2adb328745531b784b89204690e0408d3f9b4e64
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / mdrun / tpi.cpp
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) 2013,2014,2015,2016,2017 by the GROMACS development team.
7  * Copyright (c) 2018,2019,2020,2021, by the GROMACS development team, led by
8  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
9  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
10  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
11  *
12  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
13  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
14  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
15  * of the License, or (at your option) any later version.
16  *
17  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
20  * Lesser General Public License for more details.
21  *
22  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
23  * License along with GROMACS; if not, see
24  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
25  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
26  *
27  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
28  * consider that scientific software is very special. Version
29  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
30  * consider code for inclusion in the official distribution, but
31  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
32  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
33  * official version at http://www.gromacs.org.
34  *
35  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
36  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
37  */
38 /*! \internal \file
39  *
40  * \brief This file defines the integrator for test particle insertion
41  *
42  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
43  * \ingroup module_mdrun
44  */
45 #include "gmxpre.h"
46
47 #include <cmath>
48 #include <cstdlib>
49 #include <cstring>
50 #include <ctime>
51
52 #include <algorithm>
53 #include <cfenv>
54
55 #include "gromacs/commandline/filenm.h"
56 #include "gromacs/domdec/dlbtiming.h"
57 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
58 #include "gromacs/ewald/pme.h"
59 #include "gromacs/fileio/confio.h"
60 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
61 #include "gromacs/fileio/xvgr.h"
62 #include "gromacs/gmxlib/conformation_utilities.h"
63 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
64 #include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
65 #include "gromacs/math/units.h"
66 #include "gromacs/math/vec.h"
67 #include "gromacs/mdlib/constr.h"
68 #include "gromacs/mdlib/dispersioncorrection.h"
69 #include "gromacs/mdlib/energyoutput.h"
70 #include "gromacs/mdlib/force.h"
71 #include "gromacs/mdlib/force_flags.h"
72 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
73 #include "gromacs/mdlib/mdatoms.h"
74 #include "gromacs/mdlib/tgroup.h"
75 #include "gromacs/mdlib/update.h"
76 #include "gromacs/mdlib/vsite.h"
77 #include "gromacs/mdrunutility/printtime.h"
78 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
79 #include "gromacs/mdtypes/forcebuffers.h"
80 #include "gromacs/mdtypes/forcerec.h"
81 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
82 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
83 #include "gromacs/mdtypes/interaction_const.h"
84 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
85 #include "gromacs/mdtypes/mdatom.h"
86 #include "gromacs/mdtypes/mdrunoptions.h"
87 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
88 #include "gromacs/nbnxm/nbnxm.h"
89 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
90 #include "gromacs/random/threefry.h"
91 #include "gromacs/random/uniformrealdistribution.h"
92 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
93 #include "gromacs/timing/walltime_accounting.h"
94 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
95 #include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
96 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
97 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
98 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
99 #include "gromacs/utility/logger.h"
100 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
101
102 #include "legacysimulator.h"
103
104 //! Global max algorithm
105 static void global_max(t_commrec* cr, int* n)
106 {
107     int *sum, i;
108
109     snew(sum, cr->nnodes);
110     sum[cr->nodeid] = *n;
111     gmx_sumi(cr->nnodes, sum, cr);
112     for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
113     {
114         *n = std::max(*n, sum[i]);
115     }
116
117     sfree(sum);
118 }
119
120 //! Reallocate arrays.
121 static void realloc_bins(double** bin, int* nbin, int nbin_new)
122 {
123     int i;
124
125     if (nbin_new != *nbin)
126     {
127         srenew(*bin, nbin_new);
128         for (i = *nbin; i < nbin_new; i++)
129         {
130             (*bin)[i] = 0;
131         }
132         *nbin = nbin_new;
133     }
134 }
135
136 //! Computes and returns the RF exclusion energy for the last molecule starting at \p beginAtom
137 static real reactionFieldExclusionCorrection(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x,
138                                              const t_mdatoms&               mdatoms,
139                                              const interaction_const_t&     ic,
140                                              const int                      beginAtom)
141 {
142     real energy = 0;
143
144     for (int i = beginAtom; i < mdatoms.homenr; i++)
145     {
146         const real qi = mdatoms.chargeA[i];
147         energy -= 0.5 * qi * qi * ic.reactionFieldShift;
148
149         for (int j = i + 1; j < mdatoms.homenr; j++)
150         {
151             const real qj  = mdatoms.chargeA[j];
152             const real rsq = distance2(x[i], x[j]);
153             energy += qi * qj * (ic.reactionFieldCoefficient * rsq - ic.reactionFieldShift);
154         }
155     }
156
157     return ic.epsfac * energy;
158 }
159
160 namespace gmx
161 {
162
163 // TODO: Convert to use the nbnxm kernels by putting the system and the teset molecule on two separate search grids
164 void LegacySimulator::do_tpi()
165 {
166     GMX_RELEASE_ASSERT(gmx_omp_nthreads_get(emntDefault) == 1, "TPI does not support OpenMP");
167
168     gmx_localtop_t    top(top_global->ffparams);
169     gmx::ForceBuffers f;
170     real              lambda, t, temp, beta, drmax, epot;
171     double            embU, sum_embU, *sum_UgembU, V, V_all, VembU_all;
172     t_trxstatus*      status;
173     t_trxframe        rerun_fr;
174     gmx_bool          bDispCorr, bCharge, bRFExcl, bNotLastFrame, bStateChanged, bNS;
175     tensor            force_vir, shake_vir, vir, pres;
176     int               a_tp0, a_tp1, ngid, gid_tp, nener, e;
177     rvec*             x_mol;
178     rvec              mu_tot, x_init, dx;
179     int               nnodes, frame;
180     int64_t           frame_step_prev, frame_step;
181     int64_t           nsteps, stepblocksize = 0, step;
182     int64_t           seed;
183     int               i;
184     FILE*             fp_tpi = nullptr;
185     char *            ptr, *dump_pdb, **leg, str[STRLEN], str2[STRLEN];
186     double            dbl, dump_ener;
187     gmx_bool          bCavity;
188     int               nat_cavity  = 0, d;
189     real *            mass_cavity = nullptr, mass_tot;
190     int               nbin;
191     double            invbinw, *bin, refvolshift, logV, bUlogV;
192     gmx_bool          bEnergyOutOfBounds;
193     const char*       tpid_leg[2] = { "direct", "reweighted" };
194     auto              mdatoms     = mdAtoms->mdatoms();
195
196     GMX_UNUSED_VALUE(outputProvider);
197
198     if (EVDW_PME(inputrec->vdwtype))
199     {
200         gmx_fatal(FARGS, "Test particle insertion not implemented with LJ-PME");
201     }
202     if (haveEwaldSurfaceContribution(*inputrec))
203     {
204         gmx_fatal(FARGS,
205                   "TPI with PME currently only works in a 3D geometry with tin-foil "
206                   "boundary conditions");
207     }
208
209     GMX_LOG(mdlog.info)
210             .asParagraph()
211             .appendText(
212                     "Note that it is planned to change the command gmx mdrun -tpi "
213                     "(and -tpic) to make the functionality available in a different "
214                     "form in a future version of GROMACS, e.g. gmx test-particle-insertion.");
215
216     /* Since there is no upper limit to the insertion energies,
217      * we need to set an upper limit for the distribution output.
218      */
219     real bU_bin_limit      = 50;
220     real bU_logV_bin_limit = bU_bin_limit + 10;
221
222     nnodes = cr->nnodes;
223
224     gmx_mtop_generate_local_top(*top_global, &top, inputrec->efep != efepNO);
225
226     const SimulationGroups* groups = &top_global->groups;
227
228     bCavity = (inputrec->eI == eiTPIC);
229     if (bCavity)
230     {
231         ptr = getenv("GMX_TPIC_MASSES");
232         if (ptr == nullptr)
233         {
234             nat_cavity = 1;
235         }
236         else
237         {
238             /* Read (multiple) masses from env var GMX_TPIC_MASSES,
239              * The center of mass of the last atoms is then used for TPIC.
240              */
241             nat_cavity = 0;
242             while (sscanf(ptr, "%20lf%n", &dbl, &i) > 0)
243             {
244                 srenew(mass_cavity, nat_cavity + 1);
245                 mass_cavity[nat_cavity] = dbl;
246                 fprintf(fplog, "mass[%d] = %f\n", nat_cavity + 1, mass_cavity[nat_cavity]);
247                 nat_cavity++;
248                 ptr += i;
249             }
250             if (nat_cavity == 0)
251             {
252                 gmx_fatal(FARGS, "Found %d masses in GMX_TPIC_MASSES", nat_cavity);
253             }
254         }
255     }
256
257     /*
258        init_em(fplog,TPI,inputrec,&lambda,nrnb,mu_tot,
259        state_global->box,fr,mdatoms,top,cr,nfile,fnm,NULL,NULL);*/
260     /* We never need full pbc for TPI */
261     fr->pbcType = PbcType::Xyz;
262     /* Determine the temperature for the Boltzmann weighting */
263     temp = inputrec->opts.ref_t[0];
264     if (fplog)
265     {
266         for (i = 1; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
267         {
268             if (inputrec->opts.ref_t[i] != temp)
269             {
270                 fprintf(fplog,
271                         "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups "
272                         "are not identical\n\n");
273                 fprintf(stderr,
274                         "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups "
275                         "are not identical\n\n");
276             }
277         }
278         fprintf(fplog, "\n  The temperature for test particle insertion is %.3f K\n\n", temp);
279     }
280     beta = 1.0 / (BOLTZ * temp);
281
282     /* Number of insertions per frame */
283     nsteps = inputrec->nsteps;
284
285     /* Use the same neighborlist with more insertions points
286      * in a sphere of radius drmax around the initial point
287      */
288     /* This should be a proper mdp parameter */
289     drmax = inputrec->rtpi;
290
291     /* An environment variable can be set to dump all configurations
292      * to pdb with an insertion energy <= this value.
293      */
294     dump_pdb  = getenv("GMX_TPI_DUMP");
295     dump_ener = 0;
296     if (dump_pdb)
297     {
298         sscanf(dump_pdb, "%20lf", &dump_ener);
299     }
300
301     atoms2md(top_global, inputrec, -1, {}, top_global->natoms, mdAtoms);
302     update_mdatoms(mdatoms, inputrec->fepvals->init_lambda);
303
304     f.resize(top_global->natoms);
305
306     /* Print to log file  */
307     walltime_accounting_start_time(walltime_accounting);
308     wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
309     print_start(fplog, cr, walltime_accounting, "Test Particle Insertion");
310
311     /* The last charge group is the group to be inserted */
312     const t_atoms& atomsToInsert = top_global->moltype[top_global->molblock.back().type].atoms;
313     a_tp0                        = top_global->natoms - atomsToInsert.nr;
314     a_tp1                        = top_global->natoms;
315     if (debug)
316     {
317         fprintf(debug, "TPI atoms %d-%d\n", a_tp0, a_tp1);
318     }
319
320     auto x = makeArrayRef(state_global->x);
321
322     if (EEL_PME(fr->ic->eeltype))
323     {
324         gmx_pme_reinit_atoms(fr->pmedata, a_tp0, nullptr, nullptr);
325     }
326
327     /* With reacion-field we have distance dependent potentials
328      * between excluded atoms, we need to add these separately
329      * for the inserted molecule.
330      */
331     real rfExclusionEnergy = 0;
332     if (EEL_RF(fr->ic->eeltype))
333     {
334         rfExclusionEnergy = reactionFieldExclusionCorrection(x, *mdatoms, *fr->ic, a_tp0);
335         if (debug)
336         {
337             fprintf(debug, "RF exclusion correction for inserted molecule: %f kJ/mol\n", rfExclusionEnergy);
338         }
339     }
340
341     snew(x_mol, a_tp1 - a_tp0);
342
343     bDispCorr = (inputrec->eDispCorr != edispcNO);
344     bCharge   = FALSE;
345     for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
346     {
347         /* Copy the coordinates of the molecule to be insterted */
348         copy_rvec(x[i], x_mol[i - a_tp0]);
349         /* Check if we need to print electrostatic energies */
350         bCharge |= (mdatoms->chargeA[i] != 0
351                     || ((mdatoms->chargeB != nullptr) && mdatoms->chargeB[i] != 0));
352     }
353     bRFExcl = (bCharge && EEL_RF(fr->ic->eeltype));
354
355     // Calculate the center of geometry of the molecule to insert
356     rvec cog = { 0, 0, 0 };
357     for (int a = a_tp0; a < a_tp1; a++)
358     {
359         rvec_inc(cog, x[a]);
360     }
361     svmul(1.0_real / (a_tp1 - a_tp0), cog, cog);
362     real molRadius = 0;
363     for (int a = a_tp0; a < a_tp1; a++)
364     {
365         molRadius = std::max(molRadius, distance2(x[a], cog));
366     }
367     molRadius = std::sqrt(molRadius);
368
369     const real maxCutoff = std::max(inputrec->rvdw, inputrec->rcoulomb);
370     if (bCavity)
371     {
372         if (norm(cog) > 0.5 * maxCutoff && fplog)
373         {
374             fprintf(fplog, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
375             fprintf(stderr, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
376         }
377     }
378     else
379     {
380         /* Center the molecule to be inserted at zero */
381         for (i = 0; i < a_tp1 - a_tp0; i++)
382         {
383             rvec_dec(x_mol[i], cog);
384         }
385     }
386
387     if (fplog)
388     {
389         fprintf(fplog, "\nWill insert %d atoms %s partial charges\n", a_tp1 - a_tp0, bCharge ? "with" : "without");
390
391         fprintf(fplog,
392                 "\nWill insert %" PRId64 " times in each frame of %s\n",
393                 nsteps,
394                 opt2fn("-rerun", nfile, fnm));
395     }
396
397     if (!bCavity)
398     {
399         if (inputrec->nstlist > 1)
400         {
401
402             /* With the same pair list we insert in a sphere of radius rtpi  in different orientations */
403             if (drmax == 0 && a_tp1 - a_tp0 == 1)
404             {
405                 gmx_fatal(FARGS,
406                           "Re-using the neighborlist %d times for insertions of a single atom in a "
407                           "sphere of radius %f does not make sense",
408                           inputrec->nstlist,
409                           drmax);
410             }
411             if (fplog)
412             {
413                 fprintf(fplog,
414                         "Will use the same neighborlist for %d insertions in a sphere of radius "
415                         "%f\n",
416                         inputrec->nstlist,
417                         drmax);
418             }
419         }
420     }
421     else
422     {
423         if (fplog)
424         {
425             fprintf(fplog,
426                     "Will insert randomly in a sphere of radius %f around the center of the "
427                     "cavity\n",
428                     drmax);
429         }
430     }
431
432     /* With the same pair list we insert in a sphere of radius rtpi
433      * in different orientations. We generate the pairlist with all
434      * inserted atoms located in the center of the sphere, so we need
435      * a buffer of size of the sphere and molecule radius.
436      */
437     {
438         // TODO: Avoid changing inputrec (#3854)
439         auto* nonConstInputrec  = const_cast<t_inputrec*>(inputrec);
440         nonConstInputrec->rlist = maxCutoff + 2 * inputrec->rtpi + 2 * molRadius;
441     }
442     fr->rlist = inputrec->rlist;
443     fr->nbv->changePairlistRadii(inputrec->rlist, inputrec->rlist);
444
445     ngid   = groups->groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput].size();
446     gid_tp = GET_CGINFO_GID(fr->cginfo[a_tp0]);
447     for (int a = a_tp0 + 1; a < a_tp1; a++)
448     {
449         if (GET_CGINFO_GID(fr->cginfo[a]) != gid_tp)
450         {
451             fprintf(fplog,
452                     "NOTE: Atoms in the molecule to insert belong to different energy groups.\n"
453                     "      Only contributions to the group of the first atom will be reported.\n");
454             break;
455         }
456     }
457     nener = 1 + ngid;
458     if (bDispCorr)
459     {
460         nener += 1;
461     }
462     if (bCharge)
463     {
464         nener += ngid;
465         if (bRFExcl)
466         {
467             nener += 1;
468         }
469         if (EEL_FULL(fr->ic->eeltype))
470         {
471             nener += 1;
472         }
473     }
474     snew(sum_UgembU, nener);
475
476     /* Copy the random seed set by the user */
477     seed = inputrec->ld_seed;
478
479     gmx::ThreeFry2x64<16> rng(
480             seed, gmx::RandomDomain::TestParticleInsertion); // 16 bits internal counter => 2^16 * 2 = 131072 values per stream
481     gmx::UniformRealDistribution<real> dist;
482
483     if (MASTER(cr))
484     {
485         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpi", nfile, fnm),
486                           "TPI energies",
487                           "Time (ps)",
488                           "(kJ mol\\S-1\\N) / (nm\\S3\\N)",
489                           oenv);
490         xvgr_subtitle(fp_tpi, "f. are averages over one frame", oenv);
491         snew(leg, 4 + nener);
492         e = 0;
493         sprintf(str, "-kT log(<Ve\\S-\\betaU\\N>/<V>)");
494         leg[e++] = gmx_strdup(str);
495         sprintf(str, "f. -kT log<e\\S-\\betaU\\N>");
496         leg[e++] = gmx_strdup(str);
497         sprintf(str, "f. <e\\S-\\betaU\\N>");
498         leg[e++] = gmx_strdup(str);
499         sprintf(str, "f. V");
500         leg[e++] = gmx_strdup(str);
501         sprintf(str, "f. <Ue\\S-\\betaU\\N>");
502         leg[e++] = gmx_strdup(str);
503         for (i = 0; i < ngid; i++)
504         {
505             sprintf(str,
506                     "f. <U\\sVdW %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
507                     *(groups->groupNames[groups->groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput][i]]));
508             leg[e++] = gmx_strdup(str);
509         }
510         if (bDispCorr)
511         {
512             sprintf(str, "f. <U\\sdisp c\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
513             leg[e++] = gmx_strdup(str);
514         }
515         if (bCharge)
516         {
517             for (i = 0; i < ngid; i++)
518             {
519                 sprintf(str,
520                         "f. <U\\sCoul %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
521                         *(groups->groupNames[groups->groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput][i]]));
522                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
523             }
524             if (bRFExcl)
525             {
526                 sprintf(str, "f. <U\\sRF excl\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
527                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
528             }
529             if (EEL_FULL(fr->ic->eeltype))
530             {
531                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul recip\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
532                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
533             }
534         }
535         xvgr_legend(fp_tpi, 4 + nener, leg, oenv);
536         for (i = 0; i < 4 + nener; i++)
537         {
538             sfree(leg[i]);
539         }
540         sfree(leg);
541     }
542     clear_rvec(x_init);
543     V_all     = 0;
544     VembU_all = 0;
545
546     invbinw = 10;
547     nbin    = 10;
548     snew(bin, nbin);
549
550     /* Avoid frame step numbers <= -1 */
551     frame_step_prev = -1;
552
553     bNotLastFrame = read_first_frame(oenv, &status, opt2fn("-rerun", nfile, fnm), &rerun_fr, TRX_NEED_X);
554     frame         = 0;
555
556     if (rerun_fr.natoms - (bCavity ? nat_cavity : 0) != mdatoms->nr - (a_tp1 - a_tp0))
557     {
558         gmx_fatal(FARGS,
559                   "Number of atoms in trajectory (%d)%s "
560                   "is not equal the number in the run input file (%d) "
561                   "minus the number of atoms to insert (%d)\n",
562                   rerun_fr.natoms,
563                   bCavity ? " minus one" : "",
564                   mdatoms->nr,
565                   a_tp1 - a_tp0);
566     }
567
568     refvolshift = log(det(rerun_fr.box));
569
570     switch (inputrec->eI)
571     {
572         case eiTPI: stepblocksize = inputrec->nstlist; break;
573         case eiTPIC: stepblocksize = 1; break;
574         default: gmx_fatal(FARGS, "Unknown integrator %s", ei_names[inputrec->eI]);
575     }
576
577     while (bNotLastFrame)
578     {
579         frame_step = rerun_fr.step;
580         if (frame_step <= frame_step_prev)
581         {
582             /* We don't have step number in the trajectory file,
583              * or we have constant or decreasing step numbers.
584              * Ensure we have increasing step numbers, since we use
585              * the step numbers as a counter for random numbers.
586              */
587             frame_step = frame_step_prev + 1;
588         }
589         frame_step_prev = frame_step;
590
591         lambda = rerun_fr.lambda;
592         t      = rerun_fr.time;
593
594         sum_embU = 0;
595         for (e = 0; e < nener; e++)
596         {
597             sum_UgembU[e] = 0;
598         }
599
600         /* Copy the coordinates from the input trajectory */
601         auto x = makeArrayRef(state_global->x);
602         for (i = 0; i < rerun_fr.natoms; i++)
603         {
604             copy_rvec(rerun_fr.x[i], x[i]);
605         }
606         copy_mat(rerun_fr.box, state_global->box);
607         const matrix& box = state_global->box;
608
609         V    = det(box);
610         logV = log(V);
611
612         bStateChanged = TRUE;
613         bNS           = TRUE;
614
615         put_atoms_in_box(fr->pbcType, box, x);
616
617         /* Put all atoms except for the inserted ones on the grid */
618         rvec vzero       = { 0, 0, 0 };
619         rvec boxDiagonal = { box[XX][XX], box[YY][YY], box[ZZ][ZZ] };
620         nbnxn_put_on_grid(
621                 fr->nbv.get(), box, 0, vzero, boxDiagonal, nullptr, { 0, a_tp0 }, -1, fr->cginfo, x, 0, nullptr);
622
623         step = cr->nodeid * stepblocksize;
624         while (step < nsteps)
625         {
626             /* Restart random engine using the frame and insertion step
627              * as counters.
628              * Note that we need to draw several random values per iteration,
629              * but by using the internal subcounter functionality of ThreeFry2x64
630              * we can draw 131072 unique 64-bit values before exhausting
631              * the stream. This is a huge margin, and if something still goes
632              * wrong you will get an exception when the stream is exhausted.
633              */
634             rng.restart(frame_step, step);
635             dist.reset(); // erase any memory in the distribution
636
637             if (!bCavity)
638             {
639                 /* Random insertion in the whole volume */
640                 bNS = (step % inputrec->nstlist == 0);
641                 if (bNS)
642                 {
643                     /* Generate a random position in the box */
644                     for (d = 0; d < DIM; d++)
645                     {
646                         x_init[d] = dist(rng) * state_global->box[d][d];
647                     }
648                 }
649             }
650             else
651             {
652                 /* Random insertion around a cavity location
653                  * given by the last coordinate of the trajectory.
654                  */
655                 if (step == 0)
656                 {
657                     if (nat_cavity == 1)
658                     {
659                         /* Copy the location of the cavity */
660                         copy_rvec(rerun_fr.x[rerun_fr.natoms - 1], x_init);
661                     }
662                     else
663                     {
664                         /* Determine the center of mass of the last molecule */
665                         clear_rvec(x_init);
666                         mass_tot = 0;
667                         for (i = 0; i < nat_cavity; i++)
668                         {
669                             for (d = 0; d < DIM; d++)
670                             {
671                                 x_init[d] += mass_cavity[i]
672                                              * rerun_fr.x[rerun_fr.natoms - nat_cavity + i][d];
673                             }
674                             mass_tot += mass_cavity[i];
675                         }
676                         for (d = 0; d < DIM; d++)
677                         {
678                             x_init[d] /= mass_tot;
679                         }
680                     }
681                 }
682             }
683
684             if (bNS)
685             {
686                 for (int a = a_tp0; a < a_tp1; a++)
687                 {
688                     x[a] = x_init;
689                 }
690
691                 /* Put the inserted molecule on it's own search grid */
692                 nbnxn_put_on_grid(
693                         fr->nbv.get(), box, 1, x_init, x_init, nullptr, { a_tp0, a_tp1 }, -1, fr->cginfo, x, 0, nullptr);
694
695                 /* TODO: Avoid updating all atoms at every bNS step */
696                 fr->nbv->setAtomProperties(gmx::constArrayRefFromArray(mdatoms->typeA, mdatoms->nr),
697                                            gmx::constArrayRefFromArray(mdatoms->chargeA, mdatoms->nr),
698                                            fr->cginfo);
699
700                 fr->nbv->constructPairlist(InteractionLocality::Local, top.excls, step, nrnb);
701
702                 bNS = FALSE;
703             }
704
705             /* Add random displacement uniformly distributed in a sphere
706              * of radius rtpi. We don't need to do this is we generate
707              * a new center location every step.
708              */
709             rvec x_tp;
710             if (bCavity || inputrec->nstlist > 1)
711             {
712                 /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
713                 do
714                 {
715                     for (d = 0; d < DIM; d++)
716                     {
717                         dx[d] = (2 * dist(rng) - 1) * drmax;
718                     }
719                 } while (norm2(dx) > drmax * drmax);
720                 rvec_add(x_init, dx, x_tp);
721             }
722             else
723             {
724                 copy_rvec(x_init, x_tp);
725             }
726
727             if (a_tp1 - a_tp0 == 1)
728             {
729                 /* Insert a single atom, just copy the insertion location */
730                 copy_rvec(x_tp, x[a_tp0]);
731             }
732             else
733             {
734                 /* Copy the coordinates from the top file */
735                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
736                 {
737                     copy_rvec(x_mol[i - a_tp0], x[i]);
738                 }
739                 /* Rotate the molecule randomly */
740                 real angleX = 2 * M_PI * dist(rng);
741                 real angleY = 2 * M_PI * dist(rng);
742                 real angleZ = 2 * M_PI * dist(rng);
743                 rotate_conf(a_tp1 - a_tp0, state_global->x.rvec_array() + a_tp0, nullptr, angleX, angleY, angleZ);
744                 /* Shift to the insertion location */
745                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
746                 {
747                     rvec_inc(x[i], x_tp);
748                 }
749             }
750
751             /* Note: NonLocal refers to the inserted molecule */
752             fr->nbv->convertCoordinates(AtomLocality::NonLocal, false, x);
753
754             /* Clear some matrix variables  */
755             clear_mat(force_vir);
756             clear_mat(shake_vir);
757             clear_mat(vir);
758             clear_mat(pres);
759
760             /* Calc energy (no forces) on new positions. */
761             /* Make do_force do a single node force calculation */
762             cr->nnodes = 1;
763
764             // TPI might place a particle so close that the potential
765             // is infinite. Since this is intended to happen, we
766             // temporarily suppress any exceptions that the processor
767             // might raise, then restore the old behaviour.
768             std::fenv_t floatingPointEnvironment;
769             std::feholdexcept(&floatingPointEnvironment);
770             do_force(fplog,
771                      cr,
772                      ms,
773                      *inputrec,
774                      nullptr,
775                      nullptr,
776                      imdSession,
777                      pull_work,
778                      step,
779                      nrnb,
780                      wcycle,
781                      &top,
782                      state_global->box,
783                      state_global->x.arrayRefWithPadding(),
784                      &state_global->hist,
785                      &f.view(),
786                      force_vir,
787                      mdatoms,
788                      enerd,
789                      state_global->lambda,
790                      fr,
791                      runScheduleWork,
792                      nullptr,
793                      mu_tot,
794                      t,
795                      nullptr,
796                      GMX_FORCE_NONBONDED | GMX_FORCE_ENERGY | (bStateChanged ? GMX_FORCE_STATECHANGED : 0),
797                      DDBalanceRegionHandler(nullptr));
798             std::feclearexcept(FE_DIVBYZERO | FE_INVALID | FE_OVERFLOW);
799             std::feupdateenv(&floatingPointEnvironment);
800
801             cr->nnodes    = nnodes;
802             bStateChanged = FALSE;
803
804             if (fr->dispersionCorrection)
805             {
806                 /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
807                 const DispersionCorrection::Correction correction =
808                         fr->dispersionCorrection->calculate(state_global->box, lambda);
809                 /* figure out how to rearrange the next 4 lines MRS 8/4/2009 */
810                 enerd->term[F_DISPCORR] = correction.energy;
811                 enerd->term[F_EPOT] += correction.energy;
812                 enerd->term[F_PRES] += correction.pressure;
813                 enerd->term[F_DVDL] += correction.dvdl;
814             }
815             else
816             {
817                 enerd->term[F_DISPCORR] = 0;
818             }
819             if (EEL_RF(fr->ic->eeltype))
820             {
821                 enerd->term[F_EPOT] += rfExclusionEnergy;
822             }
823
824             epot               = enerd->term[F_EPOT];
825             bEnergyOutOfBounds = FALSE;
826
827             /* If the compiler doesn't optimize this check away
828              * we catch the NAN energies.
829              * The epot>GMX_REAL_MAX check catches inf values,
830              * which should nicely result in embU=0 through the exp below,
831              * but it does not hurt to check anyhow.
832              */
833             /* Non-bonded Interaction usually diverge at r=0.
834              * With tabulated interaction functions the first few entries
835              * should be capped in a consistent fashion between
836              * repulsion, dispersion and Coulomb to avoid accidental
837              * negative values in the total energy.
838              * The table generation code in tables.c does this.
839              * With user tbales the user should take care of this.
840              */
841             if (epot != epot || epot > GMX_REAL_MAX)
842             {
843                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
844             }
845             if (bEnergyOutOfBounds)
846             {
847                 if (debug)
848                 {
849                     fprintf(debug,
850                             "\n  time %.3f, step %d: non-finite energy %f, using exp(-bU)=0\n",
851                             t,
852                             static_cast<int>(step),
853                             epot);
854                 }
855                 embU = 0;
856             }
857             else
858             {
859                 // Exponent argument is fine in SP range, but output can be in DP range
860                 embU = exp(static_cast<double>(-beta * epot));
861                 sum_embU += embU;
862                 /* Determine the weighted energy contributions of each energy group */
863                 e = 0;
864                 sum_UgembU[e++] += epot * embU;
865                 if (fr->bBHAM)
866                 {
867                     for (i = 0; i < ngid; i++)
868                     {
869                         sum_UgembU[e++] += enerd->grpp.ener[egBHAMSR][GID(i, gid_tp, ngid)] * embU;
870                     }
871                 }
872                 else
873                 {
874                     for (i = 0; i < ngid; i++)
875                     {
876                         sum_UgembU[e++] += enerd->grpp.ener[egLJSR][GID(i, gid_tp, ngid)] * embU;
877                     }
878                 }
879                 if (bDispCorr)
880                 {
881                     sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_DISPCORR] * embU;
882                 }
883                 if (bCharge)
884                 {
885                     for (i = 0; i < ngid; i++)
886                     {
887                         sum_UgembU[e++] += enerd->grpp.ener[egCOULSR][GID(i, gid_tp, ngid)] * embU;
888                     }
889                     if (bRFExcl)
890                     {
891                         sum_UgembU[e++] += rfExclusionEnergy * embU;
892                     }
893                     if (EEL_FULL(fr->ic->eeltype))
894                     {
895                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_COUL_RECIP] * embU;
896                     }
897                 }
898             }
899
900             if (embU == 0 || beta * epot > bU_bin_limit)
901             {
902                 bin[0]++;
903             }
904             else
905             {
906                 i = gmx::roundToInt((bU_logV_bin_limit - (beta * epot - logV + refvolshift)) * invbinw);
907                 if (i < 0)
908                 {
909                     i = 0;
910                 }
911                 if (i >= nbin)
912                 {
913                     realloc_bins(&bin, &nbin, i + 10);
914                 }
915                 bin[i]++;
916             }
917
918             if (debug)
919             {
920                 fprintf(debug,
921                         "TPI %7d %12.5e %12.5f %12.5f %12.5f\n",
922                         static_cast<int>(step),
923                         epot,
924                         x_tp[XX],
925                         x_tp[YY],
926                         x_tp[ZZ]);
927             }
928
929             if (dump_pdb && epot <= dump_ener)
930             {
931                 sprintf(str, "t%g_step%d.pdb", t, static_cast<int>(step));
932                 sprintf(str2, "t: %f step %d ener: %f", t, static_cast<int>(step), epot);
933                 write_sto_conf_mtop(str,
934                                     str2,
935                                     top_global,
936                                     state_global->x.rvec_array(),
937                                     state_global->v.rvec_array(),
938                                     inputrec->pbcType,
939                                     state_global->box);
940             }
941
942             step++;
943             if ((step / stepblocksize) % cr->nnodes != cr->nodeid)
944             {
945                 /* Skip all steps assigned to the other MPI ranks */
946                 step += (cr->nnodes - 1) * stepblocksize;
947             }
948         }
949
950         if (PAR(cr))
951         {
952             /* When running in parallel sum the energies over the processes */
953             gmx_sumd(1, &sum_embU, cr);
954             gmx_sumd(nener, sum_UgembU, cr);
955         }
956
957         frame++;
958         V_all += V;
959         VembU_all += V * sum_embU / nsteps;
960
961         if (fp_tpi)
962         {
963             if (mdrunOptions.verbose || frame % 10 == 0 || frame < 10)
964             {
965                 fprintf(stderr,
966                         "mu %10.3e <mu> %10.3e\n",
967                         -log(sum_embU / nsteps) / beta,
968                         -log(VembU_all / V_all) / beta);
969             }
970
971             fprintf(fp_tpi,
972                     "%10.3f %12.5e %12.5e %12.5e %12.5e",
973                     t,
974                     VembU_all == 0 ? 20 / beta : -log(VembU_all / V_all) / beta,
975                     sum_embU == 0 ? 20 / beta : -log(sum_embU / nsteps) / beta,
976                     sum_embU / nsteps,
977                     V);
978             for (e = 0; e < nener; e++)
979             {
980                 fprintf(fp_tpi, " %12.5e", sum_UgembU[e] / nsteps);
981             }
982             fprintf(fp_tpi, "\n");
983             fflush(fp_tpi);
984         }
985
986         bNotLastFrame = read_next_frame(oenv, status, &rerun_fr);
987     } /* End of the loop  */
988     walltime_accounting_end_time(walltime_accounting);
989
990     close_trx(status);
991
992     if (fp_tpi != nullptr)
993     {
994         xvgrclose(fp_tpi);
995     }
996
997     if (fplog != nullptr)
998     {
999         fprintf(fplog, "\n");
1000         fprintf(fplog, "  <V>  = %12.5e nm^3\n", V_all / frame);
1001         const double mu = -log(VembU_all / V_all) / beta;
1002         fprintf(fplog, "  <mu> = %12.5e kJ/mol\n", mu);
1003
1004         if (!std::isfinite(mu))
1005         {
1006             fprintf(fplog,
1007                     "\nThe computed chemical potential is not finite - consider increasing the "
1008                     "number of steps and/or the number of frames to insert into.\n");
1009         }
1010     }
1011
1012     /* Write the Boltzmann factor histogram */
1013     if (PAR(cr))
1014     {
1015         /* When running in parallel sum the bins over the processes */
1016         i = nbin;
1017         global_max(cr, &i);
1018         realloc_bins(&bin, &nbin, i);
1019         gmx_sumd(nbin, bin, cr);
1020     }
1021     if (MASTER(cr))
1022     {
1023         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpid", nfile, fnm),
1024                           "TPI energy distribution",
1025                           "\\betaU - log(V/<V>)",
1026                           "count",
1027                           oenv);
1028         sprintf(str, "number \\betaU > %g: %9.3e", bU_bin_limit, bin[0]);
1029         xvgr_subtitle(fp_tpi, str, oenv);
1030         xvgr_legend(fp_tpi, 2, tpid_leg, oenv);
1031         for (i = nbin - 1; i > 0; i--)
1032         {
1033             bUlogV = -i / invbinw + bU_logV_bin_limit - refvolshift + log(V_all / frame);
1034             fprintf(fp_tpi, "%6.2f %10d %12.5e\n", bUlogV, roundToInt(bin[i]), bin[i] * exp(-bUlogV) * V_all / VembU_all);
1035         }
1036         xvgrclose(fp_tpi);
1037     }
1038     sfree(bin);
1039
1040     sfree(sum_UgembU);
1041
1042     walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, frame * inputrec->nsteps);
1043 }
1044
1045 } // namespace gmx