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 #ifdef GMX_SIMD_X86_SSE2_OR_HIGHER
  82 #include "gromacs/simd/general_x86_sse2.h"
  83 #endif
  84
  85
  86 static void global_max(t_commrec *cr, int *n)
  87 {
  88     int *sum, i;
  89
  90     snew(sum, cr->nnodes);
  91     sum[cr->nodeid] = *n;
  92     gmx_sumi(cr->nnodes, sum, cr);
  93     for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
  94     {
  95         *n = max(*n, sum[i]);
  96     }
  97
  98     sfree(sum);
  99 }
 100
 101 static void realloc_bins(double **bin, int *nbin, int nbin_new)
 102 {
 103     int i;
 104
 105     if (nbin_new != *nbin)
 106     {
 107         srenew(*bin, nbin_new);
 108         for (i = *nbin; i < nbin_new; i++)
 109         {
 110             (*bin)[i] = 0;
 111         }
 112         *nbin = nbin_new;
 113     }
 114 }
 115
 116 double do_tpi(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 117               int nfile, const t_filenm fnm[],
 118               const output_env_t oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
 119               int gmx_unused nstglobalcomm,
 120               gmx_vsite_t gmx_unused *vsite, gmx_constr_t gmx_unused constr,
 121               int gmx_unused stepout,
 122               t_inputrec *inputrec,
 123               gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
 124               t_state *state,
 125               t_mdatoms *mdatoms,
 126               t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 127               gmx_edsam_t gmx_unused ed,
 128               t_forcerec *fr,
 129               int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
 130               gmx_membed_t gmx_unused membed,
 131               real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
 132               const char gmx_unused *deviceOptions,
 133               unsigned long gmx_unused Flags,
 134               gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting)
 135 {
 136     const char     *TPI = "Test Particle Insertion";
 137     gmx_localtop_t *top;
 138     gmx_groups_t   *groups;
 139     gmx_enerdata_t *enerd;
 140     rvec           *f;
 141     real            lambda, t, temp, beta, drmax, epot;
 142     double          embU, sum_embU, *sum_UgembU, V, V_all, VembU_all;
 143     t_trxstatus    *status;
 144     t_trxframe      rerun_fr;
 145     gmx_bool        bDispCorr, bCharge, bRFExcl, bNotLastFrame, bStateChanged, bNS, bOurStep;
 146     tensor          force_vir, shake_vir, vir, pres;
 147     int             cg_tp, a_tp0, a_tp1, ngid, gid_tp, nener, e;
 148     rvec           *x_mol;
 149     rvec            mu_tot, x_init, dx, x_tp;
 150     int             nnodes, frame, nsteps, step;
 151     int             i, start, end;
 152     gmx_rng_t       tpi_rand;
 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                 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     /* Initialize random generator */
 360     tpi_rand = gmx_rng_init(inputrec->ld_seed);
 361
 362     if (MASTER(cr))
 363     {
 364         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpi", nfile, fnm),
 365                           "TPI energies", "Time (ps)",
 366                           "(kJ mol\\S-1\\N) / (nm\\S3\\N)", oenv);
 367         xvgr_subtitle(fp_tpi, "f. are averages over one frame", oenv);
 368         snew(leg, 4+nener);
 369         e = 0;
 370         sprintf(str, "-kT log(<Ve\\S-\\betaU\\N>/<V>)");
 371         leg[e++] = strdup(str);
 372         sprintf(str, "f. -kT log<e\\S-\\betaU\\N>");
 373         leg[e++] = strdup(str);
 374         sprintf(str, "f. <e\\S-\\betaU\\N>");
 375         leg[e++] = strdup(str);
 376         sprintf(str, "f. V");
 377         leg[e++] = strdup(str);
 378         sprintf(str, "f. <Ue\\S-\\betaU\\N>");
 379         leg[e++] = strdup(str);
 380         for (i = 0; i < ngid; i++)
 381         {
 382             sprintf(str, "f. <U\\sVdW %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 383                     *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 384             leg[e++] = strdup(str);
 385         }
 386         if (bDispCorr)
 387         {
 388             sprintf(str, "f. <U\\sdisp c\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 389             leg[e++] = strdup(str);
 390         }
 391         if (bCharge)
 392         {
 393             for (i = 0; i < ngid; i++)
 394             {
 395                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 396                         *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 397                 leg[e++] = strdup(str);
 398             }
 399             if (bRFExcl)
 400             {
 401                 sprintf(str, "f. <U\\sRF excl\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 402                 leg[e++] = strdup(str);
 403             }
 404             if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 405             {
 406                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul recip\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 407                 leg[e++] = strdup(str);
 408             }
 409         }
 410         xvgr_legend(fp_tpi, 4+nener, (const char**)leg, oenv);
 411         for (i = 0; i < 4+nener; i++)
 412         {
 413             sfree(leg[i]);
 414         }
 415         sfree(leg);
 416     }
 417     clear_rvec(x_init);
 418     V_all     = 0;
 419     VembU_all = 0;
 420
 421     invbinw = 10;
 422     nbin    = 10;
 423     snew(bin, nbin);
 424
 425     bNotLastFrame = read_first_frame(oenv, &status, opt2fn("-rerun", nfile, fnm),
 426                                      &rerun_fr, TRX_NEED_X);
 427     frame = 0;
 428
 429     if (rerun_fr.natoms - (bCavity ? nat_cavity : 0) !=
 430         mdatoms->nr - (a_tp1 - a_tp0))
 431     {
 432         gmx_fatal(FARGS, "Number of atoms in trajectory (%d)%s "
 433                   "is not equal the number in the run input file (%d) "
 434                   "minus the number of atoms to insert (%d)\n",
 435                   rerun_fr.natoms, bCavity ? " minus one" : "",
 436                   mdatoms->nr, a_tp1-a_tp0);
 437     }
 438
 439     refvolshift = log(det(rerun_fr.box));
 440
 441 #ifdef GMX_SIMD_X86_SSE2_OR_HIGHER
 442     /* Make sure we don't detect SSE overflow generated before this point */
 443     gmx_mm_check_and_reset_overflow();
 444 #endif
 445
 446     while (bNotLastFrame)
 447     {
 448         lambda = rerun_fr.lambda;
 449         t      = rerun_fr.time;
 450
 451         sum_embU = 0;
 452         for (e = 0; e < nener; e++)
 453         {
 454             sum_UgembU[e] = 0;
 455         }
 456
 457         /* Copy the coordinates from the input trajectory */
 458         for (i = 0; i < rerun_fr.natoms; i++)
 459         {
 460             copy_rvec(rerun_fr.x[i], state->x[i]);
 461         }
 462         copy_mat(rerun_fr.box, state->box);
 463
 464         V    = det(state->box);
 465         logV = log(V);
 466
 467         bStateChanged = TRUE;
 468         bNS           = TRUE;
 469         for (step = 0; step < nsteps; step++)
 470         {
 471             /* In parallel all nodes generate all random configurations.
 472              * In that way the result is identical to a single cpu tpi run.
 473              */
 474             if (!bCavity)
 475             {
 476                 /* Random insertion in the whole volume */
 477                 bNS = (step % inputrec->nstlist == 0);
 478                 if (bNS)
 479                 {
 480                     /* Generate a random position in the box */
 481                     x_init[XX] = gmx_rng_uniform_real(tpi_rand)*state->box[XX][XX];
 482                     x_init[YY] = gmx_rng_uniform_real(tpi_rand)*state->box[YY][YY];
 483                     x_init[ZZ] = gmx_rng_uniform_real(tpi_rand)*state->box[ZZ][ZZ];
 484                 }
 485                 if (inputrec->nstlist == 1)
 486                 {
 487                     copy_rvec(x_init, x_tp);
 488                 }
 489                 else
 490                 {
 491                     /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 492                     do
 493                     {
 494                         dx[XX] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 495                         dx[YY] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 496                         dx[ZZ] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 497                     }
 498                     while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 499                     rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 500                 }
 501             }
 502             else
 503             {
 504                 /* Random insertion around a cavity location
 505                  * given by the last coordinate of the trajectory.
 506                  */
 507                 if (step == 0)
 508                 {
 509                     if (nat_cavity == 1)
 510                     {
 511                         /* Copy the location of the cavity */
 512                         copy_rvec(rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-1], x_init);
 513                     }
 514                     else
 515                     {
 516                         /* Determine the center of mass of the last molecule */
 517                         clear_rvec(x_init);
 518                         mass_tot = 0;
 519                         for (i = 0; i < nat_cavity; i++)
 520                         {
 521                             for (d = 0; d < DIM; d++)
 522                             {
 523                                 x_init[d] +=
 524                                     mass_cavity[i]*rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-nat_cavity+i][d];
 525                             }
 526                             mass_tot += mass_cavity[i];
 527                         }
 528                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 529                         {
 530                             x_init[d] /= mass_tot;
 531                         }
 532                     }
 533                 }
 534                 /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 535                 do
 536                 {
 537                     dx[XX] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 538                     dx[YY] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 539                     dx[ZZ] = (2*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand) - 1)*drmax;
 540                 }
 541                 while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 542                 rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 543             }
 544
 545             if (a_tp1 - a_tp0 == 1)
 546             {
 547                 /* Insert a single atom, just copy the insertion location */
 548                 copy_rvec(x_tp, state->x[a_tp0]);
 549             }
 550             else
 551             {
 552                 /* Copy the coordinates from the top file */
 553                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 554                 {
 555                     copy_rvec(x_mol[i-a_tp0], state->x[i]);
 556                 }
 557                 /* Rotate the molecule randomly */
 558                 rotate_conf(a_tp1-a_tp0, state->x+a_tp0, NULL,
 559                             2*M_PI*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand),
 560                             2*M_PI*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand),
 561                             2*M_PI*gmx_rng_uniform_real(tpi_rand));
 562                 /* Shift to the insertion location */
 563                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 564                 {
 565                     rvec_inc(state->x[i], x_tp);
 566                 }
 567             }
 568
 569             /* Check if this insertion belongs to this node */
 570             bOurStep = TRUE;
 571             if (PAR(cr))
 572             {
 573                 switch (inputrec->eI)
 574                 {
 575                     case eiTPI:
 576                         bOurStep = ((step / inputrec->nstlist) % nnodes == cr->nodeid);
 577                         break;
 578                     case eiTPIC:
 579                         bOurStep = (step % nnodes == cr->nodeid);
 580                         break;
 581                     default:
 582                         gmx_fatal(FARGS, "Unknown integrator %s", ei_names[inputrec->eI]);
 583                 }
 584             }
 585             if (bOurStep)
 586             {
 587                 /* Clear some matrix variables  */
 588                 clear_mat(force_vir);
 589                 clear_mat(shake_vir);
 590                 clear_mat(vir);
 591                 clear_mat(pres);
 592
 593                 /* Set the charge group center of mass of the test particle */
 594                 copy_rvec(x_init, fr->cg_cm[top->cgs.nr-1]);
 595
 596                 /* Calc energy (no forces) on new positions.
 597                  * Since we only need the intermolecular energy
 598                  * and the RF exclusion terms of the inserted molecule occur
 599                  * within a single charge group we can pass NULL for the graph.
 600                  * This also avoids shifts that would move charge groups
 601                  * out of the box.
 602                  *
 603                  * Some checks above ensure than we can not have
 604                  * twin-range interactions together with nstlist > 1,
 605                  * therefore we do not need to remember the LR energies.
 606                  */
 607                 /* Make do_force do a single node force calculation */
 608                 cr->nnodes = 1;
 609                 do_force(fplog, cr, inputrec,
 610                          step, nrnb, wcycle, top, &top_global->groups,
 611                          state->box, state->x, &state->hist,
 612                          f, force_vir, mdatoms, enerd, fcd,
 613                          state->lambda,
 614                          NULL, fr, NULL, mu_tot, t, NULL, NULL, FALSE,
 615                          GMX_FORCE_NONBONDED | GMX_FORCE_ENERGY |
 616                          (bNS ? GMX_FORCE_DYNAMICBOX | GMX_FORCE_NS | GMX_FORCE_DO_LR : 0) |
 617                          (bStateChanged ? GMX_FORCE_STATECHANGED : 0));
 618                 cr->nnodes    = nnodes;
 619                 bStateChanged = FALSE;
 620                 bNS           = FALSE;
 621
 622                 /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
 623                 calc_dispcorr(fplog, inputrec, fr, step, top_global->natoms, state->box,
 624                               lambda, pres, vir, &prescorr, &enercorr, &dvdlcorr);
 625                 /* figure out how to rearrange the next 4 lines MRS 8/4/2009 */
 626                 enerd->term[F_DISPCORR]  = enercorr;
 627                 enerd->term[F_EPOT]     += enercorr;
 628                 enerd->term[F_PRES]     += prescorr;
 629                 enerd->term[F_DVDL_VDW] += dvdlcorr;
 630
 631                 epot               = enerd->term[F_EPOT];
 632                 bEnergyOutOfBounds = FALSE;
 633 #ifdef GMX_SIMD_X86_SSE2_OR_HIGHER
 634                 /* With SSE the energy can overflow, check for this */
 635                 if (gmx_mm_check_and_reset_overflow())
 636                 {
 637                     if (debug)
 638                     {
 639                         fprintf(debug, "Found an SSE overflow, assuming the energy is out of bounds\n");
 640                     }
 641                     bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 642                 }
 643 #endif
 644                 /* If the compiler doesn't optimize this check away
 645                  * we catch the NAN energies.
 646                  * The epot>GMX_REAL_MAX check catches inf values,
 647                  * which should nicely result in embU=0 through the exp below,
 648                  * but it does not hurt to check anyhow.
 649                  */
 650                 /* Non-bonded Interaction usually diverge at r=0.
 651                  * With tabulated interaction functions the first few entries
 652                  * should be capped in a consistent fashion between
 653                  * repulsion, dispersion and Coulomb to avoid accidental
 654                  * negative values in the total energy.
 655                  * The table generation code in tables.c does this.
 656                  * With user tbales the user should take care of this.
 657                  */
 658                 if (epot != epot || epot > GMX_REAL_MAX)
 659                 {
 660                     bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 661                 }
 662                 if (bEnergyOutOfBounds)
 663                 {
 664                     if (debug)
 665                     {
 666                         fprintf(debug, "\n  time %.3f, step %d: non-finite energy %f, using exp(-bU)=0\n", t, step, epot);
 667                     }
 668                     embU = 0;
 669                 }
 670                 else
 671                 {
 672                     embU      = exp(-beta*epot);
 673                     sum_embU += embU;
 674                     /* Determine the weighted energy contributions of each energy group */
 675                     e                = 0;
 676                     sum_UgembU[e++] += epot*embU;
 677                     if (fr->bBHAM)
 678                     {
 679                         for (i = 0; i < ngid; i++)
 680                         {
 681                             sum_UgembU[e++] +=
 682                                 (enerd->grpp.ener[egBHAMSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 683                                  enerd->grpp.ener[egBHAMLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 684                         }
 685                     }
 686                     else
 687                     {
 688                         for (i = 0; i < ngid; i++)
 689                         {
 690                             sum_UgembU[e++] +=
 691                                 (enerd->grpp.ener[egLJSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 692                                  enerd->grpp.ener[egLJLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 693                         }
 694                     }
 695                     if (bDispCorr)
 696                     {
 697                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_DISPCORR]*embU;
 698                     }
 699                     if (bCharge)
 700                     {
 701                         for (i = 0; i < ngid; i++)
 702                         {
 703                             sum_UgembU[e++] +=
 704                                 (enerd->grpp.ener[egCOULSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 705                                  enerd->grpp.ener[egCOULLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 706                         }
 707                         if (bRFExcl)
 708                         {
 709                             sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_RF_EXCL]*embU;
 710                         }
 711                         if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 712                         {
 713                             sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_COUL_RECIP]*embU;
 714                         }
 715                     }
 716                 }
 717
 718                 if (embU == 0 || beta*epot > bU_bin_limit)
 719                 {
 720                     bin[0]++;
 721                 }
 722                 else
 723                 {
 724                     i = (int)((bU_logV_bin_limit
 725                                - (beta*epot - logV + refvolshift))*invbinw
 726                               + 0.5);
 727                     if (i < 0)
 728                     {
 729                         i = 0;
 730                     }
 731                     if (i >= nbin)
 732                     {
 733                         realloc_bins(&bin, &nbin, i+10);
 734                     }
 735                     bin[i]++;
 736                 }
 737
 738                 if (debug)
 739                 {
 740                     fprintf(debug, "TPI %7d %12.5e %12.5f %12.5f %12.5f\n",
 741                             step, epot, x_tp[XX], x_tp[YY], x_tp[ZZ]);
 742                 }
 743
 744                 if (dump_pdb && epot <= dump_ener)
 745                 {
 746                     sprintf(str, "t%g_step%d.pdb", t, step);
 747                     sprintf(str2, "t: %f step %d ener: %f", t, step, epot);
 748                     write_sto_conf_mtop(str, str2, top_global, state->x, state->v,
 749                                         inputrec->ePBC, state->box);
 750                 }
 751             }
 752         }
 753
 754         if (PAR(cr))
 755         {
 756             /* When running in parallel sum the energies over the processes */
 757             gmx_sumd(1,    &sum_embU, cr);
 758             gmx_sumd(nener, sum_UgembU, cr);
 759         }
 760
 761         frame++;
 762         V_all     += V;
 763         VembU_all += V*sum_embU/nsteps;
 764
 765         if (fp_tpi)
 766         {
 767             if (bVerbose || frame%10 == 0 || frame < 10)
 768             {
 769                 fprintf(stderr, "mu %10.3e <mu> %10.3e\n",
 770                         -log(sum_embU/nsteps)/beta, -log(VembU_all/V_all)/beta);
 771             }
 772
 773             fprintf(fp_tpi, "%10.3f %12.5e %12.5e %12.5e %12.5e",
 774                     t,
 775                     VembU_all == 0 ? 20/beta : -log(VembU_all/V_all)/beta,
 776                     sum_embU == 0  ? 20/beta : -log(sum_embU/nsteps)/beta,
 777                     sum_embU/nsteps, V);
 778             for (e = 0; e < nener; e++)
 779             {
 780                 fprintf(fp_tpi, " %12.5e", sum_UgembU[e]/nsteps);
 781             }
 782             fprintf(fp_tpi, "\n");
 783             fflush(fp_tpi);
 784         }
 785
 786         bNotLastFrame = read_next_frame(oenv, status, &rerun_fr);
 787     } /* End of the loop  */
 788     walltime_accounting_end(walltime_accounting);
 789
 790     close_trj(status);
 791
 792     if (fp_tpi != NULL)
 793     {
 794         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 795     }
 796
 797     if (fplog != NULL)
 798     {
 799         fprintf(fplog, "\n");
 800         fprintf(fplog, "  <V>  = %12.5e nm^3\n", V_all/frame);
 801         fprintf(fplog, "  <mu> = %12.5e kJ/mol\n", -log(VembU_all/V_all)/beta);
 802     }
 803
 804     /* Write the Boltzmann factor histogram */
 805     if (PAR(cr))
 806     {
 807         /* When running in parallel sum the bins over the processes */
 808         i = nbin;
 809         global_max(cr, &i);
 810         realloc_bins(&bin, &nbin, i);
 811         gmx_sumd(nbin, bin, cr);
 812     }
 813     if (MASTER(cr))
 814     {
 815         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpid", nfile, fnm),
 816                           "TPI energy distribution",
 817                           "\\betaU - log(V/<V>)", "count", oenv);
 818         sprintf(str, "number \\betaU > %g: %9.3e", bU_bin_limit, bin[0]);
 819         xvgr_subtitle(fp_tpi, str, oenv);
 820         xvgr_legend(fp_tpi, 2, (const char **)tpid_leg, oenv);
 821         for (i = nbin-1; i > 0; i--)
 822         {
 823             bUlogV = -i/invbinw + bU_logV_bin_limit - refvolshift + log(V_all/frame);
 824             fprintf(fp_tpi, "%6.2f %10d %12.5e\n",
 825                     bUlogV,
 826                     (int)(bin[i]+0.5),
 827                     bin[i]*exp(-bUlogV)*V_all/VembU_all);
 828         }
 829         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 830     }
 831     sfree(bin);
 832
 833     sfree(sum_UgembU);
 834
 835     walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, frame*inputrec->nsteps);
 836
 837     return 0;
 838 }