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 #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 "names.h"
  54 #include "gmx_fatal.h"
  55 #include "txtdump.h"
  56 #include "typedefs.h"
  57 #include "update.h"
  58 #include "constr.h"
  59 #include "vec.h"
  60 #include "tgroup.h"
  61 #include "mdebin.h"
  62 #include "vsite.h"
  63 #include "force.h"
  64 #include "mdrun.h"
  65 #include "domdec.h"
  66 #include "gromacs/random/random.h"
  67 #include "physics.h"
  68 #include "xvgr.h"
  69 #include "mdatoms.h"
  70 #include "ns.h"
  71 #include "mtop_util.h"
  72 #include "pme.h"
  73 #include "gromacs/gmxlib/conformation-utilities.h"
  74
  75 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  76 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  77 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  78 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
  79 #include "gromacs/timing/walltime_accounting.h"
  80
  81 static void global_max(t_commrec *cr, int *n)
  82 {
  83     int *sum, i;
  84
  85     snew(sum, cr->nnodes);
  86     sum[cr->nodeid] = *n;
  87     gmx_sumi(cr->nnodes, sum, cr);
  88     for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
  89     {
  90         *n = max(*n, sum[i]);
  91     }
  92
  93     sfree(sum);
  94 }
  95
  96 static void realloc_bins(double **bin, int *nbin, int nbin_new)
  97 {
  98     int i;
  99
 100     if (nbin_new != *nbin)
 101     {
 102         srenew(*bin, nbin_new);
 103         for (i = *nbin; i < nbin_new; i++)
 104         {
 105             (*bin)[i] = 0;
 106         }
 107         *nbin = nbin_new;
 108     }
 109 }
 110
 111 double do_tpi(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 112               int nfile, const t_filenm fnm[],
 113               const output_env_t oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
 114               int gmx_unused nstglobalcomm,
 115               gmx_vsite_t gmx_unused *vsite, gmx_constr_t gmx_unused constr,
 116               int gmx_unused stepout,
 117               t_inputrec *inputrec,
 118               gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
 119               t_state *state,
 120               t_mdatoms *mdatoms,
 121               t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 122               gmx_edsam_t gmx_unused ed,
 123               t_forcerec *fr,
 124               int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
 125               gmx_membed_t gmx_unused membed,
 126               real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
 127               const char gmx_unused *deviceOptions,
 128               int gmx_unused imdport,
 129               unsigned long gmx_unused Flags,
 130               gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting)
 131 {
 132     const char     *TPI = "Test Particle Insertion";
 133     gmx_localtop_t *top;
 134     gmx_groups_t   *groups;
 135     gmx_enerdata_t *enerd;
 136     rvec           *f;
 137     real            lambda, t, temp, beta, drmax, epot;
 138     double          embU, sum_embU, *sum_UgembU, V, V_all, VembU_all;
 139     t_trxstatus    *status;
 140     t_trxframe      rerun_fr;
 141     gmx_bool        bDispCorr, bCharge, bRFExcl, bNotLastFrame, bStateChanged, bNS;
 142     tensor          force_vir, shake_vir, vir, pres;
 143     int             cg_tp, a_tp0, a_tp1, ngid, gid_tp, nener, e;
 144     rvec           *x_mol;
 145     rvec            mu_tot, x_init, dx, x_tp;
 146     int             nnodes, frame;
 147     gmx_int64_t     frame_step_prev, frame_step;
 148     gmx_int64_t     nsteps, stepblocksize = 0, step;
 149     gmx_int64_t     rnd_count_stride, rnd_count;
 150     gmx_int64_t     seed;
 151     double          rnd[4];
 152     int             i, start, end;
 153     FILE           *fp_tpi = NULL;
 154     char           *ptr, *dump_pdb, **leg, str[STRLEN], str2[STRLEN];
 155     double          dbl, dump_ener;
 156     gmx_bool        bCavity;
 157     int             nat_cavity  = 0, d;
 158     real           *mass_cavity = NULL, mass_tot;
 159     int             nbin;
 160     double          invbinw, *bin, refvolshift, logV, bUlogV;
 161     real            dvdl, prescorr, enercorr, dvdlcorr;
 162     gmx_bool        bEnergyOutOfBounds;
 163     const char     *tpid_leg[2] = {"direct", "reweighted"};
 164
 165     /* Since there is no upper limit to the insertion energies,
 166      * we need to set an upper limit for the distribution output.
 167      */
 168     real bU_bin_limit      = 50;
 169     real bU_logV_bin_limit = bU_bin_limit + 10;
 170
 171     nnodes = cr->nnodes;
 172
 173     top = gmx_mtop_generate_local_top(top_global, inputrec);
 174
 175     groups = &top_global->groups;
 176
 177     bCavity = (inputrec->eI == eiTPIC);
 178     if (bCavity)
 179     {
 180         ptr = getenv("GMX_TPIC_MASSES");
 181         if (ptr == NULL)
 182         {
 183             nat_cavity = 1;
 184         }
 185         else
 186         {
 187             /* Read (multiple) masses from env var GMX_TPIC_MASSES,
 188              * The center of mass of the last atoms is then used for TPIC.
 189              */
 190             nat_cavity = 0;
 191             while (sscanf(ptr, "%lf%n", &dbl, &i) > 0)
 192             {
 193                 srenew(mass_cavity, nat_cavity+1);
 194                 mass_cavity[nat_cavity] = dbl;
 195                 fprintf(fplog, "mass[%d] = %f\n",
 196                         nat_cavity+1, mass_cavity[nat_cavity]);
 197                 nat_cavity++;
 198                 ptr += i;
 199             }
 200             if (nat_cavity == 0)
 201             {
 202                 gmx_fatal(FARGS, "Found %d masses in GMX_TPIC_MASSES", nat_cavity);
 203             }
 204         }
 205     }
 206
 207     /*
 208        init_em(fplog,TPI,inputrec,&lambda,nrnb,mu_tot,
 209        state->box,fr,mdatoms,top,cr,nfile,fnm,NULL,NULL);*/
 210     /* We never need full pbc for TPI */
 211     fr->ePBC = epbcXYZ;
 212     /* Determine the temperature for the Boltzmann weighting */
 213     temp = inputrec->opts.ref_t[0];
 214     if (fplog)
 215     {
 216         for (i = 1; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
 217         {
 218             if (inputrec->opts.ref_t[i] != temp)
 219             {
 220                 fprintf(fplog, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 221                 fprintf(stderr, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 222             }
 223         }
 224         fprintf(fplog,
 225                 "\n  The temperature for test particle insertion is %.3f K\n\n",
 226                 temp);
 227     }
 228     beta = 1.0/(BOLTZ*temp);
 229
 230     /* Number of insertions per frame */
 231     nsteps = inputrec->nsteps;
 232
 233     /* Use the same neighborlist with more insertions points
 234      * in a sphere of radius drmax around the initial point
 235      */
 236     /* This should be a proper mdp parameter */
 237     drmax = inputrec->rtpi;
 238
 239     /* An environment variable can be set to dump all configurations
 240      * to pdb with an insertion energy <= this value.
 241      */
 242     dump_pdb  = getenv("GMX_TPI_DUMP");
 243     dump_ener = 0;
 244     if (dump_pdb)
 245     {
 246         sscanf(dump_pdb, "%lf", &dump_ener);
 247     }
 248
 249     atoms2md(top_global, inputrec, 0, NULL, top_global->natoms, mdatoms);
 250     update_mdatoms(mdatoms, inputrec->fepvals->init_lambda);
 251
 252     snew(enerd, 1);
 253     init_enerdata(groups->grps[egcENER].nr, inputrec->fepvals->n_lambda, enerd);
 254     snew(f, top_global->natoms);
 255
 256     /* Print to log file  */
 257     walltime_accounting_start(walltime_accounting);
 258     wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
 259     print_start(fplog, cr, walltime_accounting, "Test Particle Insertion");
 260
 261     /* The last charge group is the group to be inserted */
 262     cg_tp = top->cgs.nr - 1;
 263     a_tp0 = top->cgs.index[cg_tp];
 264     a_tp1 = top->cgs.index[cg_tp+1];
 265     if (debug)
 266     {
 267         fprintf(debug, "TPI cg %d, atoms %d-%d\n", cg_tp, a_tp0, a_tp1);
 268     }
 269     if (a_tp1 - a_tp0 > 1 &&
 270         (inputrec->rlist < inputrec->rcoulomb ||
 271          inputrec->rlist < inputrec->rvdw))
 272     {
 273         gmx_fatal(FARGS, "Can not do TPI for multi-atom molecule with a twin-range cut-off");
 274     }
 275     snew(x_mol, a_tp1-a_tp0);
 276
 277     bDispCorr = (inputrec->eDispCorr != edispcNO);
 278     bCharge   = FALSE;
 279     for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 280     {
 281         /* Copy the coordinates of the molecule to be insterted */
 282         copy_rvec(state->x[i], x_mol[i-a_tp0]);
 283         /* Check if we need to print electrostatic energies */
 284         bCharge |= (mdatoms->chargeA[i] != 0 ||
 285                     (mdatoms->chargeB && mdatoms->chargeB[i] != 0));
 286     }
 287     bRFExcl = (bCharge && EEL_RF(fr->eeltype) && fr->eeltype != eelRF_NEC);
 288
 289     calc_cgcm(fplog, cg_tp, cg_tp+1, &(top->cgs), state->x, fr->cg_cm);
 290     if (bCavity)
 291     {
 292         if (norm(fr->cg_cm[cg_tp]) > 0.5*inputrec->rlist && fplog)
 293         {
 294             fprintf(fplog, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 295             fprintf(stderr, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 296         }
 297     }
 298     else
 299     {
 300         /* Center the molecule to be inserted at zero */
 301         for (i = 0; i < a_tp1-a_tp0; i++)
 302         {
 303             rvec_dec(x_mol[i], fr->cg_cm[cg_tp]);
 304         }
 305     }
 306
 307     if (fplog)
 308     {
 309         fprintf(fplog, "\nWill insert %d atoms %s partial charges\n",
 310                 a_tp1-a_tp0, bCharge ? "with" : "without");
 311
 312         fprintf(fplog, "\nWill insert %d times in each frame of %s\n",
 313                 (int)nsteps, opt2fn("-rerun", nfile, fnm));
 314     }
 315
 316     if (!bCavity)
 317     {
 318         if (inputrec->nstlist > 1)
 319         {
 320             if (drmax == 0 && a_tp1-a_tp0 == 1)
 321             {
 322                 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);
 323             }
 324             if (fplog)
 325             {
 326                 fprintf(fplog, "Will use the same neighborlist for %d insertions in a sphere of radius %f\n", inputrec->nstlist, drmax);
 327             }
 328         }
 329     }
 330     else
 331     {
 332         if (fplog)
 333         {
 334             fprintf(fplog, "Will insert randomly in a sphere of radius %f around the center of the cavity\n", drmax);
 335         }
 336     }
 337
 338     ngid   = groups->grps[egcENER].nr;
 339     gid_tp = GET_CGINFO_GID(fr->cginfo[cg_tp]);
 340     nener  = 1 + ngid;
 341     if (bDispCorr)
 342     {
 343         nener += 1;
 344     }
 345     if (bCharge)
 346     {
 347         nener += ngid;
 348         if (bRFExcl)
 349         {
 350             nener += 1;
 351         }
 352         if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 353         {
 354             nener += 1;
 355         }
 356     }
 357     snew(sum_UgembU, nener);
 358
 359     /* Copy the random seed set by the user */
 360     seed = inputrec->ld_seed;
 361     /* We use the frame step number as one random counter.
 362      * The second counter use the insertion (step) count. But we
 363      * need multiple random numbers per insertion. This number is
 364      * not fixed, since we generate random locations in a sphere
 365      * by putting locations in a cube and some of these fail.
 366      * A count of 20 is already extremely unlikely, so 10000 is
 367      * a safe margin for random numbers per insertion.
 368      */
 369     rnd_count_stride = 10000;
 370
 371     if (MASTER(cr))
 372     {
 373         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpi", nfile, fnm),
 374                           "TPI energies", "Time (ps)",
 375                           "(kJ mol\\S-1\\N) / (nm\\S3\\N)", oenv);
 376         xvgr_subtitle(fp_tpi, "f. are averages over one frame", oenv);
 377         snew(leg, 4+nener);
 378         e = 0;
 379         sprintf(str, "-kT log(<Ve\\S-\\betaU\\N>/<V>)");
 380         leg[e++] = strdup(str);
 381         sprintf(str, "f. -kT log<e\\S-\\betaU\\N>");
 382         leg[e++] = strdup(str);
 383         sprintf(str, "f. <e\\S-\\betaU\\N>");
 384         leg[e++] = strdup(str);
 385         sprintf(str, "f. V");
 386         leg[e++] = strdup(str);
 387         sprintf(str, "f. <Ue\\S-\\betaU\\N>");
 388         leg[e++] = strdup(str);
 389         for (i = 0; i < ngid; i++)
 390         {
 391             sprintf(str, "f. <U\\sVdW %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 392                     *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 393             leg[e++] = strdup(str);
 394         }
 395         if (bDispCorr)
 396         {
 397             sprintf(str, "f. <U\\sdisp c\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 398             leg[e++] = strdup(str);
 399         }
 400         if (bCharge)
 401         {
 402             for (i = 0; i < ngid; i++)
 403             {
 404                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 405                         *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 406                 leg[e++] = strdup(str);
 407             }
 408             if (bRFExcl)
 409             {
 410                 sprintf(str, "f. <U\\sRF excl\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 411                 leg[e++] = strdup(str);
 412             }
 413             if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 414             {
 415                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul recip\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 416                 leg[e++] = strdup(str);
 417             }
 418         }
 419         xvgr_legend(fp_tpi, 4+nener, (const char**)leg, oenv);
 420         for (i = 0; i < 4+nener; i++)
 421         {
 422             sfree(leg[i]);
 423         }
 424         sfree(leg);
 425     }
 426     clear_rvec(x_init);
 427     V_all     = 0;
 428     VembU_all = 0;
 429
 430     invbinw = 10;
 431     nbin    = 10;
 432     snew(bin, nbin);
 433
 434     /* Avoid frame step numbers <= -1 */
 435     frame_step_prev = -1;
 436
 437     bNotLastFrame = read_first_frame(oenv, &status, opt2fn("-rerun", nfile, fnm),
 438                                      &rerun_fr, TRX_NEED_X);
 439     frame = 0;
 440
 441     if (rerun_fr.natoms - (bCavity ? nat_cavity : 0) !=
 442         mdatoms->nr - (a_tp1 - a_tp0))
 443     {
 444         gmx_fatal(FARGS, "Number of atoms in trajectory (%d)%s "
 445                   "is not equal the number in the run input file (%d) "
 446                   "minus the number of atoms to insert (%d)\n",
 447                   rerun_fr.natoms, bCavity ? " minus one" : "",
 448                   mdatoms->nr, a_tp1-a_tp0);
 449     }
 450
 451     refvolshift = log(det(rerun_fr.box));
 452
 453     switch (inputrec->eI)
 454     {
 455         case eiTPI:
 456             stepblocksize = inputrec->nstlist;
 457             break;
 458         case eiTPIC:
 459             stepblocksize = 1;
 460             break;
 461         default:
 462             gmx_fatal(FARGS, "Unknown integrator %s", ei_names[inputrec->eI]);
 463     }
 464
 465 #ifdef GMX_SIMD
 466     /* Make sure we don't detect SIMD overflow generated before this point */
 467     gmx_simd_check_and_reset_overflow();
 468 #endif
 469
 470     while (bNotLastFrame)
 471     {
 472         frame_step      = rerun_fr.step;
 473         if (frame_step <= frame_step_prev)
 474         {
 475             /* We don't have step number in the trajectory file,
 476              * or we have constant or decreasing step numbers.
 477              * Ensure we have increasing step numbers, since we use
 478              * the step numbers as a counter for random numbers.
 479              */
 480             frame_step  = frame_step_prev + 1;
 481         }
 482         frame_step_prev = frame_step;
 483
 484         lambda = rerun_fr.lambda;
 485         t      = rerun_fr.time;
 486
 487         sum_embU = 0;
 488         for (e = 0; e < nener; e++)
 489         {
 490             sum_UgembU[e] = 0;
 491         }
 492
 493         /* Copy the coordinates from the input trajectory */
 494         for (i = 0; i < rerun_fr.natoms; i++)
 495         {
 496             copy_rvec(rerun_fr.x[i], state->x[i]);
 497         }
 498         copy_mat(rerun_fr.box, state->box);
 499
 500         V    = det(state->box);
 501         logV = log(V);
 502
 503         bStateChanged = TRUE;
 504         bNS           = TRUE;
 505
 506         step = cr->nodeid*stepblocksize;
 507         while (step < nsteps)
 508         {
 509             /* Initialize the second counter for random numbers using
 510              * the insertion step index. This ensures that we get
 511              * the same random numbers independently of how many
 512              * MPI ranks we use. Also for the same seed, we get
 513              * the same initial random sequence for different nsteps.
 514              */
 515             rnd_count = step*rnd_count_stride;
 516
 517             if (!bCavity)
 518             {
 519                 /* Random insertion in the whole volume */
 520                 bNS = (step % inputrec->nstlist == 0);
 521                 if (bNS)
 522                 {
 523                     /* Generate a random position in the box */
 524                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 525                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 526                     for (d = 0; d < DIM; d++)
 527                     {
 528                         x_init[d] = rnd[d]*state->box[d][d];
 529                     }
 530                 }
 531                 if (inputrec->nstlist == 1)
 532                 {
 533                     copy_rvec(x_init, x_tp);
 534                 }
 535                 else
 536                 {
 537                     /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 538                     do
 539                     {
 540                         gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 541                         gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 542                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 543                         {
 544                             dx[d] = (2*rnd[d] - 1)*drmax;
 545                         }
 546                     }
 547                     while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 548                     rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 549                 }
 550             }
 551             else
 552             {
 553                 /* Random insertion around a cavity location
 554                  * given by the last coordinate of the trajectory.
 555                  */
 556                 if (step == 0)
 557                 {
 558                     if (nat_cavity == 1)
 559                     {
 560                         /* Copy the location of the cavity */
 561                         copy_rvec(rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-1], x_init);
 562                     }
 563                     else
 564                     {
 565                         /* Determine the center of mass of the last molecule */
 566                         clear_rvec(x_init);
 567                         mass_tot = 0;
 568                         for (i = 0; i < nat_cavity; i++)
 569                         {
 570                             for (d = 0; d < DIM; d++)
 571                             {
 572                                 x_init[d] +=
 573                                     mass_cavity[i]*rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-nat_cavity+i][d];
 574                             }
 575                             mass_tot += mass_cavity[i];
 576                         }
 577                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 578                         {
 579                             x_init[d] /= mass_tot;
 580                         }
 581                     }
 582                 }
 583                 /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 584                 do
 585                 {
 586                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 587                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 588                     for (d = 0; d < DIM; d++)
 589                     {
 590                         dx[d] = (2*rnd[d] - 1)*drmax;
 591                     }
 592                 }
 593                 while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 594                 rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 595             }
 596
 597             if (a_tp1 - a_tp0 == 1)
 598             {
 599                 /* Insert a single atom, just copy the insertion location */
 600                 copy_rvec(x_tp, state->x[a_tp0]);
 601             }
 602             else
 603             {
 604                 /* Copy the coordinates from the top file */
 605                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 606                 {
 607                     copy_rvec(x_mol[i-a_tp0], state->x[i]);
 608                 }
 609                 /* Rotate the molecule randomly */
 610                 gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 611                 gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 612                 rotate_conf(a_tp1-a_tp0, state->x+a_tp0, NULL,
 613                             2*M_PI*rnd[0],
 614                             2*M_PI*rnd[1],
 615                             2*M_PI*rnd[2]);
 616                 /* Shift to the insertion location */
 617                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 618                 {
 619                     rvec_inc(state->x[i], x_tp);
 620                 }
 621             }
 622
 623             /* Clear some matrix variables  */
 624             clear_mat(force_vir);
 625             clear_mat(shake_vir);
 626             clear_mat(vir);
 627             clear_mat(pres);
 628
 629             /* Set the charge group center of mass of the test particle */
 630             copy_rvec(x_init, fr->cg_cm[top->cgs.nr-1]);
 631
 632             /* Calc energy (no forces) on new positions.
 633              * Since we only need the intermolecular energy
 634              * and the RF exclusion terms of the inserted molecule occur
 635              * within a single charge group we can pass NULL for the graph.
 636              * This also avoids shifts that would move charge groups
 637              * out of the box.
 638              *
 639              * Some checks above ensure than we can not have
 640              * twin-range interactions together with nstlist > 1,
 641              * therefore we do not need to remember the LR energies.
 642              */
 643             /* Make do_force do a single node force calculation */
 644             cr->nnodes = 1;
 645             do_force(fplog, cr, inputrec,
 646                      step, nrnb, wcycle, top, &top_global->groups,
 647                      state->box, state->x, &state->hist,
 648                      f, force_vir, mdatoms, enerd, fcd,
 649                      state->lambda,
 650                      NULL, fr, NULL, mu_tot, t, NULL, NULL, FALSE,
 651                      GMX_FORCE_NONBONDED | GMX_FORCE_ENERGY |
 652                      (bNS ? GMX_FORCE_DYNAMICBOX | GMX_FORCE_NS | GMX_FORCE_DO_LR : 0) |
 653                      (bStateChanged ? GMX_FORCE_STATECHANGED : 0));
 654             cr->nnodes    = nnodes;
 655             bStateChanged = FALSE;
 656             bNS           = FALSE;
 657
 658             /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
 659             calc_dispcorr(fplog, inputrec, fr, step, top_global->natoms, state->box,
 660                           lambda, pres, vir, &prescorr, &enercorr, &dvdlcorr);
 661             /* figure out how to rearrange the next 4 lines MRS 8/4/2009 */
 662             enerd->term[F_DISPCORR]  = enercorr;
 663             enerd->term[F_EPOT]     += enercorr;
 664             enerd->term[F_PRES]     += prescorr;
 665             enerd->term[F_DVDL_VDW] += dvdlcorr;
 666
 667             epot               = enerd->term[F_EPOT];
 668             bEnergyOutOfBounds = FALSE;
 669 #ifdef GMX_SIMD_X86_SSE2_OR_HIGHER
 670             /* With SSE the energy can overflow, check for this */
 671             if (gmx_mm_check_and_reset_overflow())
 672             {
 673                 if (debug)
 674                 {
 675                     fprintf(debug, "Found an SSE overflow, assuming the energy is out of bounds\n");
 676                 }
 677                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 678             }
 679 #endif
 680             /* If the compiler doesn't optimize this check away
 681              * we catch the NAN energies.
 682              * The epot>GMX_REAL_MAX check catches inf values,
 683              * which should nicely result in embU=0 through the exp below,
 684              * but it does not hurt to check anyhow.
 685              */
 686             /* Non-bonded Interaction usually diverge at r=0.
 687              * With tabulated interaction functions the first few entries
 688              * should be capped in a consistent fashion between
 689              * repulsion, dispersion and Coulomb to avoid accidental
 690              * negative values in the total energy.
 691              * The table generation code in tables.c does this.
 692              * With user tbales the user should take care of this.
 693              */
 694             if (epot != epot || epot > GMX_REAL_MAX)
 695             {
 696                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 697             }
 698             if (bEnergyOutOfBounds)
 699             {
 700                 if (debug)
 701                 {
 702                     fprintf(debug, "\n  time %.3f, step %d: non-finite energy %f, using exp(-bU)=0\n", t, (int)step, epot);
 703                 }
 704                 embU = 0;
 705             }
 706             else
 707             {
 708                 embU      = exp(-beta*epot);
 709                 sum_embU += embU;
 710                 /* Determine the weighted energy contributions of each energy group */
 711                 e                = 0;
 712                 sum_UgembU[e++] += epot*embU;
 713                 if (fr->bBHAM)
 714                 {
 715                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 716                     {
 717                         sum_UgembU[e++] +=
 718                             (enerd->grpp.ener[egBHAMSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 719                              enerd->grpp.ener[egBHAMLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 720                     }
 721                 }
 722                 else
 723                 {
 724                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 725                     {
 726                         sum_UgembU[e++] +=
 727                             (enerd->grpp.ener[egLJSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 728                              enerd->grpp.ener[egLJLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 729                     }
 730                 }
 731                 if (bDispCorr)
 732                 {
 733                     sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_DISPCORR]*embU;
 734                 }
 735                 if (bCharge)
 736                 {
 737                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 738                     {
 739                         sum_UgembU[e++] +=
 740                             (enerd->grpp.ener[egCOULSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 741                              enerd->grpp.ener[egCOULLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 742                     }
 743                     if (bRFExcl)
 744                     {
 745                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_RF_EXCL]*embU;
 746                     }
 747                     if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 748                     {
 749                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_COUL_RECIP]*embU;
 750                     }
 751                 }
 752             }
 753
 754             if (embU == 0 || beta*epot > bU_bin_limit)
 755             {
 756                 bin[0]++;
 757             }
 758             else
 759             {
 760                 i = (int)((bU_logV_bin_limit
 761                            - (beta*epot - logV + refvolshift))*invbinw
 762                           + 0.5);
 763                 if (i < 0)
 764                 {
 765                     i = 0;
 766                 }
 767                 if (i >= nbin)
 768                 {
 769                     realloc_bins(&bin, &nbin, i+10);
 770                 }
 771                 bin[i]++;
 772             }
 773
 774             if (debug)
 775             {
 776                 fprintf(debug, "TPI %7d %12.5e %12.5f %12.5f %12.5f\n",
 777                         (int)step, epot, x_tp[XX], x_tp[YY], x_tp[ZZ]);
 778             }
 779
 780             if (dump_pdb && epot <= dump_ener)
 781             {
 782                 sprintf(str, "t%g_step%d.pdb", t, (int)step);
 783                 sprintf(str2, "t: %f step %d ener: %f", t, (int)step, epot);
 784                 write_sto_conf_mtop(str, str2, top_global, state->x, state->v,
 785                                     inputrec->ePBC, state->box);
 786             }
 787
 788             step++;
 789             if ((step/stepblocksize) % cr->nnodes != cr->nodeid)
 790             {
 791                 /* Skip all steps assigned to the other MPI ranks */
 792                 step += (cr->nnodes - 1)*stepblocksize;
 793             }
 794         }
 795
 796         if (PAR(cr))
 797         {
 798             /* When running in parallel sum the energies over the processes */
 799             gmx_sumd(1,    &sum_embU, cr);
 800             gmx_sumd(nener, sum_UgembU, cr);
 801         }
 802
 803         frame++;
 804         V_all     += V;
 805         VembU_all += V*sum_embU/nsteps;
 806
 807         if (fp_tpi)
 808         {
 809             if (bVerbose || frame%10 == 0 || frame < 10)
 810             {
 811                 fprintf(stderr, "mu %10.3e <mu> %10.3e\n",
 812                         -log(sum_embU/nsteps)/beta, -log(VembU_all/V_all)/beta);
 813             }
 814
 815             fprintf(fp_tpi, "%10.3f %12.5e %12.5e %12.5e %12.5e",
 816                     t,
 817                     VembU_all == 0 ? 20/beta : -log(VembU_all/V_all)/beta,
 818                     sum_embU == 0  ? 20/beta : -log(sum_embU/nsteps)/beta,
 819                     sum_embU/nsteps, V);
 820             for (e = 0; e < nener; e++)
 821             {
 822                 fprintf(fp_tpi, " %12.5e", sum_UgembU[e]/nsteps);
 823             }
 824             fprintf(fp_tpi, "\n");
 825             fflush(fp_tpi);
 826         }
 827
 828         bNotLastFrame = read_next_frame(oenv, status, &rerun_fr);
 829     } /* End of the loop  */
 830     walltime_accounting_end(walltime_accounting);
 831
 832     close_trj(status);
 833
 834     if (fp_tpi != NULL)
 835     {
 836         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 837     }
 838
 839     if (fplog != NULL)
 840     {
 841         fprintf(fplog, "\n");
 842         fprintf(fplog, "  <V>  = %12.5e nm^3\n", V_all/frame);
 843         fprintf(fplog, "  <mu> = %12.5e kJ/mol\n", -log(VembU_all/V_all)/beta);
 844     }
 845
 846     /* Write the Boltzmann factor histogram */
 847     if (PAR(cr))
 848     {
 849         /* When running in parallel sum the bins over the processes */
 850         i = nbin;
 851         global_max(cr, &i);
 852         realloc_bins(&bin, &nbin, i);
 853         gmx_sumd(nbin, bin, cr);
 854     }
 855     if (MASTER(cr))
 856     {
 857         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpid", nfile, fnm),
 858                           "TPI energy distribution",
 859                           "\\betaU - log(V/<V>)", "count", oenv);
 860         sprintf(str, "number \\betaU > %g: %9.3e", bU_bin_limit, bin[0]);
 861         xvgr_subtitle(fp_tpi, str, oenv);
 862         xvgr_legend(fp_tpi, 2, (const char **)tpid_leg, oenv);
 863         for (i = nbin-1; i > 0; i--)
 864         {
 865             bUlogV = -i/invbinw + bU_logV_bin_limit - refvolshift + log(V_all/frame);
 866             fprintf(fp_tpi, "%6.2f %10d %12.5e\n",
 867                     bUlogV,
 868                     (int)(bin[i]+0.5),
 869                     bin[i]*exp(-bUlogV)*V_all/VembU_all);
 870         }
 871         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 872     }
 873     sfree(bin);
 874
 875     sfree(sum_UgembU);
 876
 877     walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, frame*inputrec->nsteps);
 878
 879     return 0;
 880 }