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 "network.h"
  46 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  47 #include "nrnb.h"
  48 #include "main.h"
  49 #include "chargegroup.h"
  50 #include "force.h"
  51 #include "macros.h"
  52 #include "names.h"
  53 #include "gmx_fatal.h"
  54 #include "txtdump.h"
  55 #include "typedefs.h"
  56 #include "update.h"
  57 #include "constr.h"
  58 #include "vec.h"
  59 #include "tgroup.h"
  60 #include "mdebin.h"
  61 #include "vsite.h"
  62 #include "force.h"
  63 #include "mdrun.h"
  64 #include "domdec.h"
  65 #include "gromacs/random/random.h"
  66 #include "physics.h"
  67 #include "xvgr.h"
  68 #include "mdatoms.h"
  69 #include "ns.h"
  70 #include "mtop_util.h"
  71 #include "pme.h"
  72 #include "gromacs/gmxlib/conformation-utilities.h"
  73
  74 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  75 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  76 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  77 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
  78 #include "gromacs/timing/walltime_accounting.h"
  79
  80 static void global_max(t_commrec *cr, int *n)
  81 {
  82     int *sum, i;
  83
  84     snew(sum, cr->nnodes);
  85     sum[cr->nodeid] = *n;
  86     gmx_sumi(cr->nnodes, sum, cr);
  87     for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
  88     {
  89         *n = max(*n, sum[i]);
  90     }
  91
  92     sfree(sum);
  93 }
  94
  95 static void realloc_bins(double **bin, int *nbin, int nbin_new)
  96 {
  97     int i;
  98
  99     if (nbin_new != *nbin)
 100     {
 101         srenew(*bin, nbin_new);
 102         for (i = *nbin; i < nbin_new; i++)
 103         {
 104             (*bin)[i] = 0;
 105         }
 106         *nbin = nbin_new;
 107     }
 108 }
 109
 110 double do_tpi(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 111               int nfile, const t_filenm fnm[],
 112               const output_env_t oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
 113               int gmx_unused nstglobalcomm,
 114               gmx_vsite_t gmx_unused *vsite, gmx_constr_t gmx_unused constr,
 115               int gmx_unused stepout,
 116               t_inputrec *inputrec,
 117               gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
 118               t_state *state,
 119               t_mdatoms *mdatoms,
 120               t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 121               gmx_edsam_t gmx_unused ed,
 122               t_forcerec *fr,
 123               int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
 124               gmx_membed_t gmx_unused membed,
 125               real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
 126               const char gmx_unused *deviceOptions,
 127               int gmx_unused imdport,
 128               unsigned long gmx_unused Flags,
 129               gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting)
 130 {
 131     const char     *TPI = "Test Particle Insertion";
 132     gmx_localtop_t *top;
 133     gmx_groups_t   *groups;
 134     gmx_enerdata_t *enerd;
 135     rvec           *f;
 136     real            lambda, t, temp, beta, drmax, epot;
 137     double          embU, sum_embU, *sum_UgembU, V, V_all, VembU_all;
 138     t_trxstatus    *status;
 139     t_trxframe      rerun_fr;
 140     gmx_bool        bDispCorr, bCharge, bRFExcl, bNotLastFrame, bStateChanged, bNS;
 141     tensor          force_vir, shake_vir, vir, pres;
 142     int             cg_tp, a_tp0, a_tp1, ngid, gid_tp, nener, e;
 143     rvec           *x_mol;
 144     rvec            mu_tot, x_init, dx, x_tp;
 145     int             nnodes, frame;
 146     gmx_int64_t     frame_step_prev, frame_step;
 147     gmx_int64_t     nsteps, stepblocksize = 0, step;
 148     gmx_int64_t     rnd_count_stride, rnd_count;
 149     gmx_int64_t     seed;
 150     double          rnd[4];
 151     int             i, start, end;
 152     FILE           *fp_tpi = NULL;
 153     char           *ptr, *dump_pdb, **leg, str[STRLEN], str2[STRLEN];
 154     double          dbl, dump_ener;
 155     gmx_bool        bCavity;
 156     int             nat_cavity  = 0, d;
 157     real           *mass_cavity = NULL, mass_tot;
 158     int             nbin;
 159     double          invbinw, *bin, refvolshift, logV, bUlogV;
 160     real            dvdl, prescorr, enercorr, dvdlcorr;
 161     gmx_bool        bEnergyOutOfBounds;
 162     const char     *tpid_leg[2] = {"direct", "reweighted"};
 163
 164     /* Since there is no upper limit to the insertion energies,
 165      * we need to set an upper limit for the distribution output.
 166      */
 167     real bU_bin_limit      = 50;
 168     real bU_logV_bin_limit = bU_bin_limit + 10;
 169
 170     if (inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
 171     {
 172         gmx_fatal(FARGS, "TPI does not work (yet) with the Verlet cut-off scheme");
 173     }
 174
 175     nnodes = cr->nnodes;
 176
 177     top = gmx_mtop_generate_local_top(top_global, inputrec);
 178
 179     groups = &top_global->groups;
 180
 181     bCavity = (inputrec->eI == eiTPIC);
 182     if (bCavity)
 183     {
 184         ptr = getenv("GMX_TPIC_MASSES");
 185         if (ptr == NULL)
 186         {
 187             nat_cavity = 1;
 188         }
 189         else
 190         {
 191             /* Read (multiple) masses from env var GMX_TPIC_MASSES,
 192              * The center of mass of the last atoms is then used for TPIC.
 193              */
 194             nat_cavity = 0;
 195             while (sscanf(ptr, "%lf%n", &dbl, &i) > 0)
 196             {
 197                 srenew(mass_cavity, nat_cavity+1);
 198                 mass_cavity[nat_cavity] = dbl;
 199                 fprintf(fplog, "mass[%d] = %f\n",
 200                         nat_cavity+1, mass_cavity[nat_cavity]);
 201                 nat_cavity++;
 202                 ptr += i;
 203             }
 204             if (nat_cavity == 0)
 205             {
 206                 gmx_fatal(FARGS, "Found %d masses in GMX_TPIC_MASSES", nat_cavity);
 207             }
 208         }
 209     }
 210
 211     /*
 212        init_em(fplog,TPI,inputrec,&lambda,nrnb,mu_tot,
 213        state->box,fr,mdatoms,top,cr,nfile,fnm,NULL,NULL);*/
 214     /* We never need full pbc for TPI */
 215     fr->ePBC = epbcXYZ;
 216     /* Determine the temperature for the Boltzmann weighting */
 217     temp = inputrec->opts.ref_t[0];
 218     if (fplog)
 219     {
 220         for (i = 1; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
 221         {
 222             if (inputrec->opts.ref_t[i] != temp)
 223             {
 224                 fprintf(fplog, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 225                 fprintf(stderr, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 226             }
 227         }
 228         fprintf(fplog,
 229                 "\n  The temperature for test particle insertion is %.3f K\n\n",
 230                 temp);
 231     }
 232     beta = 1.0/(BOLTZ*temp);
 233
 234     /* Number of insertions per frame */
 235     nsteps = inputrec->nsteps;
 236
 237     /* Use the same neighborlist with more insertions points
 238      * in a sphere of radius drmax around the initial point
 239      */
 240     /* This should be a proper mdp parameter */
 241     drmax = inputrec->rtpi;
 242
 243     /* An environment variable can be set to dump all configurations
 244      * to pdb with an insertion energy <= this value.
 245      */
 246     dump_pdb  = getenv("GMX_TPI_DUMP");
 247     dump_ener = 0;
 248     if (dump_pdb)
 249     {
 250         sscanf(dump_pdb, "%lf", &dump_ener);
 251     }
 252
 253     atoms2md(top_global, inputrec, 0, NULL, top_global->natoms, mdatoms);
 254     update_mdatoms(mdatoms, inputrec->fepvals->init_lambda);
 255
 256     snew(enerd, 1);
 257     init_enerdata(groups->grps[egcENER].nr, inputrec->fepvals->n_lambda, enerd);
 258     snew(f, top_global->natoms);
 259
 260     /* Print to log file  */
 261     walltime_accounting_start(walltime_accounting);
 262     wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
 263     print_start(fplog, cr, walltime_accounting, "Test Particle Insertion");
 264
 265     /* The last charge group is the group to be inserted */
 266     cg_tp = top->cgs.nr - 1;
 267     a_tp0 = top->cgs.index[cg_tp];
 268     a_tp1 = top->cgs.index[cg_tp+1];
 269     if (debug)
 270     {
 271         fprintf(debug, "TPI cg %d, atoms %d-%d\n", cg_tp, a_tp0, a_tp1);
 272     }
 273     if (a_tp1 - a_tp0 > 1 &&
 274         (inputrec->rlist < inputrec->rcoulomb ||
 275          inputrec->rlist < inputrec->rvdw))
 276     {
 277         gmx_fatal(FARGS, "Can not do TPI for multi-atom molecule with a twin-range cut-off");
 278     }
 279     snew(x_mol, a_tp1-a_tp0);
 280
 281     bDispCorr = (inputrec->eDispCorr != edispcNO);
 282     bCharge   = FALSE;
 283     for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 284     {
 285         /* Copy the coordinates of the molecule to be insterted */
 286         copy_rvec(state->x[i], x_mol[i-a_tp0]);
 287         /* Check if we need to print electrostatic energies */
 288         bCharge |= (mdatoms->chargeA[i] != 0 ||
 289                     (mdatoms->chargeB && mdatoms->chargeB[i] != 0));
 290     }
 291     bRFExcl = (bCharge && EEL_RF(fr->eeltype) && fr->eeltype != eelRF_NEC);
 292
 293     calc_cgcm(fplog, cg_tp, cg_tp+1, &(top->cgs), state->x, fr->cg_cm);
 294     if (bCavity)
 295     {
 296         if (norm(fr->cg_cm[cg_tp]) > 0.5*inputrec->rlist && fplog)
 297         {
 298             fprintf(fplog, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 299             fprintf(stderr, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 300         }
 301     }
 302     else
 303     {
 304         /* Center the molecule to be inserted at zero */
 305         for (i = 0; i < a_tp1-a_tp0; i++)
 306         {
 307             rvec_dec(x_mol[i], fr->cg_cm[cg_tp]);
 308         }
 309     }
 310
 311     if (fplog)
 312     {
 313         fprintf(fplog, "\nWill insert %d atoms %s partial charges\n",
 314                 a_tp1-a_tp0, bCharge ? "with" : "without");
 315
 316         fprintf(fplog, "\nWill insert %d times in each frame of %s\n",
 317                 (int)nsteps, opt2fn("-rerun", nfile, fnm));
 318     }
 319
 320     if (!bCavity)
 321     {
 322         if (inputrec->nstlist > 1)
 323         {
 324             if (drmax == 0 && a_tp1-a_tp0 == 1)
 325             {
 326                 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);
 327             }
 328             if (fplog)
 329             {
 330                 fprintf(fplog, "Will use the same neighborlist for %d insertions in a sphere of radius %f\n", inputrec->nstlist, drmax);
 331             }
 332         }
 333     }
 334     else
 335     {
 336         if (fplog)
 337         {
 338             fprintf(fplog, "Will insert randomly in a sphere of radius %f around the center of the cavity\n", drmax);
 339         }
 340     }
 341
 342     ngid   = groups->grps[egcENER].nr;
 343     gid_tp = GET_CGINFO_GID(fr->cginfo[cg_tp]);
 344     nener  = 1 + ngid;
 345     if (bDispCorr)
 346     {
 347         nener += 1;
 348     }
 349     if (bCharge)
 350     {
 351         nener += ngid;
 352         if (bRFExcl)
 353         {
 354             nener += 1;
 355         }
 356         if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 357         {
 358             nener += 1;
 359         }
 360     }
 361     snew(sum_UgembU, nener);
 362
 363     /* Copy the random seed set by the user */
 364     seed = inputrec->ld_seed;
 365     /* We use the frame step number as one random counter.
 366      * The second counter use the insertion (step) count. But we
 367      * need multiple random numbers per insertion. This number is
 368      * not fixed, since we generate random locations in a sphere
 369      * by putting locations in a cube and some of these fail.
 370      * A count of 20 is already extremely unlikely, so 10000 is
 371      * a safe margin for random numbers per insertion.
 372      */
 373     rnd_count_stride = 10000;
 374
 375     if (MASTER(cr))
 376     {
 377         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpi", nfile, fnm),
 378                           "TPI energies", "Time (ps)",
 379                           "(kJ mol\\S-1\\N) / (nm\\S3\\N)", oenv);
 380         xvgr_subtitle(fp_tpi, "f. are averages over one frame", oenv);
 381         snew(leg, 4+nener);
 382         e = 0;
 383         sprintf(str, "-kT log(<Ve\\S-\\betaU\\N>/<V>)");
 384         leg[e++] = strdup(str);
 385         sprintf(str, "f. -kT log<e\\S-\\betaU\\N>");
 386         leg[e++] = strdup(str);
 387         sprintf(str, "f. <e\\S-\\betaU\\N>");
 388         leg[e++] = strdup(str);
 389         sprintf(str, "f. V");
 390         leg[e++] = strdup(str);
 391         sprintf(str, "f. <Ue\\S-\\betaU\\N>");
 392         leg[e++] = strdup(str);
 393         for (i = 0; i < ngid; i++)
 394         {
 395             sprintf(str, "f. <U\\sVdW %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 396                     *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 397             leg[e++] = strdup(str);
 398         }
 399         if (bDispCorr)
 400         {
 401             sprintf(str, "f. <U\\sdisp c\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 402             leg[e++] = strdup(str);
 403         }
 404         if (bCharge)
 405         {
 406             for (i = 0; i < ngid; i++)
 407             {
 408                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 409                         *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 410                 leg[e++] = strdup(str);
 411             }
 412             if (bRFExcl)
 413             {
 414                 sprintf(str, "f. <U\\sRF excl\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 415                 leg[e++] = strdup(str);
 416             }
 417             if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 418             {
 419                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul recip\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 420                 leg[e++] = strdup(str);
 421             }
 422         }
 423         xvgr_legend(fp_tpi, 4+nener, (const char**)leg, oenv);
 424         for (i = 0; i < 4+nener; i++)
 425         {
 426             sfree(leg[i]);
 427         }
 428         sfree(leg);
 429     }
 430     clear_rvec(x_init);
 431     V_all     = 0;
 432     VembU_all = 0;
 433
 434     invbinw = 10;
 435     nbin    = 10;
 436     snew(bin, nbin);
 437
 438     /* Avoid frame step numbers <= -1 */
 439     frame_step_prev = -1;
 440
 441     bNotLastFrame = read_first_frame(oenv, &status, opt2fn("-rerun", nfile, fnm),
 442                                      &rerun_fr, TRX_NEED_X);
 443     frame = 0;
 444
 445     if (rerun_fr.natoms - (bCavity ? nat_cavity : 0) !=
 446         mdatoms->nr - (a_tp1 - a_tp0))
 447     {
 448         gmx_fatal(FARGS, "Number of atoms in trajectory (%d)%s "
 449                   "is not equal the number in the run input file (%d) "
 450                   "minus the number of atoms to insert (%d)\n",
 451                   rerun_fr.natoms, bCavity ? " minus one" : "",
 452                   mdatoms->nr, a_tp1-a_tp0);
 453     }
 454
 455     refvolshift = log(det(rerun_fr.box));
 456
 457     switch (inputrec->eI)
 458     {
 459         case eiTPI:
 460             stepblocksize = inputrec->nstlist;
 461             break;
 462         case eiTPIC:
 463             stepblocksize = 1;
 464             break;
 465         default:
 466             gmx_fatal(FARGS, "Unknown integrator %s", ei_names[inputrec->eI]);
 467     }
 468
 469 #ifdef GMX_SIMD
 470     /* Make sure we don't detect SIMD overflow generated before this point */
 471     gmx_simd_check_and_reset_overflow();
 472 #endif
 473
 474     while (bNotLastFrame)
 475     {
 476         frame_step      = rerun_fr.step;
 477         if (frame_step <= frame_step_prev)
 478         {
 479             /* We don't have step number in the trajectory file,
 480              * or we have constant or decreasing step numbers.
 481              * Ensure we have increasing step numbers, since we use
 482              * the step numbers as a counter for random numbers.
 483              */
 484             frame_step  = frame_step_prev + 1;
 485         }
 486         frame_step_prev = frame_step;
 487
 488         lambda = rerun_fr.lambda;
 489         t      = rerun_fr.time;
 490
 491         sum_embU = 0;
 492         for (e = 0; e < nener; e++)
 493         {
 494             sum_UgembU[e] = 0;
 495         }
 496
 497         /* Copy the coordinates from the input trajectory */
 498         for (i = 0; i < rerun_fr.natoms; i++)
 499         {
 500             copy_rvec(rerun_fr.x[i], state->x[i]);
 501         }
 502         copy_mat(rerun_fr.box, state->box);
 503
 504         V    = det(state->box);
 505         logV = log(V);
 506
 507         bStateChanged = TRUE;
 508         bNS           = TRUE;
 509
 510         step = cr->nodeid*stepblocksize;
 511         while (step < nsteps)
 512         {
 513             /* Initialize the second counter for random numbers using
 514              * the insertion step index. This ensures that we get
 515              * the same random numbers independently of how many
 516              * MPI ranks we use. Also for the same seed, we get
 517              * the same initial random sequence for different nsteps.
 518              */
 519             rnd_count = step*rnd_count_stride;
 520
 521             if (!bCavity)
 522             {
 523                 /* Random insertion in the whole volume */
 524                 bNS = (step % inputrec->nstlist == 0);
 525                 if (bNS)
 526                 {
 527                     /* Generate a random position in the box */
 528                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 529                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 530                     for (d = 0; d < DIM; d++)
 531                     {
 532                         x_init[d] = rnd[d]*state->box[d][d];
 533                     }
 534                 }
 535                 if (inputrec->nstlist == 1)
 536                 {
 537                     copy_rvec(x_init, x_tp);
 538                 }
 539                 else
 540                 {
 541                     /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 542                     do
 543                     {
 544                         gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 545                         gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 546                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 547                         {
 548                             dx[d] = (2*rnd[d] - 1)*drmax;
 549                         }
 550                     }
 551                     while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 552                     rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 553                 }
 554             }
 555             else
 556             {
 557                 /* Random insertion around a cavity location
 558                  * given by the last coordinate of the trajectory.
 559                  */
 560                 if (step == 0)
 561                 {
 562                     if (nat_cavity == 1)
 563                     {
 564                         /* Copy the location of the cavity */
 565                         copy_rvec(rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-1], x_init);
 566                     }
 567                     else
 568                     {
 569                         /* Determine the center of mass of the last molecule */
 570                         clear_rvec(x_init);
 571                         mass_tot = 0;
 572                         for (i = 0; i < nat_cavity; i++)
 573                         {
 574                             for (d = 0; d < DIM; d++)
 575                             {
 576                                 x_init[d] +=
 577                                     mass_cavity[i]*rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-nat_cavity+i][d];
 578                             }
 579                             mass_tot += mass_cavity[i];
 580                         }
 581                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 582                         {
 583                             x_init[d] /= mass_tot;
 584                         }
 585                     }
 586                 }
 587                 /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 588                 do
 589                 {
 590                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 591                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 592                     for (d = 0; d < DIM; d++)
 593                     {
 594                         dx[d] = (2*rnd[d] - 1)*drmax;
 595                     }
 596                 }
 597                 while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 598                 rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 599             }
 600
 601             if (a_tp1 - a_tp0 == 1)
 602             {
 603                 /* Insert a single atom, just copy the insertion location */
 604                 copy_rvec(x_tp, state->x[a_tp0]);
 605             }
 606             else
 607             {
 608                 /* Copy the coordinates from the top file */
 609                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 610                 {
 611                     copy_rvec(x_mol[i-a_tp0], state->x[i]);
 612                 }
 613                 /* Rotate the molecule randomly */
 614                 gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 615                 gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 616                 rotate_conf(a_tp1-a_tp0, state->x+a_tp0, NULL,
 617                             2*M_PI*rnd[0],
 618                             2*M_PI*rnd[1],
 619                             2*M_PI*rnd[2]);
 620                 /* Shift to the insertion location */
 621                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 622                 {
 623                     rvec_inc(state->x[i], x_tp);
 624                 }
 625             }
 626
 627             /* Clear some matrix variables  */
 628             clear_mat(force_vir);
 629             clear_mat(shake_vir);
 630             clear_mat(vir);
 631             clear_mat(pres);
 632
 633             /* Set the charge group center of mass of the test particle */
 634             copy_rvec(x_init, fr->cg_cm[top->cgs.nr-1]);
 635
 636             /* Calc energy (no forces) on new positions.
 637              * Since we only need the intermolecular energy
 638              * and the RF exclusion terms of the inserted molecule occur
 639              * within a single charge group we can pass NULL for the graph.
 640              * This also avoids shifts that would move charge groups
 641              * out of the box.
 642              *
 643              * Some checks above ensure than we can not have
 644              * twin-range interactions together with nstlist > 1,
 645              * therefore we do not need to remember the LR energies.
 646              */
 647             /* Make do_force do a single node force calculation */
 648             cr->nnodes = 1;
 649             do_force(fplog, cr, inputrec,
 650                      step, nrnb, wcycle, top, &top_global->groups,
 651                      state->box, state->x, &state->hist,
 652                      f, force_vir, mdatoms, enerd, fcd,
 653                      state->lambda,
 654                      NULL, fr, NULL, mu_tot, t, NULL, NULL, FALSE,
 655                      GMX_FORCE_NONBONDED | GMX_FORCE_ENERGY |
 656                      (bNS ? GMX_FORCE_DYNAMICBOX | GMX_FORCE_NS | GMX_FORCE_DO_LR : 0) |
 657                      (bStateChanged ? GMX_FORCE_STATECHANGED : 0));
 658             cr->nnodes    = nnodes;
 659             bStateChanged = FALSE;
 660             bNS           = FALSE;
 661
 662             /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
 663             calc_dispcorr(fplog, inputrec, fr, step, top_global->natoms, state->box,
 664                           lambda, pres, vir, &prescorr, &enercorr, &dvdlcorr);
 665             /* figure out how to rearrange the next 4 lines MRS 8/4/2009 */
 666             enerd->term[F_DISPCORR]  = enercorr;
 667             enerd->term[F_EPOT]     += enercorr;
 668             enerd->term[F_PRES]     += prescorr;
 669             enerd->term[F_DVDL_VDW] += dvdlcorr;
 670
 671             epot               = enerd->term[F_EPOT];
 672             bEnergyOutOfBounds = FALSE;
 673 #ifdef GMX_SIMD_X86_SSE2_OR_HIGHER
 674             /* With SSE the energy can overflow, check for this */
 675             if (gmx_mm_check_and_reset_overflow())
 676             {
 677                 if (debug)
 678                 {
 679                     fprintf(debug, "Found an SSE overflow, assuming the energy is out of bounds\n");
 680                 }
 681                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 682             }
 683 #endif
 684             /* If the compiler doesn't optimize this check away
 685              * we catch the NAN energies.
 686              * The epot>GMX_REAL_MAX check catches inf values,
 687              * which should nicely result in embU=0 through the exp below,
 688              * but it does not hurt to check anyhow.
 689              */
 690             /* Non-bonded Interaction usually diverge at r=0.
 691              * With tabulated interaction functions the first few entries
 692              * should be capped in a consistent fashion between
 693              * repulsion, dispersion and Coulomb to avoid accidental
 694              * negative values in the total energy.
 695              * The table generation code in tables.c does this.
 696              * With user tbales the user should take care of this.
 697              */
 698             if (epot != epot || epot > GMX_REAL_MAX)
 699             {
 700                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 701             }
 702             if (bEnergyOutOfBounds)
 703             {
 704                 if (debug)
 705                 {
 706                     fprintf(debug, "\n  time %.3f, step %d: non-finite energy %f, using exp(-bU)=0\n", t, (int)step, epot);
 707                 }
 708                 embU = 0;
 709             }
 710             else
 711             {
 712                 embU      = exp(-beta*epot);
 713                 sum_embU += embU;
 714                 /* Determine the weighted energy contributions of each energy group */
 715                 e                = 0;
 716                 sum_UgembU[e++] += epot*embU;
 717                 if (fr->bBHAM)
 718                 {
 719                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 720                     {
 721                         sum_UgembU[e++] +=
 722                             (enerd->grpp.ener[egBHAMSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 723                              enerd->grpp.ener[egBHAMLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 724                     }
 725                 }
 726                 else
 727                 {
 728                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 729                     {
 730                         sum_UgembU[e++] +=
 731                             (enerd->grpp.ener[egLJSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 732                              enerd->grpp.ener[egLJLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 733                     }
 734                 }
 735                 if (bDispCorr)
 736                 {
 737                     sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_DISPCORR]*embU;
 738                 }
 739                 if (bCharge)
 740                 {
 741                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 742                     {
 743                         sum_UgembU[e++] +=
 744                             (enerd->grpp.ener[egCOULSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 745                              enerd->grpp.ener[egCOULLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 746                     }
 747                     if (bRFExcl)
 748                     {
 749                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_RF_EXCL]*embU;
 750                     }
 751                     if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 752                     {
 753                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_COUL_RECIP]*embU;
 754                     }
 755                 }
 756             }
 757
 758             if (embU == 0 || beta*epot > bU_bin_limit)
 759             {
 760                 bin[0]++;
 761             }
 762             else
 763             {
 764                 i = (int)((bU_logV_bin_limit
 765                            - (beta*epot - logV + refvolshift))*invbinw
 766                           + 0.5);
 767                 if (i < 0)
 768                 {
 769                     i = 0;
 770                 }
 771                 if (i >= nbin)
 772                 {
 773                     realloc_bins(&bin, &nbin, i+10);
 774                 }
 775                 bin[i]++;
 776             }
 777
 778             if (debug)
 779             {
 780                 fprintf(debug, "TPI %7d %12.5e %12.5f %12.5f %12.5f\n",
 781                         (int)step, epot, x_tp[XX], x_tp[YY], x_tp[ZZ]);
 782             }
 783
 784             if (dump_pdb && epot <= dump_ener)
 785             {
 786                 sprintf(str, "t%g_step%d.pdb", t, (int)step);
 787                 sprintf(str2, "t: %f step %d ener: %f", t, (int)step, epot);
 788                 write_sto_conf_mtop(str, str2, top_global, state->x, state->v,
 789                                     inputrec->ePBC, state->box);
 790             }
 791
 792             step++;
 793             if ((step/stepblocksize) % cr->nnodes != cr->nodeid)
 794             {
 795                 /* Skip all steps assigned to the other MPI ranks */
 796                 step += (cr->nnodes - 1)*stepblocksize;
 797             }
 798         }
 799
 800         if (PAR(cr))
 801         {
 802             /* When running in parallel sum the energies over the processes */
 803             gmx_sumd(1,    &sum_embU, cr);
 804             gmx_sumd(nener, sum_UgembU, cr);
 805         }
 806
 807         frame++;
 808         V_all     += V;
 809         VembU_all += V*sum_embU/nsteps;
 810
 811         if (fp_tpi)
 812         {
 813             if (bVerbose || frame%10 == 0 || frame < 10)
 814             {
 815                 fprintf(stderr, "mu %10.3e <mu> %10.3e\n",
 816                         -log(sum_embU/nsteps)/beta, -log(VembU_all/V_all)/beta);
 817             }
 818
 819             fprintf(fp_tpi, "%10.3f %12.5e %12.5e %12.5e %12.5e",
 820                     t,
 821                     VembU_all == 0 ? 20/beta : -log(VembU_all/V_all)/beta,
 822                     sum_embU == 0  ? 20/beta : -log(sum_embU/nsteps)/beta,
 823                     sum_embU/nsteps, V);
 824             for (e = 0; e < nener; e++)
 825             {
 826                 fprintf(fp_tpi, " %12.5e", sum_UgembU[e]/nsteps);
 827             }
 828             fprintf(fp_tpi, "\n");
 829             fflush(fp_tpi);
 830         }
 831
 832         bNotLastFrame = read_next_frame(oenv, status, &rerun_fr);
 833     } /* End of the loop  */
 834     walltime_accounting_end(walltime_accounting);
 835
 836     close_trj(status);
 837
 838     if (fp_tpi != NULL)
 839     {
 840         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 841     }
 842
 843     if (fplog != NULL)
 844     {
 845         fprintf(fplog, "\n");
 846         fprintf(fplog, "  <V>  = %12.5e nm^3\n", V_all/frame);
 847         fprintf(fplog, "  <mu> = %12.5e kJ/mol\n", -log(VembU_all/V_all)/beta);
 848     }
 849
 850     /* Write the Boltzmann factor histogram */
 851     if (PAR(cr))
 852     {
 853         /* When running in parallel sum the bins over the processes */
 854         i = nbin;
 855         global_max(cr, &i);
 856         realloc_bins(&bin, &nbin, i);
 857         gmx_sumd(nbin, bin, cr);
 858     }
 859     if (MASTER(cr))
 860     {
 861         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpid", nfile, fnm),
 862                           "TPI energy distribution",
 863                           "\\betaU - log(V/<V>)", "count", oenv);
 864         sprintf(str, "number \\betaU > %g: %9.3e", bU_bin_limit, bin[0]);
 865         xvgr_subtitle(fp_tpi, str, oenv);
 866         xvgr_legend(fp_tpi, 2, (const char **)tpid_leg, oenv);
 867         for (i = nbin-1; i > 0; i--)
 868         {
 869             bUlogV = -i/invbinw + bU_logV_bin_limit - refvolshift + log(V_all/frame);
 870             fprintf(fp_tpi, "%6.2f %10d %12.5e\n",
 871                     bUlogV,
 872                     (int)(bin[i]+0.5),
 873                     bin[i]*exp(-bUlogV)*V_all/VembU_all);
 874         }
 875         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 876     }
 877     sfree(bin);
 878
 879     sfree(sum_UgembU);
 880
 881     walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, frame*inputrec->nsteps);
 882
 883     return 0;
 884 }