src/gromacs/mdlib/tpi.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 "chargegroup.h"
  51 #include "force.h"
  52 #include "macros.h"
  53 #include "random.h"
  54 #include "names.h"
  55 #include "gmx_fatal.h"
  56 #include "txtdump.h"
  57 #include "typedefs.h"
  58 #include "update.h"
  59 #include "random.h"
  60 #include "constr.h"
  61 #include "vec.h"
  62 #include "statutil.h"
  63 #include "tgroup.h"
  64 #include "mdebin.h"
  65 #include "vsite.h"
  66 #include "force.h"
  67 #include "mdrun.h"
  68 #include "domdec.h"
  69 #include "partdec.h"
  70 #include "gmx_random.h"
  71 #include "physics.h"
  72 #include "xvgr.h"
  73 #include "mdatoms.h"
  74 #include "ns.h"
  75 #include "gmx_wallcycle.h"
  76 #include "mtop_util.h"
  77 #include "gmxfio.h"
  78 #include "pme.h"
  79 #include "gbutil.h"
  80 #include "gromacs/timing/walltime_accounting.h"
  81
  82 #ifdef GMX_X86_SSE2
  83 #include "gmx_x86_sse2.h"
  84 #endif
  85
  86
  87 static void global_max(t_commrec *cr, int *n)
  88 {
  89     int *sum, i;
  90
  91     snew(sum, cr->nnodes);
  92     sum[cr->nodeid] = *n;
  93     gmx_sumi(cr->nnodes, sum, cr);
  94     for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
  95     {
  96         *n = max(*n, sum[i]);
  97     }
  98
  99     sfree(sum);
 100 }
 101
 102 static void realloc_bins(double **bin, int *nbin, int nbin_new)
 103 {
 104     int i;
 105
 106     if (nbin_new != *nbin)
 107     {
 108         srenew(*bin, nbin_new);
 109         for (i = *nbin; i < nbin_new; i++)
 110         {
 111             (*bin)[i] = 0;
 112         }
 113         *nbin = nbin_new;
 114     }
 115 }
 116
 117 double do_tpi(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 118               int nfile, const t_filenm fnm[],
 119               const output_env_t oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
 120               int gmx_unused nstglobalcomm,
 121               gmx_vsite_t gmx_unused *vsite, gmx_constr_t gmx_unused constr,
 122               int gmx_unused stepout,
 123               t_inputrec *inputrec,
 124               gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
 125               t_state *state,
 126               t_mdatoms *mdatoms,
 127               t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 128               gmx_edsam_t gmx_unused ed,
 129               t_forcerec *fr,
 130               int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
 131               gmx_membed_t gmx_unused membed,
 132               real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
 133               const char gmx_unused *deviceOptions,
 134               unsigned long gmx_unused Flags,
 135               gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting)
 136 {
 137     const char     *TPI = "Test Particle Insertion";
 138     gmx_localtop_t *top;
 139     gmx_groups_t   *groups;
 140     gmx_enerdata_t *enerd;
 141     rvec           *f;
 142     real            lambda, t, temp, beta, drmax, epot;
 143     double          embU, sum_embU, *sum_UgembU, V, V_all, VembU_all;
 144     t_trxstatus    *status;
 145     t_trxframe      rerun_fr;
 146     gmx_bool        bDispCorr, bCharge, bRFExcl, bNotLastFrame, bStateChanged, bNS, bOurStep;
 147     tensor          force_vir, shake_vir, vir, pres;
 148     int             cg_tp, a_tp0, a_tp1, ngid, gid_tp, nener, e;
 149     rvec           *x_mol;
 150     rvec            mu_tot, x_init, dx, x_tp;
 151     int             nnodes, frame, nsteps, step;
 152     int             i, start, end;
 153     gmx_rng_t       tpi_rand;
 154     FILE           *fp_tpi = NULL;
 155     char           *ptr, *dump_pdb, **leg, str[STRLEN], str2[STRLEN];
 156     double          dbl, dump_ener;
 157     gmx_bool        bCavity;
 158     int             nat_cavity  = 0, d;
 159     real           *mass_cavity = NULL, mass_tot;
 160     int             nbin;
 161     double          invbinw, *bin, refvolshift, logV, bUlogV;
 162     real            dvdl, prescorr, enercorr, dvdlcorr;
 163     gmx_bool        bEnergyOutOfBounds;
 164     const char     *tpid_leg[2] = {"direct", "reweighted"};
 165
 166     /* Since there is no upper limit to the insertion energies,
 167      * we need to set an upper limit for the distribution output.
 168      */
 169     real bU_bin_limit      = 50;
 170     real bU_logV_bin_limit = bU_bin_limit + 10;
 171
 172     nnodes = cr->nnodes;
 173
 174     top = gmx_mtop_generate_local_top(top_global, inputrec);
 175
 176     groups = &top_global->groups;
 177
 178     bCavity = (inputrec->eI == eiTPIC);
 179     if (bCavity)
 180     {
 181         ptr = getenv("GMX_TPIC_MASSES");
 182         if (ptr == NULL)
 183         {
 184             nat_cavity = 1;
 185         }
 186         else
 187         {
 188             /* Read (multiple) masses from env var GMX_TPIC_MASSES,
 189              * The center of mass of the last atoms is then used for TPIC.
 190              */
 191             nat_cavity = 0;
 192             while (sscanf(ptr, "%lf%n", &dbl, &i) > 0)
 193             {
 194                 srenew(mass_cavity, nat_cavity+1);
 195                 mass_cavity[nat_cavity] = dbl;
 196                 fprintf(fplog, "mass[%d] = %f\n",
 197                         nat_cavity+1, mass_cavity[nat_cavity]);
 198                 nat_cavity++;
 199                 ptr += i;
 200             }
 201             if (nat_cavity == 0)
 202             {
 203                 gmx_fatal(FARGS, "Found %d masses in GMX_TPIC_MASSES", nat_cavity);
 204             }
 205         }
 206     }
 207
 208     /*
 209        init_em(fplog,TPI,inputrec,&lambda,nrnb,mu_tot,
 210        state->box,fr,mdatoms,top,cr,nfile,fnm,NULL,NULL);*/
 211     /* We never need full pbc for TPI */
 212     fr->ePBC = epbcXYZ;
 213     /* Determine the temperature for the Boltzmann weighting */
 214     temp = inputrec->opts.ref_t[0];
 215     if (fplog)
 216     {
 217         for (i = 1; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
 218         {
 219             if (inputrec->opts.ref_t[i] != temp)
 220             {
 221                 fprintf(fplog, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 222                 fprintf(stderr, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 223             }
 224         }
 225         fprintf(fplog,
 226                 "\n  The temperature for test particle insertion is %.3f K\n\n",
 227                 temp);
 228     }
 229     beta = 1.0/(BOLTZ*temp);
 230
 231     /* Number of insertions per frame */
 232     nsteps = inputrec->nsteps;
 233
 234     /* Use the same neighborlist with more insertions points
 235      * in a sphere of radius drmax around the initial point
 236      */
 237     /* This should be a proper mdp parameter */
 238     drmax = inputrec->rtpi;
 239
 240     /* An environment variable can be set to dump all configurations
 241      * to pdb with an insertion energy <= this value.
 242      */
 243     dump_pdb  = getenv("GMX_TPI_DUMP");
 244     dump_ener = 0;
 245     if (dump_pdb)
 246     {
 247         sscanf(dump_pdb, "%lf", &dump_ener);
 248     }
 249
 250     atoms2md(top_global, inputrec, 0, NULL, 0, top_global->natoms, mdatoms);
 251     update_mdatoms(mdatoms, inputrec->fepvals->init_lambda);
 252
 253     snew(enerd, 1);
 254     init_enerdata(groups->grps[egcENER].nr, inputrec->fepvals->n_lambda, enerd);
 255     snew(f, top_global->natoms);
 256
 257     /* Print to log file  */
 258     walltime_accounting_start(walltime_accounting);
 259     print_date_and_time(fplog, cr->nodeid,
 260                         "Started Test Particle Insertion",
 261                         walltime_accounting);
 262     wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
 263
 264     /* The last charge group is the group to be inserted */
 265     cg_tp = top->cgs.nr - 1;
 266     a_tp0 = top->cgs.index[cg_tp];
 267     a_tp1 = top->cgs.index[cg_tp+1];
 268     if (debug)
 269     {
 270         fprintf(debug, "TPI cg %d, atoms %d-%d\n", cg_tp, a_tp0, a_tp1);
 271     }
 272     if (a_tp1 - a_tp0 > 1 &&
 273         (inputrec->rlist < inputrec->rcoulomb ||
 274          inputrec->rlist < inputrec->rvdw))
 275     {
 276         gmx_fatal(FARGS, "Can not do TPI for multi-atom molecule with a twin-range cut-off");
 277     }
 278     snew(x_mol, a_tp1-a_tp0);
 279
 280     bDispCorr = (inputrec->eDispCorr != edispcNO);
 281     bCharge   = FALSE;
 282     for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 283     {
 284         /* Copy the coordinates of the molecule to be insterted */
 285         copy_rvec(state->x[i], x_mol[i-a_tp0]);
 286         /* Check if we need to print electrostatic energies */
 287         bCharge |= (mdatoms->chargeA[i] != 0 ||
 288                     (mdatoms->chargeB && mdatoms->chargeB[i] != 0));
 289     }
 290     bRFExcl = (bCharge && EEL_RF(fr->eeltype) && fr->eeltype != eelRF_NEC);
 291
 292     calc_cgcm(fplog, cg_tp, cg_tp+1, &(top->cgs), state->x, fr->cg_cm);
 293     if (bCavity)
 294     {
 295         if (norm(fr->cg_cm[cg_tp]) > 0.5*inputrec->rlist && fplog)
 296         {
 297             fprintf(fplog, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 298             fprintf(stderr, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 299         }
 300     }
 301     else
 302     {
 303         /* Center the molecule to be inserted at zero */
 304         for (i = 0; i < a_tp1-a_tp0; i++)
 305         {
 306             rvec_dec(x_mol[i], fr->cg_cm[cg_tp]);
 307         }
 308     }
 309
 310     if (fplog)
 311     {
 312         fprintf(fplog, "\nWill insert %d atoms %s partial charges\n",
 313                 a_tp1-a_tp0, bCharge ? "with" : "without");
 314
 315         fprintf(fplog, "\nWill insert %d times in each frame of %s\n",
 316                 nsteps, opt2fn("-rerun", nfile, fnm));
 317     }
 318
 319     if (!bCavity)
 320     {
 321         if (inputrec->nstlist > 1)
 322         {
 323             if (drmax == 0 && a_tp1-a_tp0 == 1)
 324             {
 325                 gmx_fatal(FARGS, "Re-using the neighborlist %d times for insertions of a single atom in a sphere of radius %f does not make sense", inputrec->nstlist, drmax);
 326             }
 327             if (fplog)
 328             {
 329                 fprintf(fplog, "Will use the same neighborlist for %d insertions in a sphere of radius %f\n", inputrec->nstlist, drmax);
 330             }
 331         }
 332     }
 333     else
 334     {
 335         if (fplog)
 336         {
 337             fprintf(fplog, "Will insert randomly in a sphere of radius %f around the center of the cavity\n", drmax);
 338         }
 339     }
 340
 341     ngid   = groups->grps[egcENER].nr;
 342     gid_tp = GET_CGINFO_GID(fr->cginfo[cg_tp]);
 343     nener  = 1 + ngid;
 344     if (bDispCorr)
 345     {
 346         nener += 1;
 347     }
 348     if (bCharge)
 349     {
 350         nener += ngid;
 351         if (bRFExcl)
 352         {
 353             nener += 1;
 354         }
 355         if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 356         {
 357             nener += 1;
 358         }
 359     }
 360     snew(sum_UgembU, nener);
 361
 362     /* Initialize random generator */
 363     tpi_rand = gmx_rng_init(inputrec->ld_seed);
 364
 365     if (MASTER(cr))
 366     {
 367         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpi", nfile, fnm),
 368                           "TPI energies", "Time (ps)",
 369                           "(kJ mol\\S-1\\N) / (nm\\S3\\N)", oenv);
 370         xvgr_subtitle(fp_tpi, "f. are averages over one frame", oenv);
 371         snew(leg, 4+nener);
 372         e = 0;
 373         sprintf(str, "-kT log(<Ve\\S-\\betaU\\N>/<V>)");
 374         leg[e++] = strdup(str);
 375         sprintf(str, "f. -kT log<e\\S-\\betaU\\N>");
 376         leg[e++] = strdup(str);
 377         sprintf(str, "f. <e\\S-\\betaU\\N>");
 378         leg[e++] = strdup(str);
 379         sprintf(str, "f. V");
 380         leg[e++] = strdup(str);
 381         sprintf(str, "f. <Ue\\S-\\betaU\\N>");
 382         leg[e++] = strdup(str);
 383         for (i = 0; i < ngid; i++)
 384         {
 385             sprintf(str, "f. <U\\sVdW %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 386                     *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 387             leg[e++] = strdup(str);
 388         }
 389         if (bDispCorr)
 390         {
 391             sprintf(str, "f. <U\\sdisp c\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 392             leg[e++] = strdup(str);
 393         }
 394         if (bCharge)
 395         {
 396             for (i = 0; i < ngid; i++)
 397             {
 398                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 399                         *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 400                 leg[e++] = strdup(str);
 401             }
 402             if (bRFExcl)
 403             {
 404                 sprintf(str, "f. <U\\sRF excl\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 405                 leg[e++] = strdup(str);
 406             }
 407             if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 408             {
 409                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul recip\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 410                 leg[e++] = strdup(str);
 411             }
 412         }
 413         xvgr_legend(fp_tpi, 4+nener, (const char**)leg, oenv);
 414         for (i = 0; i < 4+nener; i++)
 415         {
 416             sfree(leg[i]);
 417         }
 418         sfree(leg);
 419     }
 420     clear_rvec(x_init);
 421     V_all     = 0;
 422     VembU_all = 0;
 423
 424     invbinw = 10;
 425     nbin    = 10;
 426     snew(bin, nbin);
 427
 428     bNotLastFrame = read_first_frame(oenv, &status, opt2fn("-rerun", nfile, fnm),
 429                                      &rerun_fr, TRX_NEED_X);
 430     frame = 0;
 431
 432     if (rerun_fr.natoms - (bCavity ? nat_cavity : 0) !=
 433         mdatoms->nr - (a_tp1 - a_tp0))
 434     {
 435         gmx_fatal(FARGS, "Number of atoms in trajectory (%d)%s "
 436                   "is not equal the number in the run input file (%d) "
 437                   "minus the number of atoms to insert (%d)\n",
 438                   rerun_fr.natoms, bCavity ? " minus one" : "",
 439                   mdatoms->nr, a_tp1-a_tp0);
 440     }
 441
 442     refvolshift = log(det(rerun_fr.box));
 443
 444 #ifdef GMX_X86_SSE2
 445     /* Make sure we don't detect SSE overflow generated before this point */
 446     gmx_mm_check_and_reset_overflow();
 447 #endif
 448
 449     while (bNotLastFrame)
 450     {
 451         lambda = rerun_fr.lambda;
 452         t      = rerun_fr.time;
 453
 454         sum_embU = 0;
 455         for (e = 0; e < nener; e++)
 456         {
 457             sum_UgembU[e] = 0;
 458         }
 459
 460         /* Copy the coordinates from the input trajectory */
 461         for (i = 0; i < rerun_fr.natoms; i++)
 462         {
 463             copy_rvec(rerun_fr.x[i], state->x[i]);
 464         }
 465         copy_mat(rerun_fr.box, state->box);
 466
 467         V    = det(state->box);
 468         logV = log(V);
 469
 470         bStateChanged = TRUE;
 471         bNS           = TRUE;
 472         for (step = 0; step < nsteps; step++)
 473         {
 474             /* In parallel all nodes generate all random configurations.
 475              * In that way the result is identical to a single cpu tpi run.
 476              */
 477             if (!bCavity)
 478             {
 479                 /* Random insertion in the whole volume */
 480                 bNS = (step % inputrec->nstlist == 0);
 481                 if (bNS)
 482                 {
 483                     /* Generate a random position in the box */
 484                     x_init[XX] = gmx_rng_uniform_real(tpi_rand)*state->box[XX][XX];
 485                     x_init[YY] = gmx_rng_uniform_real(tpi_rand)*state->box[YY][YY];
 486                     x_init[ZZ] = gmx_rng_uniform_real(tpi_rand)*state->box[ZZ][ZZ];
 487                 }
 488                 if (inputrec->nstlist == 1)
 489                 {
 490                     copy_rvec(x_init, x_tp);
 491                 }
 492                 else
 493                 {
 494                     /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 495                     do
 496                     {
 497                         dx[XX] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 498                         dx[YY] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 499                         dx[ZZ] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 500                     }
 501                     while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 502                     rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 503                 }
 504             }
 505             else
 506             {
 507                 /* Random insertion around a cavity location
 508                  * given by the last coordinate of the trajectory.
 509                  */
 510                 if (step == 0)
 511                 {
 512                     if (nat_cavity == 1)
 513                     {
 514                         /* Copy the location of the cavity */
 515                         copy_rvec(rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-1], x_init);
 516                     }
 517                     else
 518                     {
 519                         /* Determine the center of mass of the last molecule */
 520                         clear_rvec(x_init);
 521                         mass_tot = 0;
 522                         for (i = 0; i < nat_cavity; i++)
 523                         {
 524                             for (d = 0; d < DIM; d++)
 525                             {
 526                                 x_init[d] +=
 527                                     mass_cavity[i]*rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-nat_cavity+i][d];
 528                             }
 529                             mass_tot += mass_cavity[i];
 530                         }
 531                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 532                         {
 533                             x_init[d] /= mass_tot;
 534                         }
 535                     }
 536                 }
 537                 /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 538                 do
 539                 {
 540                     dx[XX] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 541                     dx[YY] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 542                     dx[ZZ] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 543                 }
 544                 while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 545                 rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 546             }
 547
 548             if (a_tp1 - a_tp0 == 1)
 549             {
 550                 /* Insert a single atom, just copy the insertion location */
 551                 copy_rvec(x_tp, state->x[a_tp0]);
 552             }
 553             else
 554             {
 555                 /* Copy the coordinates from the top file */
 556                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 557                 {
 558                     copy_rvec(x_mol[i-a_tp0], state->x[i]);
 559                 }
 560                 /* Rotate the molecule randomly */
 561                 rotate_conf(a_tp1-a_tp0, state->x+a_tp0, NULL,
 562                             2*M_PI*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand),
 563                             2*M_PI*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand),
 564                             2*M_PI*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand));
 565                 /* Shift to the insertion location */
 566                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 567                 {
 568                     rvec_inc(state->x[i], x_tp);
 569                 }
 570             }
 571
 572             /* Check if this insertion belongs to this node */
 573             bOurStep = TRUE;
 574             if (PAR(cr))
 575             {
 576                 switch (inputrec->eI)
 577                 {
 578                     case eiTPI:
 579                         bOurStep = ((step / inputrec->nstlist) % nnodes == cr->nodeid);
 580                         break;
 581                     case eiTPIC:
 582                         bOurStep = (step % nnodes == cr->nodeid);
 583                         break;
 584                     default:
 585                         gmx_fatal(FARGS, "Unknown integrator %s", ei_names[inputrec->eI]);
 586                 }
 587             }
 588             if (bOurStep)
 589             {
 590                 /* Clear some matrix variables  */
 591                 clear_mat(force_vir);
 592                 clear_mat(shake_vir);
 593                 clear_mat(vir);
 594                 clear_mat(pres);
 595
 596                 /* Set the charge group center of mass of the test particle */
 597                 copy_rvec(x_init, fr->cg_cm[top->cgs.nr-1]);
 598
 599                 /* Calc energy (no forces) on new positions.
 600                  * Since we only need the intermolecular energy
 601                  * and the RF exclusion terms of the inserted molecule occur
 602                  * within a single charge group we can pass NULL for the graph.
 603                  * This also avoids shifts that would move charge groups
 604                  * out of the box.
 605                  *
 606                  * Some checks above ensure than we can not have
 607                  * twin-range interactions together with nstlist > 1,
 608                  * therefore we do not need to remember the LR energies.
 609                  */
 610                 /* Make do_force do a single node force calculation */
 611                 cr->nnodes = 1;
 612                 do_force(fplog, cr, inputrec,
 613                          step, nrnb, wcycle, top, &top_global->groups,
 614                          state->box, state->x, &state->hist,
 615                          f, force_vir, mdatoms, enerd, fcd,
 616                          state->lambda,
 617                          NULL, fr, NULL, mu_tot, t, NULL, NULL, FALSE,
 618                          GMX_FORCE_NONBONDED | GMX_FORCE_ENERGY |
 619                          (bNS ? GMX_FORCE_DYNAMICBOX | GMX_FORCE_NS | GMX_FORCE_DO_LR : 0) |
 620                          (bStateChanged ? GMX_FORCE_STATECHANGED : 0));
 621                 cr->nnodes    = nnodes;
 622                 bStateChanged = FALSE;
 623                 bNS           = FALSE;
 624
 625                 /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
 626                 calc_dispcorr(fplog, inputrec, fr, step, top_global->natoms, state->box,
 627                               lambda, pres, vir, &prescorr, &enercorr, &dvdlcorr);
 628                 /* figure out how to rearrange the next 4 lines MRS 8/4/2009 */
 629                 enerd->term[F_DISPCORR]  = enercorr;
 630                 enerd->term[F_EPOT]     += enercorr;
 631                 enerd->term[F_PRES]     += prescorr;
 632                 enerd->term[F_DVDL_VDW] += dvdlcorr;
 633
 634                 epot               = enerd->term[F_EPOT];
 635                 bEnergyOutOfBounds = FALSE;
 636 #ifdef GMX_X86_SSE2
 637                 /* With SSE the energy can overflow, check for this */
 638                 if (gmx_mm_check_and_reset_overflow())
 639                 {
 640                     if (debug)
 641                     {
 642                         fprintf(debug, "Found an SSE overflow, assuming the energy is out of bounds\n");
 643                     }
 644                     bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 645                 }
 646 #endif
 647                 /* If the compiler doesn't optimize this check away
 648                  * we catch the NAN energies.
 649                  * The epot>GMX_REAL_MAX check catches inf values,
 650                  * which should nicely result in embU=0 through the exp below,
 651                  * but it does not hurt to check anyhow.
 652                  */
 653                 /* Non-bonded Interaction usually diverge at r=0.
 654                  * With tabulated interaction functions the first few entries
 655                  * should be capped in a consistent fashion between
 656                  * repulsion, dispersion and Coulomb to avoid accidental
 657                  * negative values in the total energy.
 658                  * The table generation code in tables.c does this.
 659                  * With user tbales the user should take care of this.
 660                  */
 661                 if (epot != epot || epot > GMX_REAL_MAX)
 662                 {
 663                     bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 664                 }
 665                 if (bEnergyOutOfBounds)
 666                 {
 667                     if (debug)
 668                     {
 669                         fprintf(debug, "\n  time %.3f, step %d: non-finite energy %f, using exp(-bU)=0\n", t, step, epot);
 670                     }
 671                     embU = 0;
 672                 }
 673                 else
 674                 {
 675                     embU      = exp(-beta*epot);
 676                     sum_embU += embU;
 677                     /* Determine the weighted energy contributions of each energy group */
 678                     e                = 0;
 679                     sum_UgembU[e++] += epot*embU;
 680                     if (fr->bBHAM)
 681                     {
 682                         for (i = 0; i < ngid; i++)
 683                         {
 684                             sum_UgembU[e++] +=
 685                                 (enerd->grpp.ener[egBHAMSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 686                                  enerd->grpp.ener[egBHAMLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 687                         }
 688                     }
 689                     else
 690                     {
 691                         for (i = 0; i < ngid; i++)
 692                         {
 693                             sum_UgembU[e++] +=
 694                                 (enerd->grpp.ener[egLJSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 695                                  enerd->grpp.ener[egLJLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 696                         }
 697                     }
 698                     if (bDispCorr)
 699                     {
 700                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_DISPCORR]*embU;
 701                     }
 702                     if (bCharge)
 703                     {
 704                         for (i = 0; i < ngid; i++)
 705                         {
 706                             sum_UgembU[e++] +=
 707                                 (enerd->grpp.ener[egCOULSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 708                                  enerd->grpp.ener[egCOULLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 709                         }
 710                         if (bRFExcl)
 711                         {
 712                             sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_RF_EXCL]*embU;
 713                         }
 714                         if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 715                         {
 716                             sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_COUL_RECIP]*embU;
 717                         }
 718                     }
 719                 }
 720
 721                 if (embU == 0 || beta*epot > bU_bin_limit)
 722                 {
 723                     bin[0]++;
 724                 }
 725                 else
 726                 {
 727                     i = (int)((bU_logV_bin_limit
 728                                - (beta*epot - logV + refvolshift))*invbinw
 729                               + 0.5);
 730                     if (i < 0)
 731                     {
 732                         i = 0;
 733                     }
 734                     if (i >= nbin)
 735                     {
 736                         realloc_bins(&bin, &nbin, i+10);
 737                     }
 738                     bin[i]++;
 739                 }
 740
 741                 if (debug)
 742                 {
 743                     fprintf(debug, "TPI %7d %12.5e %12.5f %12.5f %12.5f\n",
 744                             step, epot, x_tp[XX], x_tp[YY], x_tp[ZZ]);
 745                 }
 746
 747                 if (dump_pdb && epot <= dump_ener)
 748                 {
 749                     sprintf(str, "t%g_step%d.pdb", t, step);
 750                     sprintf(str2, "t: %f step %d ener: %f", t, step, epot);
 751                     write_sto_conf_mtop(str, str2, top_global, state->x, state->v,
 752                                         inputrec->ePBC, state->box);
 753                 }
 754             }
 755         }
 756
 757         if (PAR(cr))
 758         {
 759             /* When running in parallel sum the energies over the processes */
 760             gmx_sumd(1,    &sum_embU, cr);
 761             gmx_sumd(nener, sum_UgembU, cr);
 762         }
 763
 764         frame++;
 765         V_all     += V;
 766         VembU_all += V*sum_embU/nsteps;
 767
 768         if (fp_tpi)
 769         {
 770             if (bVerbose || frame%10 == 0 || frame < 10)
 771             {
 772                 fprintf(stderr, "mu %10.3e <mu> %10.3e\n",
 773                         -log(sum_embU/nsteps)/beta, -log(VembU_all/V_all)/beta);
 774             }
 775
 776             fprintf(fp_tpi, "%10.3f %12.5e %12.5e %12.5e %12.5e",
 777                     t,
 778                     VembU_all == 0 ? 20/beta : -log(VembU_all/V_all)/beta,
 779                     sum_embU == 0  ? 20/beta : -log(sum_embU/nsteps)/beta,
 780                     sum_embU/nsteps, V);
 781             for (e = 0; e < nener; e++)
 782             {
 783                 fprintf(fp_tpi, " %12.5e", sum_UgembU[e]/nsteps);
 784             }
 785             fprintf(fp_tpi, "\n");
 786             fflush(fp_tpi);
 787         }
 788
 789         bNotLastFrame = read_next_frame(oenv, status, &rerun_fr);
 790     } /* End of the loop  */
 791     walltime_accounting_end(walltime_accounting);
 792
 793     close_trj(status);
 794
 795     if (fp_tpi != NULL)
 796     {
 797         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 798     }
 799
 800     if (fplog != NULL)
 801     {
 802         fprintf(fplog, "\n");
 803         fprintf(fplog, "  <V>  = %12.5e nm^3\n", V_all/frame);
 804         fprintf(fplog, "  <mu> = %12.5e kJ/mol\n", -log(VembU_all/V_all)/beta);
 805     }
 806
 807     /* Write the Boltzmann factor histogram */
 808     if (PAR(cr))
 809     {
 810         /* When running in parallel sum the bins over the processes */
 811         i = nbin;
 812         global_max(cr, &i);
 813         realloc_bins(&bin, &nbin, i);
 814         gmx_sumd(nbin, bin, cr);
 815     }
 816     if (MASTER(cr))
 817     {
 818         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpid", nfile, fnm),
 819                           "TPI energy distribution",
 820                           "\\betaU - log(V/<V>)", "count", oenv);
 821         sprintf(str, "number \\betaU > %g: %9.3e", bU_bin_limit, bin[0]);
 822         xvgr_subtitle(fp_tpi, str, oenv);
 823         xvgr_legend(fp_tpi, 2, (const char **)tpid_leg, oenv);
 824         for (i = nbin-1; i > 0; i--)
 825         {
 826             bUlogV = -i/invbinw + bU_logV_bin_limit - refvolshift + log(V_all/frame);
 827             fprintf(fp_tpi, "%6.2f %10d %12.5e\n",
 828                     bUlogV,
 829                     (int)(bin[i]+0.5),
 830                     bin[i]*exp(-bUlogV)*V_all/VembU_all);
 831         }
 832         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 833     }
 834     sfree(bin);
 835
 836     sfree(sum_UgembU);
 837
 838     walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, frame*inputrec->nsteps);
 839
 840     return 0;
 841 }