src/gromacs/modularsimulator/forceelement.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 force element for the modular simulator
  37  *
  38  * This element calculates the forces, with or without shells or
  39  * flexible constraints.
  40  *
  41  * \author Pascal Merz <pascal.merz@me.com>
  42  * \ingroup module_modularsimulator
  43  *
  44  * This header is only used within the modular simulator module
  45  */
  46
  47 #ifndef GMX_MODULARSIMULATOR_FORCEELEMENT_H
  48 #define GMX_MODULARSIMULATOR_FORCEELEMENT_H
  49
  50 #include <array>
  51
  52 #include "gromacs/domdec/dlbtiming.h"
  53 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  54 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
  55 #include "gromacs/utility/real.h"
  56
  57 #include "modularsimulatorinterfaces.h"
  58 #include "topologyholder.h"
  59
  60 struct gmx_enfrot;
  61 struct gmx_shellfc_t;
  62 struct gmx_wallcycle;
  63 class CpuPpLongRangeNonbondeds;
  64 struct pull_t;
  65 struct t_nrnb;
  66
  67 namespace gmx
  68 {
  69 class Awh;
  70 class EnergyData;
  71 class FreeEnergyPerturbationData;
  72 class GlobalCommunicationHelper;
  73 class ImdSession;
  74 class LegacySimulatorData;
  75 class MDAtoms;
  76 class MdrunScheduleWorkload;
  77 class ModularSimulatorAlgorithmBuilderHelper;
  78 class ObservablesReducer;
  79 class StatePropagatorData;
  80 class VirtualSitesHandler;
  81
  82 /*! \internal
  83  * \ingroup module_modularsimulator
  84  * \brief Force element
  85  *
  86  * The force element manages the call to either
  87  * do_force(...) or relax_shell_flexcon(...)
  88  */
  89 class ForceElement final :
  90     public ISimulatorElement,
  91     public ITopologyHolderClient,
  92     public INeighborSearchSignallerClient,
  93     public IEnergySignallerClient,
  94     public IDomDecHelperClient
  95 {
  96 public:
  97     //! Constructor
  98     ForceElement(StatePropagatorData*        statePropagatorData,
  99                  EnergyData*                 energyData,
 100                  FreeEnergyPerturbationData* freeEnergyPerturbationData,
 101                  bool                        isVerbose,
 102                  bool                        isDynamicBox,
 103                  FILE*                       fplog,
 104                  const t_commrec*            cr,
 105                  const t_inputrec*           inputrec,
 106                  const MDAtoms*              mdAtoms,
 107                  t_nrnb*                     nrnb,
 108                  t_forcerec*                 fr,
 109                  gmx_wallcycle*              wcycle,
 110                  MdrunScheduleWorkload*      runScheduleWork,
 111                  VirtualSitesHandler*        vsite,
 112                  ImdSession*                 imdSession,
 113                  pull_t*                     pull_work,
 114                  Constraints*                constr,
 115                  const gmx_mtop_t&           globalTopology,
 116                  gmx_enfrot*                 enforcedRotation);
 117
 118     /*! \brief Register force calculation for step / time
 119      *
 120      * \param step                 The step number
 121      * \param time                 The time
 122      * \param registerRunFunction  Function allowing to register a run function
 123      */
 124     void scheduleTask(Step step, Time time, const RegisterRunFunction& registerRunFunction) override;
 125
 126     //! Check that we got the local topology
 127     void elementSetup() override;
 128     //! Print some final output
 129     void elementTeardown() override;
 130
 131     /*! \brief Factory method implementation
 132      *
 133      * \param legacySimulatorData  Pointer allowing access to simulator level data
 134      * \param builderHelper  ModularSimulatorAlgorithmBuilder helper object
 135      * \param statePropagatorData  Pointer to the \c StatePropagatorData object
 136      * \param energyData  Pointer to the \c EnergyData object
 137      * \param freeEnergyPerturbationData  Pointer to the \c FreeEnergyPerturbationData object
 138      * \param globalCommunicationHelper   Pointer to the \c GlobalCommunicationHelper object
 139      * \param observablesReducer          Pointer to the \c ObservablesReducer object
 140      *
 141      * \return  Pointer to the element to be added. Element needs to have been stored using \c storeElement
 142      */
 143     static ISimulatorElement* getElementPointerImpl(LegacySimulatorData* legacySimulatorData,
 144                                                     ModularSimulatorAlgorithmBuilderHelper* builderHelper,
 145                                                     StatePropagatorData*        statePropagatorData,
 146                                                     EnergyData*                 energyData,
 147                                                     FreeEnergyPerturbationData* freeEnergyPerturbationData,
 148                                                     GlobalCommunicationHelper* globalCommunicationHelper,
 149                                                     ObservablesReducer*        observablesReducer);
 150
 151     //! Callback on domain decomposition repartitioning
 152     DomDecCallback registerDomDecCallback() override;
 153
 154 private:
 155     //! ITopologyHolderClient implementation
 156     void setTopology(const gmx_localtop_t* top) override;
 157     //! INeighborSearchSignallerClient implementation
 158     std::optional<SignallerCallback> registerNSCallback() override;
 159     //! IEnergySignallerClient implementation
 160     std::optional<SignallerCallback> registerEnergyCallback(EnergySignallerEvent event) override;
 161     //! The actual do_force call
 162     template<bool doShellFC>
 163     void run(Step step, Time time, unsigned int flags);
 164
 165     //! The shell / FC helper struct
 166     gmx_shellfc_t* shellfc_;
 167     //! Whether shells or flexible constraints are present
 168     const bool doShellFC_;
 169
 170     //! The next NS step
 171     Step nextNSStep_;
 172     //! The next energy calculation step
 173     Step nextEnergyCalculationStep_;
 174     //! The next energy calculation step
 175     Step nextVirialCalculationStep_;
 176     //! The next free energy calculation step
 177     Step nextFreeEnergyCalculationStep_;
 178
 179     // TODO: Clarify relationship to data objects and find a more robust alternative to raw pointers (#3583)
 180     //! Pointer to the micro state
 181     StatePropagatorData* statePropagatorData_;
 182     //! Pointer to the energy data
 183     EnergyData* energyData_;
 184     //! Pointer to the free energy perturbation data
 185     FreeEnergyPerturbationData* freeEnergyPerturbationData_;
 186
 187     //! The local topology - updated by Topology via Client system
 188     const gmx_localtop_t* localTopology_;
 189
 190     //! Whether we're having a dynamic box
 191     const bool isDynamicBox_;
 192     //! Whether we're being verbose
 193     const bool isVerbose_;
 194     //! The number of shell relaxation steps we did
 195     Step nShellRelaxationSteps_;
 196
 197     //! DD / DLB helper object
 198     const DDBalanceRegionHandler ddBalanceRegionHandler_;
 199     //! Long range force calculator
 200     std::unique_ptr<CpuPpLongRangeNonbondeds> longRangeNonbondeds_;
 201
 202     /* \brief The FEP lambda vector
 203      *
 204      * Used if FEP is off, since do_force
 205      * requires lambda to be allocated anyway
 206      */
 207     gmx::EnumerationArray<FreeEnergyPerturbationType, real> lambda_;
 208
 209     // Access to ISimulator data
 210     //! Handles logging.
 211     FILE* fplog_;
 212     //! Handles communication.
 213     const t_commrec* cr_;
 214     //! Contains user input mdp options.
 215     const t_inputrec* inputrec_;
 216     //! Atom parameters for this domain.
 217     const MDAtoms* mdAtoms_;
 218     //! Manages flop accounting.
 219     t_nrnb* nrnb_;
 220     //! Manages wall cycle accounting.
 221     gmx_wallcycle* wcycle_;
 222     //! Parameters for force calculations.
 223     t_forcerec* fr_;
 224     //! Handles virtual sites.
 225     VirtualSitesHandler* vsite_;
 226     //! The Interactive Molecular Dynamics session.
 227     ImdSession* imdSession_;
 228     //! The pull work object.
 229     pull_t* pull_work_;
 230     //! Schedule of work for each MD step for this task.
 231     MdrunScheduleWorkload* runScheduleWork_;
 232     //! Handles constraints.
 233     Constraints* constr_;
 234     //! Handles enforced rotation.
 235     gmx_enfrot* enforcedRotation_;
 236 };
 237
 238 } // namespace gmx
 239
 240 #endif // GMX_MODULARSIMULATOR_FORCEELEMENT_H