src/gromacs/mdlib/tpi.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) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #include "config.h"
  38
  39 #include <math.h>
  40 #include <stdlib.h>
  41 #include <string.h>
  42 #include <time.h>
  43
  44 #include "network.h"
  45 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  46 #include "nrnb.h"
  47 #include "chargegroup.h"
  48 #include "force.h"
  49 #include "macros.h"
  50 #include "names.h"
  51 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  52 #include "txtdump.h"
  53 #include "typedefs.h"
  54 #include "update.h"
  55 #include "constr.h"
  56 #include "gromacs/math/vec.h"
  57 #include "tgroup.h"
  58 #include "mdebin.h"
  59 #include "vsite.h"
  60 #include "force.h"
  61 #include "mdrun.h"
  62 #include "domdec.h"
  63 #include "gromacs/random/random.h"
  64 #include "gromacs/math/units.h"
  65 #include "gromacs/fileio/xvgr.h"
  66 #include "mdatoms.h"
  67 #include "ns.h"
  68 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  69 #include "pme.h"
  70 #include "gromacs/gmxlib/conformation-utilities.h"
  71
  72 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
  73 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  74 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  75 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  76 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
  77 #include "gromacs/timing/walltime_accounting.h"
  78
  79 static void global_max(t_commrec *cr, int *n)
  80 {
  81     int *sum, i;
  82
  83     snew(sum, cr->nnodes);
  84     sum[cr->nodeid] = *n;
  85     gmx_sumi(cr->nnodes, sum, cr);
  86     for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
  87     {
  88         *n = max(*n, sum[i]);
  89     }
  90
  91     sfree(sum);
  92 }
  93
  94 static void realloc_bins(double **bin, int *nbin, int nbin_new)
  95 {
  96     int i;
  97
  98     if (nbin_new != *nbin)
  99     {
 100         srenew(*bin, nbin_new);
 101         for (i = *nbin; i < nbin_new; i++)
 102         {
 103             (*bin)[i] = 0;
 104         }
 105         *nbin = nbin_new;
 106     }
 107 }
 108
 109 double do_tpi(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 110               int nfile, const t_filenm fnm[],
 111               const output_env_t oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
 112               int gmx_unused nstglobalcomm,
 113               gmx_vsite_t gmx_unused *vsite, gmx_constr_t gmx_unused constr,
 114               int gmx_unused stepout,
 115               t_inputrec *inputrec,
 116               gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
 117               t_state *state,
 118               t_mdatoms *mdatoms,
 119               t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 120               gmx_edsam_t gmx_unused ed,
 121               t_forcerec *fr,
 122               int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
 123               gmx_membed_t gmx_unused membed,
 124               real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
 125               const char gmx_unused *deviceOptions,
 126               int gmx_unused imdport,
 127               unsigned long gmx_unused Flags,
 128               gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting)
 129 {
 130     const char     *TPI = "Test Particle Insertion";
 131     gmx_localtop_t *top;
 132     gmx_groups_t   *groups;
 133     gmx_enerdata_t *enerd;
 134     rvec           *f;
 135     real            lambda, t, temp, beta, drmax, epot;
 136     double          embU, sum_embU, *sum_UgembU, V, V_all, VembU_all;
 137     t_trxstatus    *status;
 138     t_trxframe      rerun_fr;
 139     gmx_bool        bDispCorr, bCharge, bRFExcl, bNotLastFrame, bStateChanged, bNS;
 140     tensor          force_vir, shake_vir, vir, pres;
 141     int             cg_tp, a_tp0, a_tp1, ngid, gid_tp, nener, e;
 142     rvec           *x_mol;
 143     rvec            mu_tot, x_init, dx, x_tp;
 144     int             nnodes, frame;
 145     gmx_int64_t     frame_step_prev, frame_step;
 146     gmx_int64_t     nsteps, stepblocksize = 0, step;
 147     gmx_int64_t     rnd_count_stride, rnd_count;
 148     gmx_int64_t     seed;
 149     double          rnd[4];
 150     int             i, start, end;
 151     FILE           *fp_tpi = NULL;
 152     char           *ptr, *dump_pdb, **leg, str[STRLEN], str2[STRLEN];
 153     double          dbl, dump_ener;
 154     gmx_bool        bCavity;
 155     int             nat_cavity  = 0, d;
 156     real           *mass_cavity = NULL, mass_tot;
 157     int             nbin;
 158     double          invbinw, *bin, refvolshift, logV, bUlogV;
 159     real            dvdl, prescorr, enercorr, dvdlcorr;
 160     gmx_bool        bEnergyOutOfBounds;
 161     const char     *tpid_leg[2] = {"direct", "reweighted"};
 162
 163     /* Since there is no upper limit to the insertion energies,
 164      * we need to set an upper limit for the distribution output.
 165      */
 166     real bU_bin_limit      = 50;
 167     real bU_logV_bin_limit = bU_bin_limit + 10;
 168
 169     nnodes = cr->nnodes;
 170
 171     top = gmx_mtop_generate_local_top(top_global, inputrec);
 172
 173     groups = &top_global->groups;
 174
 175     bCavity = (inputrec->eI == eiTPIC);
 176     if (bCavity)
 177     {
 178         ptr = getenv("GMX_TPIC_MASSES");
 179         if (ptr == NULL)
 180         {
 181             nat_cavity = 1;
 182         }
 183         else
 184         {
 185             /* Read (multiple) masses from env var GMX_TPIC_MASSES,
 186              * The center of mass of the last atoms is then used for TPIC.
 187              */
 188             nat_cavity = 0;
 189             while (sscanf(ptr, "%lf%n", &dbl, &i) > 0)
 190             {
 191                 srenew(mass_cavity, nat_cavity+1);
 192                 mass_cavity[nat_cavity] = dbl;
 193                 fprintf(fplog, "mass[%d] = %f\n",
 194                         nat_cavity+1, mass_cavity[nat_cavity]);
 195                 nat_cavity++;
 196                 ptr += i;
 197             }
 198             if (nat_cavity == 0)
 199             {
 200                 gmx_fatal(FARGS, "Found %d masses in GMX_TPIC_MASSES", nat_cavity);
 201             }
 202         }
 203     }
 204
 205     /*
 206        init_em(fplog,TPI,inputrec,&lambda,nrnb,mu_tot,
 207        state->box,fr,mdatoms,top,cr,nfile,fnm,NULL,NULL);*/
 208     /* We never need full pbc for TPI */
 209     fr->ePBC = epbcXYZ;
 210     /* Determine the temperature for the Boltzmann weighting */
 211     temp = inputrec->opts.ref_t[0];
 212     if (fplog)
 213     {
 214         for (i = 1; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
 215         {
 216             if (inputrec->opts.ref_t[i] != temp)
 217             {
 218                 fprintf(fplog, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 219                 fprintf(stderr, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 220             }
 221         }
 222         fprintf(fplog,
 223                 "\n  The temperature for test particle insertion is %.3f K\n\n",
 224                 temp);
 225     }
 226     beta = 1.0/(BOLTZ*temp);
 227
 228     /* Number of insertions per frame */
 229     nsteps = inputrec->nsteps;
 230
 231     /* Use the same neighborlist with more insertions points
 232      * in a sphere of radius drmax around the initial point
 233      */
 234     /* This should be a proper mdp parameter */
 235     drmax = inputrec->rtpi;
 236
 237     /* An environment variable can be set to dump all configurations
 238      * to pdb with an insertion energy <= this value.
 239      */
 240     dump_pdb  = getenv("GMX_TPI_DUMP");
 241     dump_ener = 0;
 242     if (dump_pdb)
 243     {
 244         sscanf(dump_pdb, "%lf", &dump_ener);
 245     }
 246
 247     atoms2md(top_global, inputrec, 0, NULL, top_global->natoms, mdatoms);
 248     update_mdatoms(mdatoms, inputrec->fepvals->init_lambda);
 249
 250     snew(enerd, 1);
 251     init_enerdata(groups->grps[egcENER].nr, inputrec->fepvals->n_lambda, enerd);
 252     snew(f, top_global->natoms);
 253
 254     /* Print to log file  */
 255     walltime_accounting_start(walltime_accounting);
 256     wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
 257     print_start(fplog, cr, walltime_accounting, "Test Particle Insertion");
 258
 259     /* The last charge group is the group to be inserted */
 260     cg_tp = top->cgs.nr - 1;
 261     a_tp0 = top->cgs.index[cg_tp];
 262     a_tp1 = top->cgs.index[cg_tp+1];
 263     if (debug)
 264     {
 265         fprintf(debug, "TPI cg %d, atoms %d-%d\n", cg_tp, a_tp0, a_tp1);
 266     }
 267     if (a_tp1 - a_tp0 > 1 &&
 268         (inputrec->rlist < inputrec->rcoulomb ||
 269          inputrec->rlist < inputrec->rvdw))
 270     {
 271         gmx_fatal(FARGS, "Can not do TPI for multi-atom molecule with a twin-range cut-off");
 272     }
 273     snew(x_mol, a_tp1-a_tp0);
 274
 275     bDispCorr = (inputrec->eDispCorr != edispcNO);
 276     bCharge   = FALSE;
 277     for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 278     {
 279         /* Copy the coordinates of the molecule to be insterted */
 280         copy_rvec(state->x[i], x_mol[i-a_tp0]);
 281         /* Check if we need to print electrostatic energies */
 282         bCharge |= (mdatoms->chargeA[i] != 0 ||
 283                     (mdatoms->chargeB && mdatoms->chargeB[i] != 0));
 284     }
 285     bRFExcl = (bCharge && EEL_RF(fr->eeltype) && fr->eeltype != eelRF_NEC);
 286
 287     calc_cgcm(fplog, cg_tp, cg_tp+1, &(top->cgs), state->x, fr->cg_cm);
 288     if (bCavity)
 289     {
 290         if (norm(fr->cg_cm[cg_tp]) > 0.5*inputrec->rlist && fplog)
 291         {
 292             fprintf(fplog, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 293             fprintf(stderr, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 294         }
 295     }
 296     else
 297     {
 298         /* Center the molecule to be inserted at zero */
 299         for (i = 0; i < a_tp1-a_tp0; i++)
 300         {
 301             rvec_dec(x_mol[i], fr->cg_cm[cg_tp]);
 302         }
 303     }
 304
 305     if (fplog)
 306     {
 307         fprintf(fplog, "\nWill insert %d atoms %s partial charges\n",
 308                 a_tp1-a_tp0, bCharge ? "with" : "without");
 309
 310         fprintf(fplog, "\nWill insert %d times in each frame of %s\n",
 311                 (int)nsteps, opt2fn("-rerun", nfile, fnm));
 312     }
 313
 314     if (!bCavity)
 315     {
 316         if (inputrec->nstlist > 1)
 317         {
 318             if (drmax == 0 && a_tp1-a_tp0 == 1)
 319             {
 320                 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);
 321             }
 322             if (fplog)
 323             {
 324                 fprintf(fplog, "Will use the same neighborlist for %d insertions in a sphere of radius %f\n", inputrec->nstlist, drmax);
 325             }
 326         }
 327     }
 328     else
 329     {
 330         if (fplog)
 331         {
 332             fprintf(fplog, "Will insert randomly in a sphere of radius %f around the center of the cavity\n", drmax);
 333         }
 334     }
 335
 336     ngid   = groups->grps[egcENER].nr;
 337     gid_tp = GET_CGINFO_GID(fr->cginfo[cg_tp]);
 338     nener  = 1 + ngid;
 339     if (bDispCorr)
 340     {
 341         nener += 1;
 342     }
 343     if (bCharge)
 344     {
 345         nener += ngid;
 346         if (bRFExcl)
 347         {
 348             nener += 1;
 349         }
 350         if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 351         {
 352             nener += 1;
 353         }
 354     }
 355     snew(sum_UgembU, nener);
 356
 357     /* Copy the random seed set by the user */
 358     seed = inputrec->ld_seed;
 359     /* We use the frame step number as one random counter.
 360      * The second counter use the insertion (step) count. But we
 361      * need multiple random numbers per insertion. This number is
 362      * not fixed, since we generate random locations in a sphere
 363      * by putting locations in a cube and some of these fail.
 364      * A count of 20 is already extremely unlikely, so 10000 is
 365      * a safe margin for random numbers per insertion.
 366      */
 367     rnd_count_stride = 10000;
 368
 369     if (MASTER(cr))
 370     {
 371         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpi", nfile, fnm),
 372                           "TPI energies", "Time (ps)",
 373                           "(kJ mol\\S-1\\N) / (nm\\S3\\N)", oenv);
 374         xvgr_subtitle(fp_tpi, "f. are averages over one frame", oenv);
 375         snew(leg, 4+nener);
 376         e = 0;
 377         sprintf(str, "-kT log(<Ve\\S-\\betaU\\N>/<V>)");
 378         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 379         sprintf(str, "f. -kT log<e\\S-\\betaU\\N>");
 380         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 381         sprintf(str, "f. <e\\S-\\betaU\\N>");
 382         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 383         sprintf(str, "f. V");
 384         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 385         sprintf(str, "f. <Ue\\S-\\betaU\\N>");
 386         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 387         for (i = 0; i < ngid; i++)
 388         {
 389             sprintf(str, "f. <U\\sVdW %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 390                     *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 391             leg[e++] = gmx_strdup(str);
 392         }
 393         if (bDispCorr)
 394         {
 395             sprintf(str, "f. <U\\sdisp c\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 396             leg[e++] = gmx_strdup(str);
 397         }
 398         if (bCharge)
 399         {
 400             for (i = 0; i < ngid; i++)
 401             {
 402                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 403                         *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 404                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
 405             }
 406             if (bRFExcl)
 407             {
 408                 sprintf(str, "f. <U\\sRF excl\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 409                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
 410             }
 411             if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 412             {
 413                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul recip\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 414                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
 415             }
 416         }
 417         xvgr_legend(fp_tpi, 4+nener, (const char**)leg, oenv);
 418         for (i = 0; i < 4+nener; i++)
 419         {
 420             sfree(leg[i]);
 421         }
 422         sfree(leg);
 423     }
 424     clear_rvec(x_init);
 425     V_all     = 0;
 426     VembU_all = 0;
 427
 428     invbinw = 10;
 429     nbin    = 10;
 430     snew(bin, nbin);
 431
 432     /* Avoid frame step numbers <= -1 */
 433     frame_step_prev = -1;
 434
 435     bNotLastFrame = read_first_frame(oenv, &status, opt2fn("-rerun", nfile, fnm),
 436                                      &rerun_fr, TRX_NEED_X);
 437     frame = 0;
 438
 439     if (rerun_fr.natoms - (bCavity ? nat_cavity : 0) !=
 440         mdatoms->nr - (a_tp1 - a_tp0))
 441     {
 442         gmx_fatal(FARGS, "Number of atoms in trajectory (%d)%s "
 443                   "is not equal the number in the run input file (%d) "
 444                   "minus the number of atoms to insert (%d)\n",
 445                   rerun_fr.natoms, bCavity ? " minus one" : "",
 446                   mdatoms->nr, a_tp1-a_tp0);
 447     }
 448
 449     refvolshift = log(det(rerun_fr.box));
 450
 451     switch (inputrec->eI)
 452     {
 453         case eiTPI:
 454             stepblocksize = inputrec->nstlist;
 455             break;
 456         case eiTPIC:
 457             stepblocksize = 1;
 458             break;
 459         default:
 460             gmx_fatal(FARGS, "Unknown integrator %s", ei_names[inputrec->eI]);
 461     }
 462
 463 #ifdef GMX_SIMD
 464     /* Make sure we don't detect SIMD overflow generated before this point */
 465     gmx_simd_check_and_reset_overflow();
 466 #endif
 467
 468     while (bNotLastFrame)
 469     {
 470         frame_step      = rerun_fr.step;
 471         if (frame_step <= frame_step_prev)
 472         {
 473             /* We don't have step number in the trajectory file,
 474              * or we have constant or decreasing step numbers.
 475              * Ensure we have increasing step numbers, since we use
 476              * the step numbers as a counter for random numbers.
 477              */
 478             frame_step  = frame_step_prev + 1;
 479         }
 480         frame_step_prev = frame_step;
 481
 482         lambda = rerun_fr.lambda;
 483         t      = rerun_fr.time;
 484
 485         sum_embU = 0;
 486         for (e = 0; e < nener; e++)
 487         {
 488             sum_UgembU[e] = 0;
 489         }
 490
 491         /* Copy the coordinates from the input trajectory */
 492         for (i = 0; i < rerun_fr.natoms; i++)
 493         {
 494             copy_rvec(rerun_fr.x[i], state->x[i]);
 495         }
 496         copy_mat(rerun_fr.box, state->box);
 497
 498         V    = det(state->box);
 499         logV = log(V);
 500
 501         bStateChanged = TRUE;
 502         bNS           = TRUE;
 503
 504         step = cr->nodeid*stepblocksize;
 505         while (step < nsteps)
 506         {
 507             /* Initialize the second counter for random numbers using
 508              * the insertion step index. This ensures that we get
 509              * the same random numbers independently of how many
 510              * MPI ranks we use. Also for the same seed, we get
 511              * the same initial random sequence for different nsteps.
 512              */
 513             rnd_count = step*rnd_count_stride;
 514
 515             if (!bCavity)
 516             {
 517                 /* Random insertion in the whole volume */
 518                 bNS = (step % inputrec->nstlist == 0);
 519                 if (bNS)
 520                 {
 521                     /* Generate a random position in the box */
 522                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 523                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 524                     for (d = 0; d < DIM; d++)
 525                     {
 526                         x_init[d] = rnd[d]*state->box[d][d];
 527                     }
 528                 }
 529                 if (inputrec->nstlist == 1)
 530                 {
 531                     copy_rvec(x_init, x_tp);
 532                 }
 533                 else
 534                 {
 535                     /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 536                     do
 537                     {
 538                         gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 539                         gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 540                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 541                         {
 542                             dx[d] = (2*rnd[d] - 1)*drmax;
 543                         }
 544                     }
 545                     while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 546                     rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 547                 }
 548             }
 549             else
 550             {
 551                 /* Random insertion around a cavity location
 552                  * given by the last coordinate of the trajectory.
 553                  */
 554                 if (step == 0)
 555                 {
 556                     if (nat_cavity == 1)
 557                     {
 558                         /* Copy the location of the cavity */
 559                         copy_rvec(rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-1], x_init);
 560                     }
 561                     else
 562                     {
 563                         /* Determine the center of mass of the last molecule */
 564                         clear_rvec(x_init);
 565                         mass_tot = 0;
 566                         for (i = 0; i < nat_cavity; i++)
 567                         {
 568                             for (d = 0; d < DIM; d++)
 569                             {
 570                                 x_init[d] +=
 571                                     mass_cavity[i]*rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-nat_cavity+i][d];
 572                             }
 573                             mass_tot += mass_cavity[i];
 574                         }
 575                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 576                         {
 577                             x_init[d] /= mass_tot;
 578                         }
 579                     }
 580                 }
 581                 /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 582                 do
 583                 {
 584                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 585                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 586                     for (d = 0; d < DIM; d++)
 587                     {
 588                         dx[d] = (2*rnd[d] - 1)*drmax;
 589                     }
 590                 }
 591                 while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 592                 rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 593             }
 594
 595             if (a_tp1 - a_tp0 == 1)
 596             {
 597                 /* Insert a single atom, just copy the insertion location */
 598                 copy_rvec(x_tp, state->x[a_tp0]);
 599             }
 600             else
 601             {
 602                 /* Copy the coordinates from the top file */
 603                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 604                 {
 605                     copy_rvec(x_mol[i-a_tp0], state->x[i]);
 606                 }
 607                 /* Rotate the molecule randomly */
 608                 gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 609                 gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 610                 rotate_conf(a_tp1-a_tp0, state->x+a_tp0, NULL,
 611                             2*M_PI*rnd[0],
 612                             2*M_PI*rnd[1],
 613                             2*M_PI*rnd[2]);
 614                 /* Shift to the insertion location */
 615                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 616                 {
 617                     rvec_inc(state->x[i], x_tp);
 618                 }
 619             }
 620
 621             /* Clear some matrix variables  */
 622             clear_mat(force_vir);
 623             clear_mat(shake_vir);
 624             clear_mat(vir);
 625             clear_mat(pres);
 626
 627             /* Set the charge group center of mass of the test particle */
 628             copy_rvec(x_init, fr->cg_cm[top->cgs.nr-1]);
 629
 630             /* Calc energy (no forces) on new positions.
 631              * Since we only need the intermolecular energy
 632              * and the RF exclusion terms of the inserted molecule occur
 633              * within a single charge group we can pass NULL for the graph.
 634              * This also avoids shifts that would move charge groups
 635              * out of the box.
 636              *
 637              * Some checks above ensure than we can not have
 638              * twin-range interactions together with nstlist > 1,
 639              * therefore we do not need to remember the LR energies.
 640              */
 641             /* Make do_force do a single node force calculation */
 642             cr->nnodes = 1;
 643             do_force(fplog, cr, inputrec,
 644                      step, nrnb, wcycle, top, &top_global->groups,
 645                      state->box, state->x, &state->hist,
 646                      f, force_vir, mdatoms, enerd, fcd,
 647                      state->lambda,
 648                      NULL, fr, NULL, mu_tot, t, NULL, NULL, FALSE,
 649                      GMX_FORCE_NONBONDED | GMX_FORCE_ENERGY |
 650                      (bNS ? GMX_FORCE_DYNAMICBOX | GMX_FORCE_NS | GMX_FORCE_DO_LR : 0) |
 651                      (bStateChanged ? GMX_FORCE_STATECHANGED : 0));
 652             cr->nnodes    = nnodes;
 653             bStateChanged = FALSE;
 654             bNS           = FALSE;
 655
 656             /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
 657             calc_dispcorr(fplog, inputrec, fr, step, top_global->natoms, state->box,
 658                           lambda, pres, vir, &prescorr, &enercorr, &dvdlcorr);
 659             /* figure out how to rearrange the next 4 lines MRS 8/4/2009 */
 660             enerd->term[F_DISPCORR]  = enercorr;
 661             enerd->term[F_EPOT]     += enercorr;
 662             enerd->term[F_PRES]     += prescorr;
 663             enerd->term[F_DVDL_VDW] += dvdlcorr;
 664
 665             epot               = enerd->term[F_EPOT];
 666             bEnergyOutOfBounds = FALSE;
 667 #ifdef GMX_SIMD_X86_SSE2_OR_HIGHER
 668             /* With SSE the energy can overflow, check for this */
 669             if (gmx_mm_check_and_reset_overflow())
 670             {
 671                 if (debug)
 672                 {
 673                     fprintf(debug, "Found an SSE overflow, assuming the energy is out of bounds\n");
 674                 }
 675                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 676             }
 677 #endif
 678             /* If the compiler doesn't optimize this check away
 679              * we catch the NAN energies.
 680              * The epot>GMX_REAL_MAX check catches inf values,
 681              * which should nicely result in embU=0 through the exp below,
 682              * but it does not hurt to check anyhow.
 683              */
 684             /* Non-bonded Interaction usually diverge at r=0.
 685              * With tabulated interaction functions the first few entries
 686              * should be capped in a consistent fashion between
 687              * repulsion, dispersion and Coulomb to avoid accidental
 688              * negative values in the total energy.
 689              * The table generation code in tables.c does this.
 690              * With user tbales the user should take care of this.
 691              */
 692             if (epot != epot || epot > GMX_REAL_MAX)
 693             {
 694                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 695             }
 696             if (bEnergyOutOfBounds)
 697             {
 698                 if (debug)
 699                 {
 700                     fprintf(debug, "\n  time %.3f, step %d: non-finite energy %f, using exp(-bU)=0\n", t, (int)step, epot);
 701                 }
 702                 embU = 0;
 703             }
 704             else
 705             {
 706                 embU      = exp(-beta*epot);
 707                 sum_embU += embU;
 708                 /* Determine the weighted energy contributions of each energy group */
 709                 e                = 0;
 710                 sum_UgembU[e++] += epot*embU;
 711                 if (fr->bBHAM)
 712                 {
 713                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 714                     {
 715                         sum_UgembU[e++] +=
 716                             (enerd->grpp.ener[egBHAMSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 717                              enerd->grpp.ener[egBHAMLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 718                     }
 719                 }
 720                 else
 721                 {
 722                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 723                     {
 724                         sum_UgembU[e++] +=
 725                             (enerd->grpp.ener[egLJSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 726                              enerd->grpp.ener[egLJLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 727                     }
 728                 }
 729                 if (bDispCorr)
 730                 {
 731                     sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_DISPCORR]*embU;
 732                 }
 733                 if (bCharge)
 734                 {
 735                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 736                     {
 737                         sum_UgembU[e++] +=
 738                             (enerd->grpp.ener[egCOULSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 739                              enerd->grpp.ener[egCOULLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 740                     }
 741                     if (bRFExcl)
 742                     {
 743                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_RF_EXCL]*embU;
 744                     }
 745                     if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 746                     {
 747                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_COUL_RECIP]*embU;
 748                     }
 749                 }
 750             }
 751
 752             if (embU == 0 || beta*epot > bU_bin_limit)
 753             {
 754                 bin[0]++;
 755             }
 756             else
 757             {
 758                 i = (int)((bU_logV_bin_limit
 759                            - (beta*epot - logV + refvolshift))*invbinw
 760                           + 0.5);
 761                 if (i < 0)
 762                 {
 763                     i = 0;
 764                 }
 765                 if (i >= nbin)
 766                 {
 767                     realloc_bins(&bin, &nbin, i+10);
 768                 }
 769                 bin[i]++;
 770             }
 771
 772             if (debug)
 773             {
 774                 fprintf(debug, "TPI %7d %12.5e %12.5f %12.5f %12.5f\n",
 775                         (int)step, epot, x_tp[XX], x_tp[YY], x_tp[ZZ]);
 776             }
 777
 778             if (dump_pdb && epot <= dump_ener)
 779             {
 780                 sprintf(str, "t%g_step%d.pdb", t, (int)step);
 781                 sprintf(str2, "t: %f step %d ener: %f", t, (int)step, epot);
 782                 write_sto_conf_mtop(str, str2, top_global, state->x, state->v,
 783                                     inputrec->ePBC, state->box);
 784             }
 785
 786             step++;
 787             if ((step/stepblocksize) % cr->nnodes != cr->nodeid)
 788             {
 789                 /* Skip all steps assigned to the other MPI ranks */
 790                 step += (cr->nnodes - 1)*stepblocksize;
 791             }
 792         }
 793
 794         if (PAR(cr))
 795         {
 796             /* When running in parallel sum the energies over the processes */
 797             gmx_sumd(1,    &sum_embU, cr);
 798             gmx_sumd(nener, sum_UgembU, cr);
 799         }
 800
 801         frame++;
 802         V_all     += V;
 803         VembU_all += V*sum_embU/nsteps;
 804
 805         if (fp_tpi)
 806         {
 807             if (bVerbose || frame%10 == 0 || frame < 10)
 808             {
 809                 fprintf(stderr, "mu %10.3e <mu> %10.3e\n",
 810                         -log(sum_embU/nsteps)/beta, -log(VembU_all/V_all)/beta);
 811             }
 812
 813             fprintf(fp_tpi, "%10.3f %12.5e %12.5e %12.5e %12.5e",
 814                     t,
 815                     VembU_all == 0 ? 20/beta : -log(VembU_all/V_all)/beta,
 816                     sum_embU == 0  ? 20/beta : -log(sum_embU/nsteps)/beta,
 817                     sum_embU/nsteps, V);
 818             for (e = 0; e < nener; e++)
 819             {
 820                 fprintf(fp_tpi, " %12.5e", sum_UgembU[e]/nsteps);
 821             }
 822             fprintf(fp_tpi, "\n");
 823             fflush(fp_tpi);
 824         }
 825
 826         bNotLastFrame = read_next_frame(oenv, status, &rerun_fr);
 827     } /* End of the loop  */
 828     walltime_accounting_end(walltime_accounting);
 829
 830     close_trj(status);
 831
 832     if (fp_tpi != NULL)
 833     {
 834         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 835     }
 836
 837     if (fplog != NULL)
 838     {
 839         fprintf(fplog, "\n");
 840         fprintf(fplog, "  <V>  = %12.5e nm^3\n", V_all/frame);
 841         fprintf(fplog, "  <mu> = %12.5e kJ/mol\n", -log(VembU_all/V_all)/beta);
 842     }
 843
 844     /* Write the Boltzmann factor histogram */
 845     if (PAR(cr))
 846     {
 847         /* When running in parallel sum the bins over the processes */
 848         i = nbin;
 849         global_max(cr, &i);
 850         realloc_bins(&bin, &nbin, i);
 851         gmx_sumd(nbin, bin, cr);
 852     }
 853     if (MASTER(cr))
 854     {
 855         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpid", nfile, fnm),
 856                           "TPI energy distribution",
 857                           "\\betaU - log(V/<V>)", "count", oenv);
 858         sprintf(str, "number \\betaU > %g: %9.3e", bU_bin_limit, bin[0]);
 859         xvgr_subtitle(fp_tpi, str, oenv);
 860         xvgr_legend(fp_tpi, 2, (const char **)tpid_leg, oenv);
 861         for (i = nbin-1; i > 0; i--)
 862         {
 863             bUlogV = -i/invbinw + bU_logV_bin_limit - refvolshift + log(V_all/frame);
 864             fprintf(fp_tpi, "%6.2f %10d %12.5e\n",
 865                     bUlogV,
 866                     (int)(bin[i]+0.5),
 867                     bin[i]*exp(-bUlogV)*V_all/VembU_all);
 868         }
 869         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 870     }
 871     sfree(bin);
 872
 873     sfree(sum_UgembU);
 874
 875     walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, frame*inputrec->nsteps);
 876
 877     return 0;
 878 }