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, 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 <time.h>
  43 #include <math.h>
  44 #include "sysstuff.h"
  45 #include "string2.h"
  46 #include "network.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 "tgroup.h"
  63 #include "mdebin.h"
  64 #include "vsite.h"
  65 #include "force.h"
  66 #include "mdrun.h"
  67 #include "domdec.h"
  68 #include "partdec.h"
  69 #include "gmx_random.h"
  70 #include "physics.h"
  71 #include "xvgr.h"
  72 #include "mdatoms.h"
  73 #include "ns.h"
  74 #include "mtop_util.h"
  75 #include "pme.h"
  76 #include "gbutil.h"
  77
  78 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  79 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  80 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  81 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
  82 #include "gromacs/timing/walltime_accounting.h"
  83
  84 #ifdef GMX_X86_SSE2
  85 #include "gromacs/simd/general_x86_sse2.h"
  86 #endif
  87
  88
  89 static void global_max(t_commrec *cr, int *n)
  90 {
  91     int *sum, i;
  92
  93     snew(sum, cr->nnodes);
  94     sum[cr->nodeid] = *n;
  95     gmx_sumi(cr->nnodes, sum, cr);
  96     for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
  97     {
  98         *n = max(*n, sum[i]);
  99     }
 100
 101     sfree(sum);
 102 }
 103
 104 static void realloc_bins(double **bin, int *nbin, int nbin_new)
 105 {
 106     int i;
 107
 108     if (nbin_new != *nbin)
 109     {
 110         srenew(*bin, nbin_new);
 111         for (i = *nbin; i < nbin_new; i++)
 112         {
 113             (*bin)[i] = 0;
 114         }
 115         *nbin = nbin_new;
 116     }
 117 }
 118
 119 double do_tpi(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 120               int nfile, const t_filenm fnm[],
 121               const output_env_t oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
 122               int gmx_unused nstglobalcomm,
 123               gmx_vsite_t gmx_unused *vsite, gmx_constr_t gmx_unused constr,
 124               int gmx_unused stepout,
 125               t_inputrec *inputrec,
 126               gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
 127               t_state *state,
 128               t_mdatoms *mdatoms,
 129               t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 130               gmx_edsam_t gmx_unused ed,
 131               t_forcerec *fr,
 132               int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
 133               gmx_membed_t gmx_unused membed,
 134               real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
 135               const char gmx_unused *deviceOptions,
 136               unsigned long gmx_unused Flags,
 137               gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting)
 138 {
 139     const char     *TPI = "Test Particle Insertion";
 140     gmx_localtop_t *top;
 141     gmx_groups_t   *groups;
 142     gmx_enerdata_t *enerd;
 143     rvec           *f;
 144     real            lambda, t, temp, beta, drmax, epot;
 145     double          embU, sum_embU, *sum_UgembU, V, V_all, VembU_all;
 146     t_trxstatus    *status;
 147     t_trxframe      rerun_fr;
 148     gmx_bool        bDispCorr, bCharge, bRFExcl, bNotLastFrame, bStateChanged, bNS, bOurStep;
 149     tensor          force_vir, shake_vir, vir, pres;
 150     int             cg_tp, a_tp0, a_tp1, ngid, gid_tp, nener, e;
 151     rvec           *x_mol;
 152     rvec            mu_tot, x_init, dx, x_tp;
 153     int             nnodes, frame, nsteps, step;
 154     int             i, start, end;
 155     gmx_rng_t       tpi_rand;
 156     FILE           *fp_tpi = NULL;
 157     char           *ptr, *dump_pdb, **leg, str[STRLEN], str2[STRLEN];
 158     double          dbl, dump_ener;
 159     gmx_bool        bCavity;
 160     int             nat_cavity  = 0, d;
 161     real           *mass_cavity = NULL, mass_tot;
 162     int             nbin;
 163     double          invbinw, *bin, refvolshift, logV, bUlogV;
 164     real            dvdl, prescorr, enercorr, dvdlcorr;
 165     gmx_bool        bEnergyOutOfBounds;
 166     const char     *tpid_leg[2] = {"direct", "reweighted"};
 167
 168     /* Since there is no upper limit to the insertion energies,
 169      * we need to set an upper limit for the distribution output.
 170      */
 171     real bU_bin_limit      = 50;
 172     real bU_logV_bin_limit = bU_bin_limit + 10;
 173
 174     nnodes = cr->nnodes;
 175
 176     top = gmx_mtop_generate_local_top(top_global, inputrec);
 177
 178     groups = &top_global->groups;
 179
 180     bCavity = (inputrec->eI == eiTPIC);
 181     if (bCavity)
 182     {
 183         ptr = getenv("GMX_TPIC_MASSES");
 184         if (ptr == NULL)
 185         {
 186             nat_cavity = 1;
 187         }
 188         else
 189         {
 190             /* Read (multiple) masses from env var GMX_TPIC_MASSES,
 191              * The center of mass of the last atoms is then used for TPIC.
 192              */
 193             nat_cavity = 0;
 194             while (sscanf(ptr, "%lf%n", &dbl, &i) > 0)
 195             {
 196                 srenew(mass_cavity, nat_cavity+1);
 197                 mass_cavity[nat_cavity] = dbl;
 198                 fprintf(fplog, "mass[%d] = %f\n",
 199                         nat_cavity+1, mass_cavity[nat_cavity]);
 200                 nat_cavity++;
 201                 ptr += i;
 202             }
 203             if (nat_cavity == 0)
 204             {
 205                 gmx_fatal(FARGS, "Found %d masses in GMX_TPIC_MASSES", nat_cavity);
 206             }
 207         }
 208     }
 209
 210     /*
 211        init_em(fplog,TPI,inputrec,&lambda,nrnb,mu_tot,
 212        state->box,fr,mdatoms,top,cr,nfile,fnm,NULL,NULL);*/
 213     /* We never need full pbc for TPI */
 214     fr->ePBC = epbcXYZ;
 215     /* Determine the temperature for the Boltzmann weighting */
 216     temp = inputrec->opts.ref_t[0];
 217     if (fplog)
 218     {
 219         for (i = 1; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
 220         {
 221             if (inputrec->opts.ref_t[i] != temp)
 222             {
 223                 fprintf(fplog, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 224                 fprintf(stderr, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 225             }
 226         }
 227         fprintf(fplog,
 228                 "\n  The temperature for test particle insertion is %.3f K\n\n",
 229                 temp);
 230     }
 231     beta = 1.0/(BOLTZ*temp);
 232
 233     /* Number of insertions per frame */
 234     nsteps = inputrec->nsteps;
 235
 236     /* Use the same neighborlist with more insertions points
 237      * in a sphere of radius drmax around the initial point
 238      */
 239     /* This should be a proper mdp parameter */
 240     drmax = inputrec->rtpi;
 241
 242     /* An environment variable can be set to dump all configurations
 243      * to pdb with an insertion energy <= this value.
 244      */
 245     dump_pdb  = getenv("GMX_TPI_DUMP");
 246     dump_ener = 0;
 247     if (dump_pdb)
 248     {
 249         sscanf(dump_pdb, "%lf", &dump_ener);
 250     }
 251
 252     atoms2md(top_global, inputrec, 0, NULL, 0, top_global->natoms, mdatoms);
 253     update_mdatoms(mdatoms, inputrec->fepvals->init_lambda);
 254
 255     snew(enerd, 1);
 256     init_enerdata(groups->grps[egcENER].nr, inputrec->fepvals->n_lambda, enerd);
 257     snew(f, top_global->natoms);
 258
 259     /* Print to log file  */
 260     walltime_accounting_start(walltime_accounting);
 261     print_date_and_time(fplog, cr->nodeid,
 262                         "Started Test Particle Insertion",
 263                         walltime_accounting);
 264     wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
 265
 266     /* The last charge group is the group to be inserted */
 267     cg_tp = top->cgs.nr - 1;
 268     a_tp0 = top->cgs.index[cg_tp];
 269     a_tp1 = top->cgs.index[cg_tp+1];
 270     if (debug)
 271     {
 272         fprintf(debug, "TPI cg %d, atoms %d-%d\n", cg_tp, a_tp0, a_tp1);
 273     }
 274     if (a_tp1 - a_tp0 > 1 &&
 275         (inputrec->rlist < inputrec->rcoulomb ||
 276          inputrec->rlist < inputrec->rvdw))
 277     {
 278         gmx_fatal(FARGS, "Can not do TPI for multi-atom molecule with a twin-range cut-off");
 279     }
 280     snew(x_mol, a_tp1-a_tp0);
 281
 282     bDispCorr = (inputrec->eDispCorr != edispcNO);
 283     bCharge   = FALSE;
 284     for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 285     {
 286         /* Copy the coordinates of the molecule to be insterted */
 287         copy_rvec(state->x[i], x_mol[i-a_tp0]);
 288         /* Check if we need to print electrostatic energies */
 289         bCharge |= (mdatoms->chargeA[i] != 0 ||
 290                     (mdatoms->chargeB && mdatoms->chargeB[i] != 0));
 291     }
 292     bRFExcl = (bCharge && EEL_RF(fr->eeltype) && fr->eeltype != eelRF_NEC);
 293
 294     calc_cgcm(fplog, cg_tp, cg_tp+1, &(top->cgs), state->x, fr->cg_cm);
 295     if (bCavity)
 296     {
 297         if (norm(fr->cg_cm[cg_tp]) > 0.5*inputrec->rlist && fplog)
 298         {
 299             fprintf(fplog, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 300             fprintf(stderr, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 301         }
 302     }
 303     else
 304     {
 305         /* Center the molecule to be inserted at zero */
 306         for (i = 0; i < a_tp1-a_tp0; i++)
 307         {
 308             rvec_dec(x_mol[i], fr->cg_cm[cg_tp]);
 309         }
 310     }
 311
 312     if (fplog)
 313     {
 314         fprintf(fplog, "\nWill insert %d atoms %s partial charges\n",
 315                 a_tp1-a_tp0, bCharge ? "with" : "without");
 316
 317         fprintf(fplog, "\nWill insert %d times in each frame of %s\n",
 318                 nsteps, opt2fn("-rerun", nfile, fnm));
 319     }
 320
 321     if (!bCavity)
 322     {
 323         if (inputrec->nstlist > 1)
 324         {
 325             if (drmax == 0 && a_tp1-a_tp0 == 1)
 326             {
 327                 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);
 328             }
 329             if (fplog)
 330             {
 331                 fprintf(fplog, "Will use the same neighborlist for %d insertions in a sphere of radius %f\n", inputrec->nstlist, drmax);
 332             }
 333         }
 334     }
 335     else
 336     {
 337         if (fplog)
 338         {
 339             fprintf(fplog, "Will insert randomly in a sphere of radius %f around the center of the cavity\n", drmax);
 340         }
 341     }
 342
 343     ngid   = groups->grps[egcENER].nr;
 344     gid_tp = GET_CGINFO_GID(fr->cginfo[cg_tp]);
 345     nener  = 1 + ngid;
 346     if (bDispCorr)
 347     {
 348         nener += 1;
 349     }
 350     if (bCharge)
 351     {
 352         nener += ngid;
 353         if (bRFExcl)
 354         {
 355             nener += 1;
 356         }
 357         if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 358         {
 359             nener += 1;
 360         }
 361     }
 362     snew(sum_UgembU, nener);
 363
 364     /* Initialize random generator */
 365     tpi_rand = gmx_rng_init(inputrec->ld_seed);
 366
 367     if (MASTER(cr))
 368     {
 369         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpi", nfile, fnm),
 370                           "TPI energies", "Time (ps)",
 371                           "(kJ mol\\S-1\\N) / (nm\\S3\\N)", oenv);
 372         xvgr_subtitle(fp_tpi, "f. are averages over one frame", oenv);
 373         snew(leg, 4+nener);
 374         e = 0;
 375         sprintf(str, "-kT log(<Ve\\S-\\betaU\\N>/<V>)");
 376         leg[e++] = strdup(str);
 377         sprintf(str, "f. -kT log<e\\S-\\betaU\\N>");
 378         leg[e++] = strdup(str);
 379         sprintf(str, "f. <e\\S-\\betaU\\N>");
 380         leg[e++] = strdup(str);
 381         sprintf(str, "f. V");
 382         leg[e++] = strdup(str);
 383         sprintf(str, "f. <Ue\\S-\\betaU\\N>");
 384         leg[e++] = strdup(str);
 385         for (i = 0; i < ngid; i++)
 386         {
 387             sprintf(str, "f. <U\\sVdW %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 388                     *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 389             leg[e++] = strdup(str);
 390         }
 391         if (bDispCorr)
 392         {
 393             sprintf(str, "f. <U\\sdisp c\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 394             leg[e++] = strdup(str);
 395         }
 396         if (bCharge)
 397         {
 398             for (i = 0; i < ngid; i++)
 399             {
 400                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 401                         *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 402                 leg[e++] = strdup(str);
 403             }
 404             if (bRFExcl)
 405             {
 406                 sprintf(str, "f. <U\\sRF excl\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 407                 leg[e++] = strdup(str);
 408             }
 409             if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 410             {
 411                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul recip\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 412                 leg[e++] = strdup(str);
 413             }
 414         }
 415         xvgr_legend(fp_tpi, 4+nener, (const char**)leg, oenv);
 416         for (i = 0; i < 4+nener; i++)
 417         {
 418             sfree(leg[i]);
 419         }
 420         sfree(leg);
 421     }
 422     clear_rvec(x_init);
 423     V_all     = 0;
 424     VembU_all = 0;
 425
 426     invbinw = 10;
 427     nbin    = 10;
 428     snew(bin, nbin);
 429
 430     bNotLastFrame = read_first_frame(oenv, &status, opt2fn("-rerun", nfile, fnm),
 431                                      &rerun_fr, TRX_NEED_X);
 432     frame = 0;
 433
 434     if (rerun_fr.natoms - (bCavity ? nat_cavity : 0) !=
 435         mdatoms->nr - (a_tp1 - a_tp0))
 436     {
 437         gmx_fatal(FARGS, "Number of atoms in trajectory (%d)%s "
 438                   "is not equal the number in the run input file (%d) "
 439                   "minus the number of atoms to insert (%d)\n",
 440                   rerun_fr.natoms, bCavity ? " minus one" : "",
 441                   mdatoms->nr, a_tp1-a_tp0);
 442     }
 443
 444     refvolshift = log(det(rerun_fr.box));
 445
 446 #ifdef GMX_X86_SSE2
 447     /* Make sure we don't detect SSE overflow generated before this point */
 448     gmx_mm_check_and_reset_overflow();
 449 #endif
 450
 451     while (bNotLastFrame)
 452     {
 453         lambda = rerun_fr.lambda;
 454         t      = rerun_fr.time;
 455
 456         sum_embU = 0;
 457         for (e = 0; e < nener; e++)
 458         {
 459             sum_UgembU[e] = 0;
 460         }
 461
 462         /* Copy the coordinates from the input trajectory */
 463         for (i = 0; i < rerun_fr.natoms; i++)
 464         {
 465             copy_rvec(rerun_fr.x[i], state->x[i]);
 466         }
 467         copy_mat(rerun_fr.box, state->box);
 468
 469         V    = det(state->box);
 470         logV = log(V);
 471
 472         bStateChanged = TRUE;
 473         bNS           = TRUE;
 474         for (step = 0; step < nsteps; step++)
 475         {
 476             /* In parallel all nodes generate all random configurations.
 477              * In that way the result is identical to a single cpu tpi run.
 478              */
 479             if (!bCavity)
 480             {
 481                 /* Random insertion in the whole volume */
 482                 bNS = (step % inputrec->nstlist == 0);
 483                 if (bNS)
 484                 {
 485                     /* Generate a random position in the box */
 486                     x_init[XX] = gmx_rng_uniform_real(tpi_rand)*state->box[XX][XX];
 487                     x_init[YY] = gmx_rng_uniform_real(tpi_rand)*state->box[YY][YY];
 488                     x_init[ZZ] = gmx_rng_uniform_real(tpi_rand)*state->box[ZZ][ZZ];
 489                 }
 490                 if (inputrec->nstlist == 1)
 491                 {
 492                     copy_rvec(x_init, x_tp);
 493                 }
 494                 else
 495                 {
 496                     /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 497                     do
 498                     {
 499                         dx[XX] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 500                         dx[YY] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 501                         dx[ZZ] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 502                     }
 503                     while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 504                     rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 505                 }
 506             }
 507             else
 508             {
 509                 /* Random insertion around a cavity location
 510                  * given by the last coordinate of the trajectory.
 511                  */
 512                 if (step == 0)
 513                 {
 514                     if (nat_cavity == 1)
 515                     {
 516                         /* Copy the location of the cavity */
 517                         copy_rvec(rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-1], x_init);
 518                     }
 519                     else
 520                     {
 521                         /* Determine the center of mass of the last molecule */
 522                         clear_rvec(x_init);
 523                         mass_tot = 0;
 524                         for (i = 0; i < nat_cavity; i++)
 525                         {
 526                             for (d = 0; d < DIM; d++)
 527                             {
 528                                 x_init[d] +=
 529                                     mass_cavity[i]*rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-nat_cavity+i][d];
 530                             }
 531                             mass_tot += mass_cavity[i];
 532                         }
 533                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 534                         {
 535                             x_init[d] /= mass_tot;
 536                         }
 537                     }
 538                 }
 539                 /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 540                 do
 541                 {
 542                     dx[XX] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 543                     dx[YY] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 544                     dx[ZZ] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 545                 }
 546                 while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 547                 rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 548             }
 549
 550             if (a_tp1 - a_tp0 == 1)
 551             {
 552                 /* Insert a single atom, just copy the insertion location */
 553                 copy_rvec(x_tp, state->x[a_tp0]);
 554             }
 555             else
 556             {
 557                 /* Copy the coordinates from the top file */
 558                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 559                 {
 560                     copy_rvec(x_mol[i-a_tp0], state->x[i]);
 561                 }
 562                 /* Rotate the molecule randomly */
 563                 rotate_conf(a_tp1-a_tp0, state->x+a_tp0, NULL,
 564                             2*M_PI*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand),
 565                             2*M_PI*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand),
 566                             2*M_PI*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand));
 567                 /* Shift to the insertion location */
 568                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 569                 {
 570                     rvec_inc(state->x[i], x_tp);
 571                 }
 572             }
 573
 574             /* Check if this insertion belongs to this node */
 575             bOurStep = TRUE;
 576             if (PAR(cr))
 577             {
 578                 switch (inputrec->eI)
 579                 {
 580                     case eiTPI:
 581                         bOurStep = ((step / inputrec->nstlist) % nnodes == cr->nodeid);
 582                         break;
 583                     case eiTPIC:
 584                         bOurStep = (step % nnodes == cr->nodeid);
 585                         break;
 586                     default:
 587                         gmx_fatal(FARGS, "Unknown integrator %s", ei_names[inputrec->eI]);
 588                 }
 589             }
 590             if (bOurStep)
 591             {
 592                 /* Clear some matrix variables  */
 593                 clear_mat(force_vir);
 594                 clear_mat(shake_vir);
 595                 clear_mat(vir);
 596                 clear_mat(pres);
 597
 598                 /* Set the charge group center of mass of the test particle */
 599                 copy_rvec(x_init, fr->cg_cm[top->cgs.nr-1]);
 600
 601                 /* Calc energy (no forces) on new positions.
 602                  * Since we only need the intermolecular energy
 603                  * and the RF exclusion terms of the inserted molecule occur
 604                  * within a single charge group we can pass NULL for the graph.
 605                  * This also avoids shifts that would move charge groups
 606                  * out of the box.
 607                  *
 608                  * Some checks above ensure than we can not have
 609                  * twin-range interactions together with nstlist > 1,
 610                  * therefore we do not need to remember the LR energies.
 611                  */
 612                 /* Make do_force do a single node force calculation */
 613                 cr->nnodes = 1;
 614                 do_force(fplog, cr, inputrec,
 615                          step, nrnb, wcycle, top, &top_global->groups,
 616                          state->box, state->x, &state->hist,
 617                          f, force_vir, mdatoms, enerd, fcd,
 618                          state->lambda,
 619                          NULL, fr, NULL, mu_tot, t, NULL, NULL, FALSE,
 620                          GMX_FORCE_NONBONDED | GMX_FORCE_ENERGY |
 621                          (bNS ? GMX_FORCE_DYNAMICBOX | GMX_FORCE_NS | GMX_FORCE_DO_LR : 0) |
 622                          (bStateChanged ? GMX_FORCE_STATECHANGED : 0));
 623                 cr->nnodes    = nnodes;
 624                 bStateChanged = FALSE;
 625                 bNS           = FALSE;
 626
 627                 /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
 628                 calc_dispcorr(fplog, inputrec, fr, step, top_global->natoms, state->box,
 629                               lambda, pres, vir, &prescorr, &enercorr, &dvdlcorr);
 630                 /* figure out how to rearrange the next 4 lines MRS 8/4/2009 */
 631                 enerd->term[F_DISPCORR]  = enercorr;
 632                 enerd->term[F_EPOT]     += enercorr;
 633                 enerd->term[F_PRES]     += prescorr;
 634                 enerd->term[F_DVDL_VDW] += dvdlcorr;
 635
 636                 epot               = enerd->term[F_EPOT];
 637                 bEnergyOutOfBounds = FALSE;
 638 #ifdef GMX_X86_SSE2
 639                 /* With SSE the energy can overflow, check for this */
 640                 if (gmx_mm_check_and_reset_overflow())
 641                 {
 642                     if (debug)
 643                     {
 644                         fprintf(debug, "Found an SSE overflow, assuming the energy is out of bounds\n");
 645                     }
 646                     bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 647                 }
 648 #endif
 649                 /* If the compiler doesn't optimize this check away
 650                  * we catch the NAN energies.
 651                  * The epot>GMX_REAL_MAX check catches inf values,
 652                  * which should nicely result in embU=0 through the exp below,
 653                  * but it does not hurt to check anyhow.
 654                  */
 655                 /* Non-bonded Interaction usually diverge at r=0.
 656                  * With tabulated interaction functions the first few entries
 657                  * should be capped in a consistent fashion between
 658                  * repulsion, dispersion and Coulomb to avoid accidental
 659                  * negative values in the total energy.
 660                  * The table generation code in tables.c does this.
 661                  * With user tbales the user should take care of this.
 662                  */
 663                 if (epot != epot || epot > GMX_REAL_MAX)
 664                 {
 665                     bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 666                 }
 667                 if (bEnergyOutOfBounds)
 668                 {
 669                     if (debug)
 670                     {
 671                         fprintf(debug, "\n  time %.3f, step %d: non-finite energy %f, using exp(-bU)=0\n", t, step, epot);
 672                     }
 673                     embU = 0;
 674                 }
 675                 else
 676                 {
 677                     embU      = exp(-beta*epot);
 678                     sum_embU += embU;
 679                     /* Determine the weighted energy contributions of each energy group */
 680                     e                = 0;
 681                     sum_UgembU[e++] += epot*embU;
 682                     if (fr->bBHAM)
 683                     {
 684                         for (i = 0; i < ngid; i++)
 685                         {
 686                             sum_UgembU[e++] +=
 687                                 (enerd->grpp.ener[egBHAMSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 688                                  enerd->grpp.ener[egBHAMLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 689                         }
 690                     }
 691                     else
 692                     {
 693                         for (i = 0; i < ngid; i++)
 694                         {
 695                             sum_UgembU[e++] +=
 696                                 (enerd->grpp.ener[egLJSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 697                                  enerd->grpp.ener[egLJLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 698                         }
 699                     }
 700                     if (bDispCorr)
 701                     {
 702                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_DISPCORR]*embU;
 703                     }
 704                     if (bCharge)
 705                     {
 706                         for (i = 0; i < ngid; i++)
 707                         {
 708                             sum_UgembU[e++] +=
 709                                 (enerd->grpp.ener[egCOULSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 710                                  enerd->grpp.ener[egCOULLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 711                         }
 712                         if (bRFExcl)
 713                         {
 714                             sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_RF_EXCL]*embU;
 715                         }
 716                         if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 717                         {
 718                             sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_COUL_RECIP]*embU;
 719                         }
 720                     }
 721                 }
 722
 723                 if (embU == 0 || beta*epot > bU_bin_limit)
 724                 {
 725                     bin[0]++;
 726                 }
 727                 else
 728                 {
 729                     i = (int)((bU_logV_bin_limit
 730                                - (beta*epot - logV + refvolshift))*invbinw
 731                               + 0.5);
 732                     if (i < 0)
 733                     {
 734                         i = 0;
 735                     }
 736                     if (i >= nbin)
 737                     {
 738                         realloc_bins(&bin, &nbin, i+10);
 739                     }
 740                     bin[i]++;
 741                 }
 742
 743                 if (debug)
 744                 {
 745                     fprintf(debug, "TPI %7d %12.5e %12.5f %12.5f %12.5f\n",
 746                             step, epot, x_tp[XX], x_tp[YY], x_tp[ZZ]);
 747                 }
 748
 749                 if (dump_pdb && epot <= dump_ener)
 750                 {
 751                     sprintf(str, "t%g_step%d.pdb", t, step);
 752                     sprintf(str2, "t: %f step %d ener: %f", t, step, epot);
 753                     write_sto_conf_mtop(str, str2, top_global, state->x, state->v,
 754                                         inputrec->ePBC, state->box);
 755                 }
 756             }
 757         }
 758
 759         if (PAR(cr))
 760         {
 761             /* When running in parallel sum the energies over the processes */
 762             gmx_sumd(1,    &sum_embU, cr);
 763             gmx_sumd(nener, sum_UgembU, cr);
 764         }
 765
 766         frame++;
 767         V_all     += V;
 768         VembU_all += V*sum_embU/nsteps;
 769
 770         if (fp_tpi)
 771         {
 772             if (bVerbose || frame%10 == 0 || frame < 10)
 773             {
 774                 fprintf(stderr, "mu %10.3e <mu> %10.3e\n",
 775                         -log(sum_embU/nsteps)/beta, -log(VembU_all/V_all)/beta);
 776             }
 777
 778             fprintf(fp_tpi, "%10.3f %12.5e %12.5e %12.5e %12.5e",
 779                     t,
 780                     VembU_all == 0 ? 20/beta : -log(VembU_all/V_all)/beta,
 781                     sum_embU == 0  ? 20/beta : -log(sum_embU/nsteps)/beta,
 782                     sum_embU/nsteps, V);
 783             for (e = 0; e < nener; e++)
 784             {
 785                 fprintf(fp_tpi, " %12.5e", sum_UgembU[e]/nsteps);
 786             }
 787             fprintf(fp_tpi, "\n");
 788             fflush(fp_tpi);
 789         }
 790
 791         bNotLastFrame = read_next_frame(oenv, status, &rerun_fr);
 792     } /* End of the loop  */
 793     walltime_accounting_end(walltime_accounting);
 794
 795     close_trj(status);
 796
 797     if (fp_tpi != NULL)
 798     {
 799         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 800     }
 801
 802     if (fplog != NULL)
 803     {
 804         fprintf(fplog, "\n");
 805         fprintf(fplog, "  <V>  = %12.5e nm^3\n", V_all/frame);
 806         fprintf(fplog, "  <mu> = %12.5e kJ/mol\n", -log(VembU_all/V_all)/beta);
 807     }
 808
 809     /* Write the Boltzmann factor histogram */
 810     if (PAR(cr))
 811     {
 812         /* When running in parallel sum the bins over the processes */
 813         i = nbin;
 814         global_max(cr, &i);
 815         realloc_bins(&bin, &nbin, i);
 816         gmx_sumd(nbin, bin, cr);
 817     }
 818     if (MASTER(cr))
 819     {
 820         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpid", nfile, fnm),
 821                           "TPI energy distribution",
 822                           "\\betaU - log(V/<V>)", "count", oenv);
 823         sprintf(str, "number \\betaU > %g: %9.3e", bU_bin_limit, bin[0]);
 824         xvgr_subtitle(fp_tpi, str, oenv);
 825         xvgr_legend(fp_tpi, 2, (const char **)tpid_leg, oenv);
 826         for (i = nbin-1; i > 0; i--)
 827         {
 828             bUlogV = -i/invbinw + bU_logV_bin_limit - refvolshift + log(V_all/frame);
 829             fprintf(fp_tpi, "%6.2f %10d %12.5e\n",
 830                     bUlogV,
 831                     (int)(bin[i]+0.5),
 832                     bin[i]*exp(-bUlogV)*V_all/VembU_all);
 833         }
 834         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 835     }
 836     sfree(bin);
 837
 838     sfree(sum_UgembU);
 839
 840     walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, frame*inputrec->nsteps);
 841
 842     return 0;
 843 }