src/gromacs/modularsimulator/computeglobalselement.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2019,2020,2021, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 /*! \internal \file
  36  * \brief Declares the global reduction element for the modular simulator
  37  *
  38  * \author Pascal Merz <pascal.merz@me.com>
  39  * \ingroup module_modularsimulator
  40  *
  41  * This header is only used within the modular simulator module
  42  */
  43
  44 #ifndef GMX_MODULARSIMULATOR_COMPUTEGLOBALSELEMENT_H
  45 #define GMX_MODULARSIMULATOR_COMPUTEGLOBALSELEMENT_H
  46
  47 #include "gromacs/mdlib/simulationsignal.h"
  48 #include "gromacs/mdlib/vcm.h"
  49
  50 #include "energydata.h"
  51 #include "modularsimulatorinterfaces.h"
  52 #include "statepropagatordata.h"
  53 #include "topologyholder.h"
  54
  55 struct gmx_global_stat;
  56 struct gmx_wallcycle;
  57 struct t_nrnb;
  58
  59 namespace gmx
  60 {
  61 class FreeEnergyPerturbationData;
  62 class LegacySimulatorData;
  63 class MDAtoms;
  64 class MDLogger;
  65 class ObservablesReducer;
  66
  67 //! \addtogroup module_modularsimulator
  68 //! \{
  69
  70 //! The different global reduction schemes we know about
  71 enum class ComputeGlobalsAlgorithm
  72 {
  73     LeapFrog,
  74     VelocityVerlet
  75 };
  76
  77 //! The function type allowing to request a check of the number of bonded interactions
  78 typedef std::function<void()> CheckBondedInteractionsCallback;
  79
  80 /*! \internal
  81  * \brief Encapsulate the calls to `compute_globals`
  82  *
  83  * This element aims at offering an interface to the legacy
  84  * implementation which is compatible with the new simulator approach.
  85  *
  86  * The element comes in 3 (templated) flavors: the leap-frog case, the first
  87  * call during a velocity-verlet integrator, and the second call during a
  88  * velocity-verlet integrator. In velocity verlet, the state at the beginning
  89  * of the step corresponds to
  90  *     positions at time t
  91  *     velocities at time t - dt/2
  92  * The first velocity propagation (+dt/2) therefore actually corresponds to the
  93  * previous step, bringing the state to the full timestep at time t. Most global
  94  * reductions are made at this point. The second call is needed to correct the
  95  * constraint virial after the second propagation of velocities (+dt/2) and of
  96  * the positions (+dt).
  97  *
  98  * \tparam algorithm  The global reduction scheme
  99  */
 100 template<ComputeGlobalsAlgorithm algorithm>
 101 class ComputeGlobalsElement final : public ISimulatorElement, public IEnergySignallerClient, public ITrajectorySignallerClient
 102 {
 103 public:
 104     //! Constructor
 105     ComputeGlobalsElement(StatePropagatorData*        statePropagatorData,
 106                           EnergyData*                 energyData,
 107                           FreeEnergyPerturbationData* freeEnergyPerturbationData,
 108                           SimulationSignals*          signals,
 109                           int                         nstglobalcomm,
 110                           FILE*                       fplog,
 111                           const MDLogger&             mdlog,
 112                           t_commrec*                  cr,
 113                           const t_inputrec*           inputrec,
 114                           const MDAtoms*              mdAtoms,
 115                           t_nrnb*                     nrnb,
 116                           gmx_wallcycle*              wcycle,
 117                           t_forcerec*                 fr,
 118                           const gmx_mtop_t&           global_top,
 119                           Constraints*                constr,
 120                           ObservablesReducer*         observablesReducer);
 121
 122     //! Destructor
 123     ~ComputeGlobalsElement() override;
 124
 125     /*! \brief Element setup - first call to compute_globals
 126      *
 127      */
 128     void elementSetup() override;
 129
 130     /*! \brief Register run function for step / time
 131      *
 132      * This registers the call to compute_globals when needed.
 133      *
 134      * \param step                 The step number
 135      * \param time                 The time
 136      * \param registerRunFunction  Function allowing to register a run function
 137      */
 138     void scheduleTask(Step step, Time time, const RegisterRunFunction& registerRunFunction) override;
 139
 140     //! No element teardown needed
 141     void elementTeardown() override {}
 142
 143     /*! \brief Factory method implementation
 144      *
 145      * \param legacySimulatorData  Pointer allowing access to simulator level data
 146      * \param builderHelper  ModularSimulatorAlgorithmBuilder helper object
 147      * \param statePropagatorData  Pointer to the \c StatePropagatorData object
 148      * \param energyData  Pointer to the \c EnergyData object
 149      * \param freeEnergyPerturbationData  Pointer to the \c FreeEnergyPerturbationData object
 150      * \param globalCommunicationHelper   Pointer to the \c GlobalCommunicationHelper object
 151      * \param observablesReducer          Pointer to the \c ObservablesReducer object
 152      *
 153      * \throws std::bad_any_cast  on internal error in VelocityVerlet algorithm builder.
 154      * \throws std::bad_alloc  when out of memory.
 155      *
 156      * \return  Pointer to the element to be added. Element needs to have been stored using \c storeElement
 157      */
 158     static ISimulatorElement* getElementPointerImpl(LegacySimulatorData* legacySimulatorData,
 159                                                     ModularSimulatorAlgorithmBuilderHelper* builderHelper,
 160                                                     StatePropagatorData*        statePropagatorData,
 161                                                     EnergyData*                 energyData,
 162                                                     FreeEnergyPerturbationData* freeEnergyPerturbationData,
 163                                                     GlobalCommunicationHelper* globalCommunicationHelper,
 164                                                     ObservablesReducer*        observablesReducer);
 165
 166 private:
 167     //! IEnergySignallerClient implementation
 168     std::optional<SignallerCallback> registerEnergyCallback(EnergySignallerEvent event) override;
 169     //! ITrajectorySignallerClient implementation
 170     std::optional<SignallerCallback> registerTrajectorySignallerCallback(TrajectoryEvent event) override;
 171     //! The compute_globals call
 172     void compute(Step step, unsigned int flags, SimulationSignaller* signaller, bool useLastBox, bool isInit = false);
 173
 174     //! Next step at which energy needs to be reduced
 175     Step energyReductionStep_;
 176     //! Next step at which virial needs to be reduced
 177     Step virialReductionStep_;
 178
 179     //! For VV only, we need to schedule twice per step. This keeps track of the scheduling stage.
 180     Step vvSchedulingStep_;
 181
 182     //! Whether center of mass motion stopping is enabled
 183     const bool doStopCM_;
 184     //! Number of steps after which center of mass motion is removed
 185     int nstcomm_;
 186     //! Compute globals communication period
 187     int nstglobalcomm_;
 188     //! The last (planned) step (only used for LF)
 189     const Step lastStep_;
 190     //! The initial step (only used for VV)
 191     const Step initStep_;
 192     //! A dummy signaller (used for setup and VV)
 193     std::unique_ptr<SimulationSignaller> nullSignaller_;
 194
 195     /*! \brief Check that DD doesn't miss bonded interactions
 196      *
 197      * Domain decomposition could incorrectly miss a bonded
 198      * interaction, but checking for that requires a global
 199      * communication stage, which does not otherwise happen in DD
 200      * code. So we do that alongside the first global energy reduction
 201      * after a new DD is made. These variables handle whether the
 202      * check happens, and the result it returns.
 203      */
 204     //! \{
 205     int  totalNumberOfBondedInteractions_;
 206     bool shouldCheckNumberOfBondedInteractions_;
 207     //! \}
 208
 209     /*! \brief Signal to ComputeGlobalsElement that it should check for DD errors
 210      *
 211      * Note that this should really be the responsibility of the DD element.
 212      * MDLogger, global and local topology are only needed due to the call to
 213      * checkNumberOfBondedInteractions(...).
 214      *
 215      * The DD element should have a single variable which gets reduced, and then
 216      * be responsible for the checking after a global reduction has happened.
 217      * This would, however, require a new approach for the compute_globals calls,
 218      * which is not yet implemented. So for now, we're leaving this here.
 219      */
 220     void needToCheckNumberOfBondedInteractions();
 221
 222     //! Global reduction struct
 223     gmx_global_stat* gstat_;
 224
 225     // TODO: Clarify relationship to data objects and find a more robust alternative to raw pointers (#3583)
 226     //! Pointer to the microstate
 227     StatePropagatorData* statePropagatorData_;
 228     //! Pointer to the energy data (needed for the tensors and mu_tot)
 229     EnergyData* energyData_;
 230     //! Pointer to the free energy perturbation data
 231     FreeEnergyPerturbationData* freeEnergyPerturbationData_;
 232
 233     //! Center of mass motion removal
 234     t_vcm vcm_;
 235     //! Signals
 236     SimulationSignals* signals_;
 237
 238     // Access to ISimulator data
 239     //! Handles logging.
 240     FILE* fplog_;
 241     //! Handles logging.
 242     const MDLogger& mdlog_;
 243     //! Handles communication.
 244     t_commrec* cr_;
 245     //! Contains user input mdp options.
 246     const t_inputrec* inputrec_;
 247     //! Full system topology - only needed for checkNumberOfBondedInteractions.
 248     const gmx_mtop_t& top_global_;
 249     //! Atom parameters for this domain.
 250     const MDAtoms* mdAtoms_;
 251     //! Handles constraints.
 252     Constraints* constr_;
 253     //! Manages flop accounting.
 254     t_nrnb* nrnb_;
 255     //! Manages wall cycle accounting.
 256     gmx_wallcycle* wcycle_;
 257     //! Parameters for force calculations.
 258     t_forcerec* fr_;
 259     //! Coordinates reduction for observables
 260     ObservablesReducer* observablesReducer_;
 261 };
 262
 263 //! \}
 264 } // namespace gmx
 265
 266 #endif // GMX_MODULARSIMULATOR_COMPUTEGLOBALSELEMENT_H