     int         adir_nalloc;    /* Work space for init_adir                 */
  96 } t_gmx_shellfc;
  97
  98
  99 static void pr_shell(FILE *fplog, int ns, t_shell s[])
 100 {
 101     int i;
 102
 103     fprintf(fplog, "SHELL DATA\n");
 104     fprintf(fplog, "%5s  %8s  %5s  %5s  %5s\n",
 105             "Shell", "Force k", "Nucl1", "Nucl2", "Nucl3");
 106     for (i = 0; (i < ns); i++)
 107     {
 108         fprintf(fplog, "%5d  %8.3f  %5d", s[i].shell, 1.0/s[i].k_1, s[i].nucl1);
 109         if (s[i].nnucl == 2)
 110         {
 111             fprintf(fplog, "  %5d\n", s[i].nucl2);
 112         }
 113         else if (s[i].nnucl == 3)
 114         {
 115             fprintf(fplog, "  %5d  %5d\n", s[i].nucl2, s[i].nucl3);
 116         }
 117         else
 118         {
 119             fprintf(fplog, "\n");
 120         }
 121     }
 122 }
 123
 124 static void predict_shells(FILE *fplog, rvec x[], rvec v[], real dt,
 125                            int ns, t_shell s[],
 126                            real mass[], gmx_mtop_t *mtop, gmx_bool bInit)
 127 {
 128     int                   i, m, s1, n1, n2, n3;
 129     real                  dt_1, dt_2, dt_3, fudge, tm, m1, m2, m3;
 130     rvec                 *ptr;
 131     gmx_mtop_atomlookup_t alook = NULL;
 132     t_atom               *atom;
 133
 134     if (mass == NULL)
 135     {
 136         alook = gmx_mtop_atomlookup_init(mtop);
 137     }
 138
 139     /* We introduce a fudge factor for performance reasons: with this choice
 140      * the initial force on the shells is about a factor of two lower than
 141      * without
 142      */
 143     fudge = 1.0;
 144
 145     if (bInit)
 146     {
 147         if (fplog)
 148         {
 149             fprintf(fplog, "RELAX: Using prediction for initial shell placement\n");
 150         }
 151         ptr  = x;
 152         dt_1 = 1;
 153     }
 154     else
 155     {
 156         ptr  = v;
 157         dt_1 = fudge*dt;
 158     }
 159
 160     for (i = 0; (i < ns); i++)
 161     {
 162         s1 = s[i].shell;
 163         if (bInit)
 164         {
 165             clear_rvec(x[s1]);
 166         }
 167         switch (s[i].nnucl)
 168         {
 169             case 1:
 170                 n1 = s[i].nucl1;
 171                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
 172                 {
 173                     x[s1][m] += ptr[n1][m]*dt_1;
 174                 }
 175                 break;
 176             case 2:
 177                 n1 = s[i].nucl1;
 178                 n2 = s[i].nucl2;
 179                 if (mass)
 180                 {
 181                     m1 = mass[n1];
 182                     m2 = mass[n2];
 183                 }
 184                 else
 185                 {
 186                     /* Not the correct masses with FE, but it is just a prediction... */
 187                     m1 = atom[n1].m;
 188                     m2 = atom[n2].m;
 189                 }
 190                 tm = dt_1/(m1+m2);
 191                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
 192                 {
 193                     x[s1][m] += (m1*ptr[n1][m]+m2*ptr[n2][m])*tm;
 194                 }
 195                 break;
 196             case 3:
 197                 n1 = s[i].nucl1;
 198                 n2 = s[i].nucl2;
 199                 n3 = s[i].nucl3;
 200                 if (mass)
 201                 {
 202                     m1 = mass[n1];
 203                     m2 = mass[n2];
 204                     m3 = mass[n3];
 205                 }
 206                 else
 207                 {
 208                     /* Not the correct masses with FE, but it is just a prediction... */
 209                     gmx_mtop_atomnr_to_atom(alook, n1, &atom);
 210                     m1 = atom->m;
 211                     gmx_mtop_atomnr_to_atom(alook, n2, &atom);
 212                     m2 = atom->m;
 213                     gmx_mtop_atomnr_to_atom(alook, n3, &atom);
 214                     m3 = atom->m;
 215                 }
 216                 tm = dt_1/(m1+m2+m3);
 217                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
 218                 {
 219                     x[s1][m] += (m1*ptr[n1][m]+m2*ptr[n2][m]+m3*ptr[n3][m])*tm;
 220                 }
 221                 break;
 222             default:
 223                 gmx_fatal(FARGS, "Shell %d has %d nuclei!", i, s[i].nnucl);
 224         }
 225     }
 226
 227     if (mass == NULL)
 228     {
 229         gmx_mtop_atomlookup_destroy(alook);
 230     }
 231 }
 232
 233 gmx_shellfc_t init_shell_flexcon(FILE *fplog,
 234                                  gmx_mtop_t *mtop, int nflexcon,
 235                                  rvec *x)
 236 {
 237     struct gmx_shellfc       *shfc;
 238     t_shell                  *shell;
 239     int                      *shell_index = NULL, *at2cg;
 240     t_atom                   *atom;
 241     int                       n[eptNR], ns, nshell, nsi;
 242     int                       i, j, nmol, type, mb, mt, a_offset, cg, mol, ftype, nra;
 243     real                      qS, alpha;
 244     int                       aS, aN = 0; /* Shell and nucleus */
 245     int                       bondtypes[] = { F_BONDS, F_HARMONIC, F_CUBICBONDS, F_POLARIZATION, F_ANHARM_POL, F_WATER_POL };
 246 #define NBT asize(bondtypes)
 247     t_iatom                  *ia;
 248     gmx_mtop_atomloop_block_t aloopb;
 249     gmx_mtop_atomloop_all_t   aloop;
 250     gmx_ffparams_t           *ffparams;
 251     gmx_molblock_t           *molb;
 252     gmx_moltype_t            *molt;
 253     t_block                  *cgs;
 254
 255     /* Count number of shells, and find their indices */
 256     for (i = 0; (i < eptNR); i++)
 257     {
 258         n[i] = 0;
 259     }
 260
 261     aloopb = gmx_mtop_atomloop_block_init(mtop);
 262     while (gmx_mtop_atomloop_block_next(aloopb, &atom, &nmol))
 263     {
 264         n[atom->ptype] += nmol;
 265     }
 266
 267     if (fplog)
 268     {
 269         /* Print the number of each particle type */
 270         for (i = 0; (i < eptNR); i++)
 271         {
 272             if (n[i] != 0)
 273             {
 274                 fprintf(fplog, "There are: %d %ss\n", n[i], ptype_str[i]);
 275             }
 276         }
 277     }
 278
 279     nshell = n[eptShell];
 280
 281     if (nshell == 0 && nflexcon == 0)
 282     {
 283         return NULL;
 284     }
 285
 286     snew(shfc, 1);
 287     shfc->nflexcon = nflexcon;
 288
 289     if (nshell == 0)
 290     {
 291         return shfc;
 292     }
 293
 294     /* We have shells: fill the shell data structure */
 295
 296     /* Global system sized array, this should be avoided */
 297     snew(shell_index, mtop->natoms);
 298
 299     aloop  = gmx_mtop_atomloop_all_init(mtop);
 300     nshell = 0;
 301     while (gmx_mtop_atomloop_all_next(aloop, &i, &atom))
 302     {
 303         if (atom->ptype == eptShell)
 304         {
 305             shell_index[i] = nshell++;
 306         }
 307     }
 308
 309     snew(shell, nshell);
 310
 311     /* Initiate the shell structures */
 312     for (i = 0; (i < nshell); i++)
 313     {
 314         shell[i].shell = NO_ATID;
 315         shell[i].nnucl = 0;
 316         shell[i].nucl1 = NO_ATID;
 317         shell[i].nucl2 = NO_ATID;
 318         shell[i].nucl3 = NO_ATID;
 319         /* shell[i].bInterCG=FALSE; */
 320         shell[i].k_1   = 0;
 321         shell[i].k     = 0;
 322     }
 323
 324     ffparams = &mtop->ffparams;
 325
 326     /* Now fill the structures */
 327     shfc->bInterCG = FALSE;
 328     ns             = 0;
 329     a_offset       = 0;
 330     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 331     {
 332         molb = &mtop->molblock[mb];
 333         molt = &mtop->moltype[molb->type];
 334
 335         cgs = &molt->cgs;
 336         snew(at2cg, molt->atoms.nr);
 337         for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 338         {
 339             for (i = cgs->index[cg]; i < cgs->index[cg+1]; i++)
 340             {
 341                 at2cg[i] = cg;
 342             }
 343         }
 344
 345         atom = molt->atoms.atom;
 346         for (mol = 0; mol < molb->nmol; mol++)
 347         {
 348             for (j = 0; (j < NBT); j++)
 349             {
 350                 ia = molt->ilist[bondtypes[j]].iatoms;
 351                 for (i = 0; (i < molt->ilist[bondtypes[j]].nr); )
 352                 {
 353                     type  = ia[0];
 354                     ftype = ffparams->functype[type];
 355                     nra   = interaction_function[ftype].nratoms;
 356
 357                     /* Check whether we have a bond with a shell */
 358                     aS = NO_ATID;
 359
 360                     switch (bondtypes[j])
 361                     {
 362                         case F_BONDS:
 363                         case F_HARMONIC:
 364                         case F_CUBICBONDS:
 365                         case F_POLARIZATION:
 366                         case F_ANHARM_POL:
 367                             if (atom[ia[1]].ptype == eptShell)
 368                             {
 369                                 aS = ia[1];
 370                                 aN = ia[2];
 371                             }
 372                             else if (atom[ia[2]].ptype == eptShell)
 373                             {
 374                                 aS = ia[2];
 375                                 aN = ia[1];
 376                             }
 377                             break;
 378                         case F_WATER_POL:
 379                             aN    = ia[4]; /* Dummy */
 380                             aS    = ia[5]; /* Shell */
 381                             break;
 382                         default:
 383                             gmx_fatal(FARGS, "Death Horror: %s, %d", __FILE__, __LINE__);
 384                     }
 385
 386                     if (aS != NO_ATID)
 387                     {
 388                         qS = atom[aS].q;
 389
 390                         /* Check whether one of the particles is a shell... */
 391                         nsi = shell_index[a_offset+aS];
 392                         if ((nsi < 0) || (nsi >= nshell))
 393                         {
 394                             gmx_fatal(FARGS, "nsi is %d should be within 0 - %d. aS = %d",
 395                                       nsi, nshell, aS);
 396                         }
 397                         if (shell[nsi].shell == NO_ATID)
 398                         {
 399                             shell[nsi].shell = a_offset + aS;
 400                             ns++;
 401                         }
 402                         else if (shell[nsi].shell != a_offset+aS)
 403                         {
 404                             gmx_fatal(FARGS, "Weird stuff in %s, %d", __FILE__, __LINE__);
 405                         }
 406
 407                         if      (shell[nsi].nucl1 == NO_ATID)
 408                         {
 409                             shell[nsi].nucl1 = a_offset + aN;
 410                         }
 411                         else if (shell[nsi].nucl2 == NO_ATID)
 412                         {
 413                             shell[nsi].nucl2 = a_offset + aN;
 414                         }
 415                         else if (shell[nsi].nucl3 == NO_ATID)
 416                         {
 417                             shell[nsi].nucl3 = a_offset + aN;
 418                         }
 419                         else
 420                         {
 421                             if (fplog)
 422                             {
 423                                 pr_shell(fplog, ns, shell);
 424                             }
 425                             gmx_fatal(FARGS, "Can not handle more than three bonds per shell\n");
 426                         }
 427                         if (at2cg[aS] != at2cg[aN])
 428                         {
 429                             /* shell[nsi].bInterCG = TRUE; */
 430                             shfc->bInterCG = TRUE;
 431                         }
 432
 433                         switch (bondtypes[j])
 434                         {
 435                             case F_BONDS:
 436                             case F_HARMONIC:
 437                                 shell[nsi].k    += ffparams->iparams[type].harmonic.krA;
 438                                 break;
 439                             case F_CUBICBONDS:
 440                                 shell[nsi].k    += ffparams->iparams[type].cubic.kb;
 441                                 break;
 442                             case F_POLARIZATION:
 443                             case F_ANHARM_POL:
 444                                 if (!gmx_within_tol(qS, atom[aS].qB, GMX_REAL_EPS*10))
 445                                 {
 446                                     gmx_fatal(FARGS, "polarize can not be used with qA(%e) != qB(%e) for atom %d of molecule block %d", qS, atom[aS].qB, aS+1, mb+1);
 447                                 }
 448                                 shell[nsi].k    += sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/
 449                                     ffparams->iparams[type].polarize.alpha;
 450                                 break;
 451                             case F_WATER_POL:
 452                                 if (!gmx_within_tol(qS, atom[aS].qB, GMX_REAL_EPS*10))
 453                                 {
 454                                     gmx_fatal(FARGS, "water_pol can not be used with qA(%e) != qB(%e) for atom %d of molecule block %d", qS, atom[aS].qB, aS+1, mb+1);
 455                                 }
 456                                 alpha          = (ffparams->iparams[type].wpol.al_x+
 457                                                   ffparams->iparams[type].wpol.al_y+
 458                                                   ffparams->iparams[type].wpol.al_z)/3.0;
 459                                 shell[nsi].k  += sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/alpha;
 460                                 break;
 461                             default:
 462                                 gmx_fatal(FARGS, "Death Horror: %s, %d", __FILE__, __LINE__);
 463                         }
 464                         shell[nsi].nnucl++;
 465                     }
 466                     ia += nra+1;
 467                     i  += nra+1;
 468                 }
 469             }
 470             a_offset += molt->atoms.nr;
 471         }
 472         /* Done with this molecule type */
 473         sfree(at2cg);
 474     }
 475
 476     /* Verify whether it's all correct */
 477     if (ns != nshell)
 478     {
 479         gmx_fatal(FARGS, "Something weird with shells. They may not be bonded to something");
 480     }
 481
 482     for (i = 0; (i < ns); i++)
 483     {
 484         shell[i].k_1 = 1.0/shell[i].k;
 485     }
 486
 487     if (debug)
 488     {
 489         pr_shell(debug, ns, shell);
 490     }
 491
 492
 493     shfc->nshell_gl      = ns;
 494     shfc->shell_gl       = shell;
 495     shfc->shell_index_gl = shell_index;
 496
 497     shfc->bPredict     = (getenv("GMX_NOPREDICT") == NULL);
 498     shfc->bRequireInit = FALSE;
 499     if (!shfc->bPredict)
 500     {
 501         if (fplog)
 502         {
 503             fprintf(fplog, "\nWill never predict shell positions\n");
 504         }
 505     }
 506     else
 507     {
 508         shfc->bRequireInit = (getenv("GMX_REQUIRE_SHELL_INIT") != NULL);
 509         if (shfc->bRequireInit && fplog)
 510         {
 511             fprintf(fplog, "\nWill always initiate shell positions\n");
 512         }
 513     }
 514
 515     if (shfc->bPredict)
 516     {
 517         if (x)
 518         {
 519             predict_shells(fplog, x, NULL, 0, shfc->nshell_gl, shfc->shell_gl,
 520                            NULL, mtop, TRUE);
 521         }
 522
 523         if (shfc->bInterCG)
 524         {
 525             if (fplog)
 526             {
 527                 fprintf(fplog, "\nNOTE: there all shells that are connected to particles outside thier own charge group, will not predict shells positions during the run\n\n");
 528             }
 529             shfc->bPredict = FALSE;
 530         }
 531     }
 532
 533     return shfc;
 534 }
 535
 536 void make_local_shells(t_commrec *cr, t_mdatoms *md,
 537                        struct gmx_shellfc *shfc)
 538 {
 539     t_shell      *shell;
 540     int           a0, a1, *ind, nshell, i;
 541     gmx_domdec_t *dd = NULL;
 542
 543     if (PAR(cr))
 544     {
 545         if (DOMAINDECOMP(cr))
 546         {
 547             dd = cr->dd;
 548             a0 = 0;
 549             a1 = dd->nat_home;
 550         }
 551         else
 552         {
 553             pd_at_range(cr, &a0, &a1);
 554         }
 555     }
 556     else
 557     {
 558         /* Single node: we need all shells, just copy the pointer */
 559         shfc->nshell = shfc->nshell_gl;
 560         shfc->shell  = shfc->shell_gl;
 561
 562         return;
 563     }
 564
 565     ind = shfc->shell_index_gl;
 566
 567     nshell = 0;
 568     shell  = shfc->shell;
 569     for (i = a0; i < a1; i++)
 570     {
 571         if (md->ptype[i] == eptShell)
 572         {
 573             if (nshell+1 > shfc->shell_nalloc)
 574             {
 575                 shfc->shell_nalloc = over_alloc_dd(nshell+1);
 576                 srenew(shell, shfc->shell_nalloc);
 577             }
 578             if (dd)
 579             {
 580                 shell[nshell] = shfc->shell_gl[ind[dd->gatindex[i]]];
 581             }
 582             else
 583             {
 584                 shell[nshell] = shfc->shell_gl[ind[i]];
 585             }
 586             /* With inter-cg shells we can no do shell prediction,
 587              * so we do not need the nuclei numbers.
 588              */
 589             if (!shfc->bInterCG)
 590             {
 591                 shell[nshell].nucl1   = i + shell[nshell].nucl1 - shell[nshell].shell;
 592                 if (shell[nshell].nnucl > 1)
 593                 {
 594                     shell[nshell].nucl2 = i + shell[nshell].nucl2 - shell[nshell].shell;
 595                 }
 596                 if (shell[nshell].nnucl > 2)
 597                 {
 598                     shell[nshell].nucl3 = i + shell[nshell].nucl3 - shell[nshell].shell;
 599                 }
 600             }
 601             shell[nshell].shell = i;
 602             nshell++;
 603         }
 604     }
 605
 606     shfc->nshell = nshell;
 607     shfc->shell  = shell;
 608 }
 609
 610 static void do_1pos(rvec xnew, rvec xold, rvec f, real step)
 611 {
 612     real xo, yo, zo;
 613     real dx, dy, dz;
 614
 615     xo = xold[XX];
 616     yo = xold[YY];
 617     zo = xold[ZZ];
 618
 619     dx = f[XX]*step;
 620     dy = f[YY]*step;
 621     dz = f[ZZ]*step;
 622
 623     xnew[XX] = xo+dx;
 624     xnew[YY] = yo+dy;
 625     xnew[ZZ] = zo+dz;
 626 }
 627
 628 static void do_1pos3(rvec xnew, rvec xold, rvec f, rvec step)
 629 {
 630     real xo, yo, zo;
 631     real dx, dy, dz;
 632
 633     xo = xold[XX];
 634     yo = xold[YY];
 635     zo = xold[ZZ];
 636
 637     dx = f[XX]*step[XX];
 638     dy = f[YY]*step[YY];
 639     dz = f[ZZ]*step[ZZ];
 640
 641     xnew[XX] = xo+dx;
 642     xnew[YY] = yo+dy;
 643     xnew[ZZ] = zo+dz;
 644 }
 645
 646 static void directional_sd(rvec xold[], rvec xnew[], rvec acc_dir[],
 647                            int start, int homenr, real step)
 648 {
 649     int  i;
 650
 651     for (i = start; i < homenr; i++)
 652     {
 653         do_1pos(xnew[i], xold[i], acc_dir[i], step);
 654     }
 655 }
 656
 657 static void shell_pos_sd(rvec xcur[], rvec xnew[], rvec f[],
 658                          int ns, t_shell s[], int count)
 659 {
 660     const real step_scale_min       = 0.8,
 661                step_scale_increment = 0.2,
 662                step_scale_max       = 1.2,
 663                step_scale_multiple  = (step_scale_max - step_scale_min) / step_scale_increment;
 664     int  i, shell, d;
 665     real dx, df, k_est;
 666 #ifdef PRINT_STEP
 667     real step_min, step_max;
 668
 669     step_min = 1e30;
 670     step_max = 0;
 671 #endif
 672     for (i = 0; (i < ns); i++)
 673     {
 674         shell = s[i].shell;
 675         if (count == 1)
 676         {
 677             for (d = 0; d < DIM; d++)
 678             {
 679                 s[i].step[d] = s[i].k_1;
 680 #ifdef PRINT_STEP
 681                 step_min = min(step_min, s[i].step[d]);
 682                 step_max = max(step_max, s[i].step[d]);
 683 #endif
 684             }
 685         }
 686         else
 687         {
 688             for (d = 0; d < DIM; d++)
 689             {
 690                 dx = xcur[shell][d] - s[i].xold[d];
 691                 df =    f[shell][d] - s[i].fold[d];
 692                 /* -dx/df gets used to generate an interpolated value, but would
 693                  * cause a NaN if df were binary-equal to zero. Values close to
 694                  * zero won't cause problems (because of the min() and max()), so
 695                  * just testing for binary inequality is OK. */
 696                 if (0.0 != df)
 697                 {
 698                     k_est = -dx/df;
 699                     /* Scale the step size by a factor interpolated from
 700                      * step_scale_min to step_scale_max, as k_est goes from 0 to
 701                      * step_scale_multiple * s[i].step[d] */
 702                     s[i].step[d] =
 703                         step_scale_min * s[i].step[d] +
 704                         step_scale_increment * min(step_scale_multiple * s[i].step[d], max(k_est, 0));
 705                 }
 706                 else
 707                 {
 708                     /* Here 0 == df */
 709                     if (gmx_numzero(dx)) /* 0 == dx */
 710                     {
 711                         /* Likely this will never happen, but if it does just
 712                          * don't scale the step. */
 713                     }
 714                     else /* 0 != dx */
 715                     {
 716                         s[i].step[d] *= step_scale_max;
 717                     }
 718                 }
 719 #ifdef PRINT_STEP
 720                 step_min = min(step_min, s[i].step[d]);
 721                 step_max = max(step_max, s[i].step[d]);
 722 #endif
 723             }
 724         }
 725         copy_rvec(xcur[shell], s[i].xold);
 726         copy_rvec(f[shell],   s[i].fold);
 727
 728         do_1pos3(xnew[shell], xcur[shell], f[shell], s[i].step);
 729
 730         if (gmx_debug_at)
 731         {
 732             fprintf(debug, "shell[%d] = %d\n", i, shell);
 733             pr_rvec(debug, 0, "fshell", f[shell], DIM, TRUE);
 734             pr_rvec(debug, 0, "xold", xcur[shell], DIM, TRUE);
 735             pr_rvec(debug, 0, "step", s[i].step, DIM, TRUE);
 736             pr_rvec(debug, 0, "xnew", xnew[shell], DIM, TRUE);
 737         }
 738     }
 739 #ifdef PRINT_STEP
 740     printf("step %.3e %.3e\n", step_min, step_max);
 741 #endif
 742 }
 743
 744 static void decrease_step_size(int nshell, t_shell s[])
 745 {
 746     int i;
 747
 748     for (i = 0; i < nshell; i++)
 749     {
 750         svmul(0.8, s[i].step, s[i].step);
 751     }
 752 }
 753
 754 static void print_epot(FILE *fp, gmx_int64_t mdstep, int count, real epot, real df,
 755                        int ndir, real sf_dir)
 756 {
 757     char buf[22];
 758
 759     fprintf(fp, "MDStep=%5s/%2d EPot: %12.8e, rmsF: %6.2e",
 760             gmx_step_str(mdstep, buf), count, epot, df);
 761     if (ndir)
 762     {
 763         fprintf(fp, ", dir. rmsF: %6.2e\n", sqrt(sf_dir/ndir));
 764     }
 765     else
 766     {
 767         fprintf(fp, "\n");
 768     }
 769 }
 770
 771
 772 static real rms_force(t_commrec *cr, rvec f[], int ns, t_shell s[],
 773                       int ndir, real *sf_dir, real *Epot)
 774 {
 775     int    i, shell, ntot;
 776     double buf[4];
 777
 778     buf[0] = *sf_dir;
 779     for (i = 0; i < ns; i++)
 780     {
 781         shell    = s[i].shell;
 782         buf[0]  += norm2(f[shell]);
 783     }
 784     ntot = ns;
 785
 786     if (PAR(cr))
 787     {
 788         buf[1] = ntot;
 789         buf[2] = *sf_dir;
 790         buf[3] = *Epot;
 791         gmx_sumd(4, buf, cr);
 792         ntot    = (int)(buf[1] + 0.5);
 793         *sf_dir = buf[2];
 794         *Epot   = buf[3];
 795     }
 796     ntot += ndir;
 797
 798     return (ntot ? sqrt(buf[0]/ntot) : 0);
 799 }
 800
 801 static void check_pbc(FILE *fp, rvec x[], int shell)
 802 {
 803     int m, now;
 804
 805     now = shell-4;
 806     for (m = 0; (m < DIM); m++)
 807     {
 808         if (fabs(x[shell][m]-x[now][m]) > 0.3)
 809         {
 810             pr_rvecs(fp, 0, "SHELL-X", x+now, 5);
 811             break;
 812         }
 813     }
 814 }
 815
 816 static void dump_shells(FILE *fp, rvec x[], rvec f[], real ftol, int ns, t_shell s[])
 817 {
 818     int  i, shell;
 819     real ft2, ff2;
 820
 821     ft2 = sqr(ftol);
 822
 823     for (i = 0; (i < ns); i++)
 824     {
 825         shell = s[i].shell;
 826         ff2   = iprod(f[shell], f[shell]);
 827         if (ff2 > ft2)
 828         {
 829             fprintf(fp, "SHELL %5d, force %10.5f  %10.5f  %10.5f, |f| %10.5f\n",
 830                     shell, f[shell][XX], f[shell][YY], f[shell][ZZ], sqrt(ff2));
 831         }
 832         check_pbc(fp, x, shell);
 833     }
 834 }
 835
 836 static void init_adir(FILE *log, gmx_shellfc_t shfc,
 837                       gmx_constr_t constr, t_idef *idef, t_inputrec *ir,
 838                       t_commrec *cr, int dd_ac1,
 839                       gmx_int64_t step, t_mdatoms *md, int start, int end,
 840                       rvec *x_old, rvec *x_init, rvec *x,
 841                       rvec *f, rvec *acc_dir,
 842                       gmx_bool bMolPBC, matrix box,
 843                       real *lambda, real *dvdlambda, t_nrnb *nrnb)
 844 {
 845     rvec           *xnold, *xnew;
 846     double          w_dt;
 847     int             gf, ga, gt;
 848     real            dt, scale;
 849     int             n, d;
 850     unsigned short *ptype;
 851     rvec            p, dx;
 852
 853     if (DOMAINDECOMP(cr))
 854     {
 855         n = dd_ac1;
 856     }
 857     else
 858     {
 859         n = end - start;
 860     }
 861     if (n > shfc->adir_nalloc)
 862     {
 863         shfc->adir_nalloc = over_alloc_dd(n);
 864         srenew(shfc->adir_xnold, shfc->adir_nalloc);
 865         srenew(shfc->adir_xnew, shfc->adir_nalloc);
 866     }
 867     xnold = shfc->adir_xnold;
 868     xnew  = shfc->adir_xnew;
 869
 870     ptype = md->ptype;
 871
 872     dt = ir->delta_t;
 873
 874     /* Does NOT work with freeze or acceleration groups (yet) */
 875     for (n = start; n < end; n++)
 876     {
 877         w_dt = md->invmass[n]*dt;
 878
 879         for (d = 0; d < DIM; d++)
 880         {
 881             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell))
 882             {
 883                 xnold[n-start][d] = x[n][d] - (x_init[n][d] - x_old[n][d]);
 884                 xnew[n-start][d]  = 2*x[n][d] - x_old[n][d] + f[n][d]*w_dt*dt;
 885             }
 886             else
 887             {
 888                 xnold[n-start][d] = x[n][d];
 889                 xnew[n-start][d]  = x[n][d];
 890             }
 891         }
 892     }
 893     constrain(log, FALSE, FALSE, constr, idef, ir, NULL, cr, step, 0, md,
 894               x, xnold-start, NULL, bMolPBC, box,
 895               lambda[efptBONDED], &(dvdlambda[efptBONDED]),
 896               NULL, NULL, nrnb, econqCoord, FALSE, 0, 0);
 897     constrain(log, FALSE, FALSE, constr, idef, ir, NULL, cr, step, 0, md,
 898               x, xnew-start, NULL, bMolPBC, box,
 899               lambda[efptBONDED], &(dvdlambda[efptBONDED]),
 900               NULL, NULL, nrnb, econqCoord, FALSE, 0, 0);
 901
 902     for (n = start; n < end; n++)
 903     {
 904         for (d = 0; d < DIM; d++)
 905         {
 906             xnew[n-start][d] =
 907                 -(2*x[n][d]-xnold[n-start][d]-xnew[n-start][d])/sqr(dt)
 908                 - f[n][d]*md->invmass[n];
 909         }
 910         clear_rvec(acc_dir[n]);
 911     }
 912
 913     /* Project the acceleration on the old bond directions */
 914     constrain(log, FALSE, FALSE, constr, idef, ir, NULL, cr, step, 0, md,
 915               x_old, xnew-start, acc_dir, bMolPBC, box,
 916               lambda[efptBONDED], &(dvdlambda[efptBONDED]),
 917               NULL, NULL, nrnb, econqDeriv_FlexCon, FALSE, 0, 0);
 918 }
 919
 920 int relax_shell_flexcon(FILE *fplog, t_commrec *cr, gmx_bool bVerbose,
 921                         gmx_int64_t mdstep, t_inputrec *inputrec,
 922                         gmx_bool bDoNS, int force_flags,
 923                         gmx_localtop_t *top,
 924                         gmx_constr_t constr,
 925                         gmx_enerdata_t *enerd, t_fcdata *fcd,
 926                         t_state *state, rvec f[],
 927                         tensor force_vir,
 928                         t_mdatoms *md,
 929                         t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 930                         t_graph *graph,
 931                         gmx_groups_t *groups,
 932                         struct gmx_shellfc *shfc,
 933                         t_forcerec *fr,
 934                         gmx_bool bBornRadii,
 935                         double t, rvec mu_tot,
 936                         gmx_bool *bConverged,
 937                         gmx_vsite_t *vsite,
 938                         FILE *fp_field)
 939 {
 940     int        nshell;
 941     t_shell   *shell;
 942     t_idef    *idef;
 943     rvec      *pos[2], *force[2], *acc_dir = NULL, *x_old = NULL;
 944     real       Epot[2], df[2];
 945     rvec       dx;
 946     real       sf_dir, invdt;
 947     real       ftol, xiH, xiS, dum = 0;
 948     char       sbuf[22];
 949     gmx_bool   bCont, bInit;
 950     int        nat, dd_ac0, dd_ac1 = 0, i;
 951     int        start = md->start, homenr = md->homenr, end = start+homenr, cg0, cg1;
 952     int        nflexcon, g, number_steps, d, Min = 0, count = 0;
 953 #define  Try (1-Min)             /* At start Try = 1 */
 954
 955     bCont        = (mdstep == inputrec->init_step) && inputrec->bContinuation;
 956     bInit        = (mdstep == inputrec->init_step) || shfc->bRequireInit;
 957     ftol         = inputrec->em_tol;
 958     number_steps = inputrec->niter;
 959     nshell       = shfc->nshell;
 960     shell        = shfc->shell;
 961     nflexcon     = shfc->nflexcon;
 962
 963     idef = &top->idef;
 964
 965     if (DOMAINDECOMP(cr))
 966     {
 967         nat = dd_natoms_vsite(cr->dd);
 968         if (nflexcon > 0)
 969         {
 970             dd_get_constraint_range(cr->dd, &dd_ac0, &dd_ac1);
 971             nat = max(nat, dd_ac1);
 972         }
 973     }
 974     else
 975     {
 976         nat = state->natoms;
 977     }
 978
 979     if (nat > shfc->x_nalloc)
 980     {
 981         /* Allocate local arrays */
 982         shfc->x_nalloc = over_alloc_dd(nat);
 983         for (i = 0; (i < 2); i++)
 984         {
 985             srenew(shfc->x[i], shfc->x_nalloc);
 986             srenew(shfc->f[i], shfc->x_nalloc);
 987         }
 988     }
 989     for (i = 0; (i < 2); i++)
 990     {
 991         pos[i]   = shfc->x[i];
 992         force[i] = shfc->f[i];
 993     }
 994
 995     /* With particle decomposition this code only works
 996      * when all particles involved with each shell are in the same cg.
 997      */
 998
 999     if (bDoNS && inputrec->ePBC != epbcNONE && !DOMAINDECOMP(cr))
1000     {
1001         /* This is the only time where the coordinates are used
1002          * before do_force is called, which normally puts all
1003          * charge groups in the box.
1004          */
1005         if (PARTDECOMP(cr))
1006         {
1007             pd_cg_range(cr, &cg0, &cg1);
1008         }
1009         else
1010         {
1011             cg0 = 0;
1012             cg1 = top->cgs.nr;
1013         }
1014         put_charge_groups_in_box(fplog, cg0, cg1, fr->ePBC, state->box,
1015                                  &(top->cgs), state->x, fr->cg_cm);
1016         if (graph)
1017         {
1018             mk_mshift(fplog, graph, fr->ePBC, state->box, state->x);
1019         }
1020     }
1021
1022     /* After this all coordinate arrays will contain whole molecules */
1023     if (graph)
1024     {
1025         shift_self(graph, state->box, state->x);
1026     }
1027
1028     if (nflexcon)
1029     {
1030         if (nat > shfc->flex_nalloc)
1031         {
1032             shfc->flex_nalloc = over_alloc_dd(nat);
1033             srenew(shfc->acc_dir, shfc->flex_nalloc);
1034             srenew(shfc->x_old, shfc->flex_nalloc);
1035         }
1036         acc_dir = shfc->acc_dir;
1037         x_old   = shfc->x_old;
1038         for (i = 0; i < homenr; i++)
1039         {
1040             for (d = 0; d < DIM; d++)
1041             {
1042                 shfc->x_old[i][d] =
1043                     state->x[start+i][d] - state->v[start+i][d]*inputrec->delta_t;
1044             }
1045         }
1046     }
1047
1048     /* Do a prediction of the shell positions */
1049     if (shfc->bPredict && !bCont)
1050     {
1051         predict_shells(fplog, state->x, state->v, inputrec->delta_t, nshell, shell,
1052                        md->massT, NULL, bInit);
1053     }
1054
1055     /* do_force expected the charge groups to be in the box */
1056     if (graph)
1057     {
1058         unshift_self(graph, state->box, state->x);
1059     }
1060
1061     /* Calculate the forces first time around */
1062     if (gmx_debug_at)
1063     {
1064         pr_rvecs(debug, 0, "x b4 do_force", state->x + start, homenr);
1065     }
1066     do_force(fplog, cr, inputrec, mdstep, nrnb, wcycle, top, groups,
1067              state->box, state->x, &state->hist,
1068              force[Min], force_vir, md, enerd, fcd,
1069              state->lambda, graph,
1070              fr, vsite, mu_tot, t, fp_field, NULL, bBornRadii,
1071              (bDoNS ? GMX_FORCE_NS : 0) | force_flags);
1072
1073     sf_dir = 0;
1074     if (nflexcon)
1075     {
1076         init_adir(fplog, shfc,
1077                   constr, idef, inputrec, cr, dd_ac1, mdstep, md, start, end,
1078                   shfc->x_old-start, state->x, state->x, force[Min],
1079                   shfc->acc_dir-start,
1080                   fr->bMolPBC, state->box, state->lambda, &dum, nrnb);
1081
1082         for (i = start; i < end; i++)
1083         {
1084             sf_dir += md->massT[i]*norm2(shfc->acc_dir[i-start]);
1085         }
1086     }
1087
1088     Epot[Min] = enerd->term[F_EPOT];
1089
1090     df[Min] = rms_force(cr, shfc->f[Min], nshell, shell, nflexcon, &sf_dir, &Epot[Min]);
1091     df[Try] = 0;
1092     if (debug)
1093     {
1094         fprintf(debug, "df = %g  %g\n", df[Min], df[Try]);
1095     }
1096
1097     if (gmx_debug_at)
1098     {
1099         pr_rvecs(debug, 0, "force0", force[Min], md->nr);
1100     }
1101
1102     if (nshell+nflexcon > 0)
1103     {
1104         /* Copy x to pos[Min] & pos[Try]: during minimization only the
1105          * shell positions are updated, therefore the other particles must
1106          * be set here.
1107          */
1108         memcpy(pos[Min], state->x, nat*sizeof(state->x[0]));
1109         memcpy(pos[Try], state->x, nat*sizeof(state->x[0]));
1110     }
1111
1112     if (bVerbose && MASTER(cr))
1113     {
1114         print_epot(stdout, mdstep, 0, Epot[Min], df[Min], nflexcon, sf_dir);
1115     }
1116
1117     if (debug)
1118     {
1119         fprintf(debug, "%17s: %14.10e\n",
1120                 interaction_function[F_EKIN].longname, enerd->term[F_EKIN]);
1121         fprintf(debug, "%17s: %14.10e\n",
1122                 interaction_function[F_EPOT].longname, enerd->term[F_EPOT]);
1123         fprintf(debug, "%17s: %14.10e\n",
1124                 interaction_function[F_ETOT].longname, enerd->term[F_ETOT]);
1125         fprintf(debug, "SHELLSTEP %s\n", gmx_step_str(mdstep, sbuf));
1126     }
1127
1128     /* First check whether we should do shells, or whether the force is
1129      * low enough even without minimization.
1130      */
1131     *bConverged = (df[Min] < ftol);
1132
1133     for (count = 1; (!(*bConverged) && (count < number_steps)); count++)
1134     {
1135         if (vsite)
1136         {
1137             construct_vsites(vsite, pos[Min], inputrec->delta_t, state->v,
1138                              idef->iparams, idef->il,
1139                              fr->ePBC, fr->bMolPBC, graph, cr, state->box);
1140         }
1141
1142         if (nflexcon)
1143         {
1144             init_adir(fplog, shfc,
1145                       constr, idef, inputrec, cr, dd_ac1, mdstep, md, start, end,
1146                       x_old-start, state->x, pos[Min], force[Min], acc_dir-start,
1147                       fr->bMolPBC, state->box, state->lambda, &dum, nrnb);
1148
1149             directional_sd(pos[Min], pos[Try], acc_dir-start, start, end,
1150                            fr->fc_stepsize);
1151         }
1152
1153         /* New positions, Steepest descent */
1154         shell_pos_sd(pos[Min], pos[Try], force[Min], nshell, shell, count);
1155
1156         /* do_force expected the charge groups to be in the box */
1157         if (graph)
1158         {
1159             unshift_self(graph, state->box, pos[Try]);
1160         }
1161
1162         if (gmx_debug_at)
1163         {
1164             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: pos[Min]  ", pos[Min] + start, homenr);
1165             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: pos[Try]  ", pos[Try] + start, homenr);
1166         }
1167         /* Try the new positions */
1168         do_force(fplog, cr, inputrec, 1, nrnb, wcycle,
1169                  top, groups, state->box, pos[Try], &state->hist,
1170                  force[Try], force_vir,
1171                  md, enerd, fcd, state->lambda, graph,
1172                  fr, vsite, mu_tot, t, fp_field, NULL, bBornRadii,
1173                  force_flags);
1174
1175         if (gmx_debug_at)
1176         {
1177             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: force[Min]", force[Min] + start, homenr);
1178             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: force[Try]", force[Try] + start, homenr);
1179         }
1180         sf_dir = 0;
1181         if (nflexcon)
1182         {
1183             init_adir(fplog, shfc,
1184                       constr, idef, inputrec, cr, dd_ac1, mdstep, md, start, end,
1185                       x_old-start, state->x, pos[Try], force[Try], acc_dir-start,
1186                       fr->bMolPBC, state->box, state->lambda, &dum, nrnb);
1187
1188             for (i = start; i < end; i++)
1189             {
1190                 sf_dir += md->massT[i]*norm2(acc_dir[i-start]);
1191             }
1192         }
1193
1194         Epot[Try] = enerd->term[F_EPOT];
1195
1196         df[Try] = rms_force(cr, force[Try], nshell, shell, nflexcon, &sf_dir, &Epot[Try]);
1197
1198         if (debug)
1199         {
1200             fprintf(debug, "df = %g  %g\n", df[Min], df[Try]);
1201         }
1202
1203         if (debug)
1204         {
1205             if (gmx_debug_at)
1206             {
1207                 pr_rvecs(debug, 0, "F na do_force", force[Try] + start, homenr);
1208             }
1209             if (gmx_debug_at)
1210             {
1211                 fprintf(debug, "SHELL ITER %d\n", count);
1212                 dump_shells(debug, pos[Try], force[Try], ftol, nshell, shell);
1213             }
1214         }
1215
1216         if (bVerbose && MASTER(cr))
1217         {
1218             print_epot(stdout, mdstep, count, Epot[Try], df[Try], nflexcon, sf_dir);
1219         }
1220
1221         *bConverged = (df[Try] < ftol);
1222
1223         if ((df[Try] < df[Min]))
1224         {
1225             if (debug)
1226             {
1227                 fprintf(debug, "Swapping Min and Try\n");
1228             }
1229             if (nflexcon)
1230             {
1231                 /* Correct the velocities for the flexible constraints */
1232                 invdt = 1/inputrec->delta_t;
1233                 for (i = start; i < end; i++)
1234                 {
1235                     for (d = 0; d < DIM; d++)
1236                     {
1237                         state->v[i][d] += (pos[Try][i][d] - pos[Min][i][d])*invdt;
1238                     }
1239                 }
1240             }
1241             Min  = Try;
1242         }
1243         else
1244         {
1245             decrease_step_size(nshell, shell);
1246         }
1247     }
1248     if (MASTER(cr) && !(*bConverged))
1249     {
1250         /* Note that the energies and virial are incorrect when not converged */
1251         if (fplog)
1252         {
1253             fprintf(fplog,
1254                     "step %s: EM did not converge in %d iterations, RMS force %.3f\n",
1255                     gmx_step_str(mdstep, sbuf), number_steps, df[Min]);
1256         }
1257         fprintf(stderr,
1258                 "step %s: EM did not converge in %d iterations, RMS force %.3f\n",
1259                 gmx_step_str(mdstep, sbuf), number_steps, df[Min]);
1260     }
1261
1262     /* Copy back the coordinates and the forces */
1263     memcpy(state->x, pos[Min], nat*sizeof(state->x[0]));
1264     memcpy(f, force[Min], nat*sizeof(f[0]));
1265
1266     return count;
1267 }