src/gromacs/pulling/pull.h

   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
  39 /*! \libinternal \file
  40  *
  41  *
  42  * \brief
  43  * This file contains datatypes and function declarations necessary
  44    for mdrun to interface with the pull code.
  45  *
  46  * \author Berk Hess
  47  *
  48  * \inlibraryapi
  49  */
  50
  51 #ifndef GMX_PULLING_PULL_H
  52 #define GMX_PULLING_PULL_H
  53
  54 #include <cstdio>
  55
  56 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  57 #include "gromacs/mdtypes/pull_params.h"
  58 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  59 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  60 #include "gromacs/utility/real.h"
  61
  62 struct gmx_mtop_t;
  63 struct gmx_output_env_t;
  64 struct pull_coord_work_t;
  65 struct pull_params_t;
  66 struct pull_t;
  67 struct t_commrec;
  68 struct t_filenm;
  69 struct t_inputrec;
  70 struct t_pbc;
  71 class t_state;
  72
  73 namespace gmx
  74 {
  75 template<typename>
  76 class ArrayRef;
  77 class ForceWithVirial;
  78 class LocalAtomSetManager;
  79 } // namespace gmx
  80
  81 /*! \brief Returns if the pull coordinate is an angle
  82  *
  83  * \param[in] pcrd The pull coordinate to query the type for.
  84  * \returns a boolean telling if the coordinate is of angle type.
  85  */
  86 bool pull_coordinate_is_angletype(const t_pull_coord* pcrd);
  87
  88 /*! \brief Returns the units of the pull coordinate.
  89  *
  90  * \param[in] pcrd The pull coordinate to query the units for.
  91  * \returns a string with the units of the coordinate.
  92  */
  93 const char* pull_coordinate_units(const t_pull_coord* pcrd);
  94
  95 /*! \brief Returns the conversion factor from the pull coord init/rate unit to internal value unit.
  96  *
  97  * \param[in] pcrd The pull coordinate to get the conversion factor for.
  98  * \returns the conversion factor.
  99  */
 100 double pull_conversion_factor_userinput2internal(const t_pull_coord* pcrd);
 101
 102 /*! \brief Returns the conversion factor from the pull coord internal value unit to the init/rate unit.
 103  *
 104  * \param[in] pcrd The pull coordinate to get the conversion factor for.
 105  * \returns the conversion factor.
 106  */
 107 double pull_conversion_factor_internal2userinput(const t_pull_coord* pcrd);
 108
 109 /*! \brief Get the value for pull coord coord_ind.
 110  *
 111  * \param[in,out] pull      The pull struct.
 112  * \param[in]     coord_ind Number of the pull coordinate.
 113  * \param[in]     pbc       Information structure about periodicity.
 114  * \returns the value of the pull coordinate.
 115  */
 116 double get_pull_coord_value(struct pull_t* pull, int coord_ind, const struct t_pbc* pbc);
 117
 118 /*! \brief Registers the provider of an external potential for a coordinate.
 119  *
 120  * This function is only used for checking the consistency of the pull setup.
 121  * For each pull coordinate of type external-potential, selected by the user
 122  * in the mdp file, there has to be a module that provides this potential.
 123  * The module registers itself as the provider by calling this function.
 124  * The passed \p provider string has to match the string that the user
 125  * passed with the potential-provider pull coordinate mdp option.
 126  * This function should be called after init_pull has been called and before
 127  * pull_potential is called for the first time.
 128  * This function does many consistency checks and when it returns and the
 129  * first call to do_potential passes, the pull setup is guaranteed to be
 130  * correct (unless the module doesn't call apply_external_pull_coord_force
 131  * every step or calls it with incorrect forces). This registering function
 132  * will exit with a (release) assertion failure when used incorrely or
 133  * with a fatal error when the user (mdp) input in inconsistent.
 134  *
 135  * Thread-safe for simultaneous registration from multiple threads.
 136  *
 137  * \param[in,out] pull         The pull struct.
 138  * \param[in]     coord_index  The pull coordinate index to register the external potential for.
 139  * \param[in]     provider     Provider string, should match the potential-provider pull coordinate mdp option.
 140  */
 141 void register_external_pull_potential(struct pull_t* pull, int coord_index, const char* provider);
 142
 143
 144 /*! \brief Apply forces of an external potential to a pull coordinate.
 145  *
 146  * This function applies the external scalar force \p coord_force to
 147  * the pull coordinate, distributing it over the atoms in the groups
 148  * involved in the pull coordinate. The corresponding potential energy
 149  * value should be added to the pull or the module's potential energy term
 150  * separately by the module itself.
 151  * This function should be called after pull_potential has been called and,
 152  * obviously, before the coordinates are updated uses the forces.
 153  *
 154  * \param[in,out] pull             The pull struct.
 155  * \param[in]     coord_index      The pull coordinate index to set the force for.
 156  * \param[in]     coord_force      The scalar force for the pull coordinate.
 157  * \param[in]     masses           Atoms masses.
 158  * \param[in,out] forceWithVirial  Force and virial buffers.
 159  */
 160 void apply_external_pull_coord_force(struct pull_t*            pull,
 161                                      int                       coord_index,
 162                                      double                    coord_force,
 163                                      gmx::ArrayRef<const real> masses,
 164                                      gmx::ForceWithVirial*     forceWithVirial);
 165
 166 /*! \brief Set the all the pull forces to zero.
 167  *
 168  * \param pull              The pull group.
 169  */
 170 void clear_pull_forces(struct pull_t* pull);
 171
 172
 173 /*! \brief Determine the COM pull forces and add them to f, return the potential
 174  *
 175  * \param[in,out] pull   The pull struct.
 176  * \param[in]     masses Atoms masses.
 177  * \param[in]     pbc    Information struct about periodicity.
 178  * \param[in]     cr     Struct for communication info.
 179  * \param[in]     t      Time.
 180  * \param[in]     lambda The value of lambda in FEP calculations.
 181  * \param[in]     x      Positions.
 182  * \param[in,out] force  Forces and virial.
 183  * \param[out] dvdlambda Pull contribution to dV/d(lambda).
 184  *
 185  * \returns The pull potential energy.
 186  */
 187 real pull_potential(struct pull_t*                 pull,
 188                     gmx::ArrayRef<const real>      masses,
 189                     struct t_pbc*                  pbc,
 190                     const t_commrec*               cr,
 191                     double                         t,
 192                     real                           lambda,
 193                     gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x,
 194                     gmx::ForceWithVirial*          force,
 195                     real*                          dvdlambda);
 196
 197
 198 /*! \brief Constrain the coordinates xp in the directions in x
 199  * and also constrain v when v != NULL.
 200  *
 201  * \param[in,out] pull   The pull data.
 202  * \param[in]     masses Atoms masses.
 203  * \param[in]     pbc    Information struct about periodicity.
 204  * \param[in]     cr     Struct for communication info.
 205  * \param[in]     dt     The time step length.
 206  * \param[in]     t      The time.
 207  * \param[in]     x      Positions.
 208  * \param[in,out] xp     Updated x, can be NULL.
 209  * \param[in,out] v      Velocities, which may get a pull correction.
 210  * \param[in,out] vir    The virial, which, if != NULL, gets a pull correction.
 211  */
 212 void pull_constraint(struct pull_t*            pull,
 213                      gmx::ArrayRef<const real> masses,
 214                      struct t_pbc*             pbc,
 215                      const t_commrec*          cr,
 216                      double                    dt,
 217                      double                    t,
 218                      gmx::ArrayRef<gmx::RVec>  x,
 219                      gmx::ArrayRef<gmx::RVec>  xp,
 220                      gmx::ArrayRef<gmx::RVec>  v,
 221                      tensor                    vir);
 222
 223
 224 /*! \brief Make a selection of the home atoms for all pull groups.
 225  * Should be called at every domain decomposition.
 226  *
 227  * \param cr             Structure for communication info.
 228  * \param pull           The pull group.
 229  */
 230 void dd_make_local_pull_groups(const t_commrec* cr, struct pull_t* pull);
 231
 232
 233 /*! \brief Allocate, initialize and return a pull work struct.
 234  *
 235  * \param fplog       General output file, normally md.log.
 236  * \param pull_params The pull input parameters containing all pull settings.
 237  * \param ir          The inputrec.
 238  * \param mtop        The topology of the whole system.
 239  * \param cr          Struct for communication info.
 240  * \param atomSets    The manager that handles the pull atom sets
 241  * \param lambda      FEP lambda.
 242  */
 243 struct pull_t* init_pull(FILE*                     fplog,
 244                          const pull_params_t*      pull_params,
 245                          const t_inputrec*         ir,
 246                          const gmx_mtop_t&         mtop,
 247                          const t_commrec*          cr,
 248                          gmx::LocalAtomSetManager* atomSets,
 249                          real                      lambda);
 250
 251
 252 /*! \brief Close the pull output files and delete pull.
 253  *
 254  * \param pull       The pull data structure.
 255  */
 256 void finish_pull(struct pull_t* pull);
 257
 258
 259 /*! \brief Calculates centers of mass all pull groups.
 260  *
 261  * \param[in] cr       Struct for communication info.
 262  * \param[in] pull     The pull data structure.
 263  * \param[in] masses   Atoms masses.
 264  * \param[in] pbc      Information struct about periodicity.
 265  * \param[in] t        Time, only used for cylinder ref.
 266  * \param[in] x        The local positions.
 267  * \param[in,out] xp   Updated x, can be NULL.
 268  *
 269  */
 270 void pull_calc_coms(const t_commrec*               cr,
 271                     pull_t*                        pull,
 272                     gmx::ArrayRef<const real>      masses,
 273                     t_pbc*                         pbc,
 274                     double                         t,
 275                     gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x,
 276                     gmx::ArrayRef<gmx::RVec>       xp);
 277
 278 /*! \brief Margin for checking pull group PBC distances compared to half the box size */
 279 static constexpr real c_pullGroupPbcMargin = 0.9;
 280 /*! \brief Threshold (as a factor of half the box size) for accepting pull groups without explicitly set refatom */
 281 static constexpr real c_pullGroupSmallGroupThreshold = 0.5;
 282
 283 /*! \brief Checks whether all groups that use a reference atom are within PBC restrictions
 284  *
 285  * Groups that use a reference atom for determining PBC should have all their
 286  * atoms within half the box size from the PBC atom. The box size is used
 287  * per dimension for rectangular boxes, but can be a combination of
 288  * dimensions for triclinic boxes, depending on which dimensions are
 289  * involved in the pull coordinates a group is involved in. A margin is specified
 290  * to ensure that atoms are not too close to the maximum distance.
 291  *
 292  * Should be called without MPI parallelization and after pull_calc_coms()
 293  * has been called at least once.
 294  *
 295  * \param[in] pull       The pull data structure
 296  * \param[in] x          The coordinates
 297  * \param[in] pbc        Information struct about periodicity
 298  * \param[in] pbcMargin  The minimum margin (as a fraction) to half the box size
 299  * \returns -1 when all groups obey PBC or the first group index that fails PBC
 300  */
 301 int pullCheckPbcWithinGroups(const pull_t& pull, gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x, const t_pbc& pbc, real pbcMargin);
 302
 303 /*! \brief Checks whether a specific group that uses a reference atom is within PBC restrictions
 304  *
 305  * Groups that use a reference atom for determining PBC should have all their
 306  * atoms within half the box size from the PBC atom. The box size is used
 307  * per dimension for rectangular boxes, but can be a combination of
 308  * dimensions for triclinic boxes, depending on which dimensions are
 309  * involved in the pull coordinates a group is involved in. A margin is specified
 310  * to ensure that atoms are not too close to the maximum distance. Only one group is
 311  * checked.
 312  *
 313  * Should be called without MPI parallelization and after pull_calc_coms()
 314  * has been called at least once.
 315  *
 316  * \param[in] pull       The pull data structure
 317  * \param[in] x          The coordinates
 318  * \param[in] pbc        Information struct about periodicity
 319  * \param[in] groupNr    The index of the group (in pull.group[]) to check
 320  * \param[in] pbcMargin  The minimum margin (as a fraction) to half the box size
 321  * \returns true if the group obeys PBC otherwise false
 322  */
 323 bool pullCheckPbcWithinGroup(const pull_t&                  pull,
 324                              gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x,
 325                              const t_pbc&                   pbc,
 326                              int                            groupNr,
 327                              real                           pbcMargin);
 328
 329 /*! \brief Returns if we have pull coordinates with potential pulling.
 330  *
 331  * \param[in] pull     The pull data structure.
 332  */
 333 bool pull_have_potential(const pull_t& pull);
 334
 335
 336 /*! \brief Returns if we have pull coordinates with constraint pulling.
 337  *
 338  * \param[in] pull     The pull data structure.
 339  */
 340 bool pull_have_constraint(const pull_t& pull);
 341
 342 /*! \brief Returns if inputrec has pull coordinates with constraint pulling.
 343  *
 344  * \param[in] pullParameters  Pulling input parameters from input record.
 345  */
 346 bool pull_have_constraint(const pull_params_t& pullParameters);
 347
 348 /*! \brief Returns the maxing distance for pulling
 349  *
 350  * For distance geometries, only dimensions with pcrd->params[dim]=1
 351  * are included in the distance calculation.
 352  * For directional geometries, only dimensions with pcrd->vec[dim]!=0
 353  * are included in the distance calculation.
 354  *
 355  * \param[in] pcrd Pulling data structure
 356  * \param[in] pbc  Information on periodic boundary conditions
 357  * \returns The maximume distance
 358  */
 359 real max_pull_distance2(const pull_coord_work_t* pcrd, const t_pbc* pbc);
 360
 361 /*! \brief Sets the previous step COM in pull to the current COM and updates the pull_com_prev_step in the state
 362  *
 363  * \param[in]   pull  The COM pull force calculation data structure
 364  * \param[in]   state The local (to this rank) state.
 365  */
 366 void updatePrevStepPullCom(struct pull_t* pull, t_state* state);
 367
 368 /*! \brief Allocates, initializes and communicates the previous step pull COM (if that option is set to true).
 369  *
 370  * If ir->pull->bSetPbcRefToPrevStepCOM is not true nothing is done.
 371  *
 372  * \param[in] ir                     The input options/settings of the simulation.
 373  * \param[in] pull_work              The COM pull force calculation data structure
 374  * \param[in] masses                 Atoms masses.
 375  * \param[in] state                  The local (to this rank) state.
 376  * \param[in] state_global           The global state.
 377  * \param[in] cr                     Struct for communication info.
 378  * \param[in] startingFromCheckpoint Is the simulation starting from a checkpoint?
 379  */
 380 void preparePrevStepPullCom(const t_inputrec*         ir,
 381                             pull_t*                   pull_work,
 382                             gmx::ArrayRef<const real> masses,
 383                             t_state*                  state,
 384                             const t_state*            state_global,
 385                             const t_commrec*          cr,
 386                             bool                      startingFromCheckpoint);
 387
 388 /*! \brief Initializes the COM of the previous step (set to initial COM)
 389  *
 390  * \param[in] cr       Struct for communication info.
 391  * \param[in] pull     The pull data structure.
 392  * \param[in] masses   Atoms masses.
 393  * \param[in] pbc      Information struct about periodicity.
 394  * \param[in] x        The local positions.
 395  */
 396 void initPullComFromPrevStep(const t_commrec*               cr,
 397                              pull_t*                        pull,
 398                              gmx::ArrayRef<const real>      masses,
 399                              t_pbc*                         pbc,
 400                              gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x);
 401
 402 #endif