src/mdlib/update.c

   1 /* -*- mode: c; tab-width: 4; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 4; c-file-style: "stroustrup"; -*-
   2  *
   3  *
   4  *                This source code is part of
   5  *
   6  *                 G   R   O   M   A   C   S
   7  *
   8  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   9  *
  10  *                        VERSION 3.2.0
  11  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  12  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  13  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team,
  14  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  15
  16  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  17  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  18  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  19  * of the License, or (at your option) any later version.
  20  *
  21  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  22  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  23  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  24  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  25  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  26  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  27  *
  28  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  29  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  30  *
  31  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  32  *
  33  * And Hey:
  34  * GROwing Monsters And Cloning Shrimps
  35  */
  36 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  37 #include <config.h>
  38 #endif
  39
  40
  41 #include <stdio.h>
  42 #include <math.h>
  43
  44 #include "sysstuff.h"
  45 #include "smalloc.h"
  46 #include "typedefs.h"
  47 #include "nrnb.h"
  48 #include "physics.h"
  49 #include "macros.h"
  50 #include "vec.h"
  51 #include "main.h"
  52 #include "confio.h"
  53 #include "update.h"
  54 #include "gmx_random.h"
  55 #include "futil.h"
  56 #include "mshift.h"
  57 #include "tgroup.h"
  58 #include "force.h"
  59 #include "names.h"
  60 #include "txtdump.h"
  61 #include "mdrun.h"
  62 #include "copyrite.h"
  63 #include "constr.h"
  64 #include "edsam.h"
  65 #include "pull.h"
  66 #include "disre.h"
  67 #include "orires.h"
  68 #include "gmx_wallcycle.h"
  69
  70 /*For debugging, start at v(-dt/2) for velolcity verlet -- uncomment next line */
  71 /*#define STARTFROMDT2*/
  72
  73 typedef struct {
  74   double gdt;
  75   double eph;
  76   double emh;
  77   double em;
  78   double b;
  79   double c;
  80   double d;
  81 } gmx_sd_const_t;
  82
  83 typedef struct {
  84   real V;
  85   real X;
  86   real Yv;
  87   real Yx;
  88 } gmx_sd_sigma_t;
  89
  90 typedef struct {
  91   /* The random state */
  92   gmx_rng_t gaussrand;
  93   /* BD stuff */
  94   real *bd_rf;
  95   /* SD stuff */
  96   gmx_sd_const_t *sdc;
  97   gmx_sd_sigma_t *sdsig;
  98   rvec *sd_V;
  99   int  sd_V_nalloc;
 100 } gmx_stochd_t;
 101
 102 typedef struct gmx_update
 103 {
 104     gmx_stochd_t *sd;
 105     rvec *xp;
 106     int  xp_nalloc;
 107     /* Variables for the deform algorithm */
 108     gmx_large_int_t deformref_step;
 109     matrix     deformref_box;
 110 } t_gmx_update;
 111
 112
 113 void store_rvec(rvec *from, rvec *to, int n) {
 114   int i;
 115   for (i=0;i<n;i++) {
 116     copy_rvec(from[i],to[i]);
 117   }
 118 }
 119
 120 static void do_update_md(int start,int nrend,double dt,
 121                          t_grp_tcstat *tcstat,t_grp_acc *gstat,double nh_vxi[],
 122                          rvec accel[],ivec nFreeze[],real invmass[],
 123                          unsigned short ptype[],unsigned short cFREEZE[],
 124                          unsigned short cACC[],unsigned short cTC[],
 125                          rvec x[],rvec xprime[],rvec v[],
 126                          rvec f[],matrix M,
 127                          gmx_bool bNH,gmx_bool bPR)
 128 {
 129   double imass,w_dt;
 130   int    gf=0,ga=0,gt=0;
 131   rvec   vrel;
 132   real   vn,vv,va,vb,vnrel;
 133   real   lg,vxi=0,u;
 134   int    n,d;
 135
 136   if (bNH || bPR)
 137   {
 138       /* Update with coupling to extended ensembles, used for
 139        * Nose-Hoover and Parrinello-Rahman coupling
 140        * Nose-Hoover uses the reversible leap-frog integrator from
 141        * Holian et al. Phys Rev E 52(3) : 2338, 1995
 142        */
 143       for(n=start; n<nrend; n++)
 144       {
 145           imass = invmass[n];
 146           if (cFREEZE)
 147           {
 148               gf   = cFREEZE[n];
 149           }
 150           if (cACC)
 151           {
 152               ga   = cACC[n];
 153           }
 154           if (cTC)
 155           {
 156               gt   = cTC[n];
 157           }
 158           lg   = tcstat[gt].lambda;
 159           if (bNH) {
 160               vxi   = nh_vxi[gt];
 161           }
 162           rvec_sub(v[n],gstat[ga].u,vrel);
 163
 164           for(d=0; d<DIM; d++)
 165           {
 166               if((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 167               {
 168                   vnrel = (lg*vrel[d] + dt*(imass*f[n][d] - 0.5*vxi*vrel[d]
 169                                             - iprod(M[d],vrel)))/(1 + 0.5*vxi*dt);
 170                   /* do not scale the mean velocities u */
 171                   vn             = gstat[ga].u[d] + accel[ga][d]*dt + vnrel;
 172                   v[n][d]        = vn;
 173                   xprime[n][d]   = x[n][d]+vn*dt;
 174               }
 175               else
 176               {
 177                   v[n][d]        = 0.0;
 178                   xprime[n][d]   = x[n][d];
 179               }
 180           }
 181       }
 182   }
 183   else
 184   {
 185       /* Classic version of update, used with berendsen coupling */
 186       for(n=start; n<nrend; n++)
 187       {
 188           w_dt = invmass[n]*dt;
 189           if (cFREEZE)
 190           {
 191               gf   = cFREEZE[n];
 192           }
 193           if (cACC)
 194           {
 195               ga   = cACC[n];
 196           }
 197           if (cTC)
 198           {
 199               gt   = cTC[n];
 200           }
 201           lg   = tcstat[gt].lambda;
 202
 203           for(d=0; d<DIM; d++)
 204           {
 205               vn             = v[n][d];
 206               if((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 207               {
 208                   vv             = lg*vn + f[n][d]*w_dt;
 209
 210                   /* do not scale the mean velocities u */
 211                   u              = gstat[ga].u[d];
 212                   va             = vv + accel[ga][d]*dt;
 213                   vb             = va + (1.0-lg)*u;
 214                   v[n][d]        = vb;
 215                   xprime[n][d]   = x[n][d]+vb*dt;
 216               }
 217               else
 218               {
 219                   v[n][d]        = 0.0;
 220                   xprime[n][d]   = x[n][d];
 221               }
 222           }
 223       }
 224   }
 225 }
 226
 227 static void do_update_vv_vel(int start,int nrend,double dt,
 228                              t_grp_tcstat *tcstat,t_grp_acc *gstat,
 229                              rvec accel[],ivec nFreeze[],real invmass[],
 230                              unsigned short ptype[],
 231                              unsigned short cFREEZE[],unsigned short cACC[],
 232                              rvec v[],rvec f[],
 233                              gmx_bool bExtended, real veta, real alpha)
 234 {
 235     double imass,w_dt;
 236     int    gf=0,ga=0,gt=0;
 237     rvec   vrel;
 238     real   u,vn,vv,va,vb,vnrel;
 239     int    n,d;
 240     double g,mv1,mv2;
 241
 242     if (bExtended)
 243     {
 244         g        = 0.25*dt*veta*alpha;
 245         mv1      = exp(-g);
 246         mv2      = series_sinhx(g);
 247     }
 248     else
 249     {
 250         mv1      = 1.0;
 251         mv2      = 1.0;
 252     }
 253     for(n=start; n<nrend; n++)
 254     {
 255         w_dt = invmass[n]*dt;
 256         if (cFREEZE)
 257         {
 258             gf   = cFREEZE[n];
 259         }
 260         if (cACC)
 261         {
 262             ga   = cACC[n];
 263         }
 264
 265         for(d=0; d<DIM; d++)
 266         {
 267             if((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 268             {
 269                 v[n][d]             = mv1*(mv1*v[n][d] + 0.5*(w_dt*mv2*f[n][d]))+0.5*accel[ga][d]*dt;
 270             }
 271             else
 272             {
 273                 v[n][d]        = 0.0;
 274             }
 275         }
 276     }
 277 } /* do_update_vv_vel */
 278
 279 static void do_update_vv_pos(int start,int nrend,double dt,
 280                              t_grp_tcstat *tcstat,t_grp_acc *gstat,
 281                              rvec accel[],ivec nFreeze[],real invmass[],
 282                              unsigned short ptype[],
 283                              unsigned short cFREEZE[],
 284                              rvec x[],rvec xprime[],rvec v[],
 285                              rvec f[],gmx_bool bExtended, real veta, real alpha)
 286 {
 287   double imass,w_dt;
 288   int    gf=0;
 289   int    n,d;
 290   double g,mr1,mr2;
 291
 292   if (bExtended) {
 293       g        = 0.5*dt*veta;
 294       mr1      = exp(g);
 295       mr2      = series_sinhx(g);
 296   }
 297   else
 298   {
 299       mr1      = 1.0;
 300       mr2      = 1.0;
 301   }
 302
 303   for(n=start; n<nrend; n++) {
 304       if (cFREEZE)
 305       {
 306           gf   = cFREEZE[n];
 307       }
 308
 309       for(d=0; d<DIM; d++)
 310       {
 311           if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 312           {
 313               xprime[n][d]   = mr1*(mr1*x[n][d]+mr2*dt*v[n][d]);
 314           }
 315           else
 316           {
 317               xprime[n][d]   = x[n][d];
 318           }
 319       }
 320   }
 321 }/* do_update_vv_pos */
 322
 323 static void do_update_visc(int start,int nrend,double dt,
 324                            t_grp_tcstat *tcstat,real invmass[],double nh_vxi[],
 325                            unsigned short ptype[],unsigned short cTC[],
 326                            rvec x[],rvec xprime[],rvec v[],
 327                            rvec f[],matrix M,matrix box,real
 328                            cos_accel,real vcos,
 329                            gmx_bool bNH,gmx_bool bPR)
 330 {
 331     double imass,w_dt;
 332     int    gt=0;
 333     real   vn,vc;
 334     real   lg,vxi=0,vv;
 335     real   fac,cosz;
 336     rvec   vrel;
 337     int    n,d;
 338
 339     fac = 2*M_PI/(box[ZZ][ZZ]);
 340
 341     if (bNH || bPR) {
 342         /* Update with coupling to extended ensembles, used for
 343          * Nose-Hoover and Parrinello-Rahman coupling
 344          */
 345         for(n=start; n<nrend; n++) {
 346             imass = invmass[n];
 347             if (cTC)
 348             {
 349                 gt   = cTC[n];
 350             }
 351             lg   = tcstat[gt].lambda;
 352             cosz = cos(fac*x[n][ZZ]);
 353
 354             copy_rvec(v[n],vrel);
 355
 356             vc            = cosz*vcos;
 357             vrel[XX]     -= vc;
 358             if (bNH)
 359             {
 360                 vxi        = nh_vxi[gt];
 361             }
 362             for(d=0; d<DIM; d++)
 363             {
 364                 vn             = v[n][d];
 365
 366                 if((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell))
 367                 {
 368                     vn  = (lg*vrel[d] + dt*(imass*f[n][d] - 0.5*vxi*vrel[d]
 369                                             - iprod(M[d],vrel)))/(1 + 0.5*vxi*dt);
 370                     if(d == XX)
 371                     {
 372                         vn += vc + dt*cosz*cos_accel;
 373                     }
 374                     v[n][d]        = vn;
 375                     xprime[n][d]   = x[n][d]+vn*dt;
 376                 }
 377                 else
 378                 {
 379                     xprime[n][d]   = x[n][d];
 380                 }
 381             }
 382         }
 383     }
 384     else
 385     {
 386         /* Classic version of update, used with berendsen coupling */
 387         for(n=start; n<nrend; n++)
 388         {
 389             w_dt = invmass[n]*dt;
 390             if (cTC)
 391             {
 392                 gt   = cTC[n];
 393             }
 394             lg   = tcstat[gt].lambda;
 395             cosz = cos(fac*x[n][ZZ]);
 396
 397             for(d=0; d<DIM; d++)
 398             {
 399                 vn             = v[n][d];
 400
 401                 if((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell))
 402                 {
 403                     if(d == XX)
 404                     {
 405                         vc           = cosz*vcos;
 406                         /* Do not scale the cosine velocity profile */
 407                         vv           = vc + lg*(vn - vc + f[n][d]*w_dt);
 408                         /* Add the cosine accelaration profile */
 409                         vv          += dt*cosz*cos_accel;
 410                     }
 411                     else
 412                     {
 413                         vv           = lg*(vn + f[n][d]*w_dt);
 414                     }
 415                     v[n][d]        = vv;
 416                     xprime[n][d]   = x[n][d]+vv*dt;
 417                 }
 418                 else
 419                 {
 420                     v[n][d]        = 0.0;
 421                     xprime[n][d]   = x[n][d];
 422                 }
 423             }
 424         }
 425     }
 426 }
 427
 428 static gmx_stochd_t *init_stochd(FILE *fplog,t_inputrec *ir)
 429 {
 430     gmx_stochd_t *sd;
 431     gmx_sd_const_t *sdc;
 432     int  ngtc,n;
 433     real y;
 434
 435   snew(sd,1);
 436
 437   /* Initiate random number generator for langevin type dynamics,
 438    * for BD, SD or velocity rescaling temperature coupling.
 439    */
 440   sd->gaussrand = gmx_rng_init(ir->ld_seed);
 441
 442   ngtc = ir->opts.ngtc;
 443
 444   if (ir->eI == eiBD) {
 445     snew(sd->bd_rf,ngtc);
 446   } else if (EI_SD(ir->eI)) {
 447     snew(sd->sdc,ngtc);
 448     snew(sd->sdsig,ngtc);
 449
 450     sdc = sd->sdc;
 451     for(n=0; n<ngtc; n++) {
 452       sdc[n].gdt = ir->delta_t/ir->opts.tau_t[n];
 453       sdc[n].eph = exp(sdc[n].gdt/2);
 454       sdc[n].emh = exp(-sdc[n].gdt/2);
 455       sdc[n].em  = exp(-sdc[n].gdt);
 456       if (sdc[n].gdt >= 0.05) {
 457         sdc[n].b = sdc[n].gdt*(sdc[n].eph*sdc[n].eph - 1)
 458           - 4*(sdc[n].eph - 1)*(sdc[n].eph - 1);
 459         sdc[n].c = sdc[n].gdt - 3 + 4*sdc[n].emh - sdc[n].em;
 460         sdc[n].d = 2 - sdc[n].eph - sdc[n].emh;
 461       } else {
 462         y = sdc[n].gdt/2;
 463         /* Seventh order expansions for small y */
 464         sdc[n].b = y*y*y*y*(1/3.0+y*(1/3.0+y*(17/90.0+y*7/9.0)));
 465         sdc[n].c = y*y*y*(2/3.0+y*(-1/2.0+y*(7/30.0+y*(-1/12.0+y*31/1260.0))));
 466         sdc[n].d = y*y*(-1+y*y*(-1/12.0-y*y/360.0));
 467       }
 468       if(debug)
 469         fprintf(debug,"SD const tc-grp %d: b %g  c %g  d %g\n",
 470                 n,sdc[n].b,sdc[n].c,sdc[n].d);
 471     }
 472   }
 473
 474   return sd;
 475 }
 476
 477 void get_stochd_state(gmx_update_t upd,t_state *state)
 478 {
 479     gmx_rng_get_state(upd->sd->gaussrand,state->ld_rng,state->ld_rngi);
 480 }
 481
 482 void set_stochd_state(gmx_update_t upd,t_state *state)
 483 {
 484     gmx_rng_set_state(upd->sd->gaussrand,state->ld_rng,state->ld_rngi[0]);
 485 }
 486
 487 gmx_update_t init_update(FILE *fplog,t_inputrec *ir)
 488 {
 489     t_gmx_update *upd;
 490
 491     snew(upd,1);
 492
 493     if (ir->eI == eiBD || EI_SD(ir->eI) || ir->etc == etcVRESCALE)
 494     {
 495         upd->sd = init_stochd(fplog,ir);
 496     }
 497
 498     upd->xp = NULL;
 499     upd->xp_nalloc = 0;
 500
 501     return upd;
 502 }
 503
 504 static void do_update_sd1(gmx_stochd_t *sd,
 505                           int start,int homenr,double dt,
 506                           rvec accel[],ivec nFreeze[],
 507                           real invmass[],unsigned short ptype[],
 508                           unsigned short cFREEZE[],unsigned short cACC[],
 509                           unsigned short cTC[],
 510                           rvec x[],rvec xprime[],rvec v[],rvec f[],
 511                           rvec sd_X[],
 512                           int ngtc,real tau_t[],real ref_t[])
 513 {
 514   gmx_sd_const_t *sdc;
 515   gmx_sd_sigma_t *sig;
 516   gmx_rng_t gaussrand;
 517   real   kT;
 518   int    gf=0,ga=0,gt=0;
 519   real   ism,sd_V;
 520   int    n,d;
 521
 522   sdc = sd->sdc;
 523   sig = sd->sdsig;
 524   if (homenr > sd->sd_V_nalloc)
 525   {
 526       sd->sd_V_nalloc = over_alloc_dd(homenr);
 527       srenew(sd->sd_V,sd->sd_V_nalloc);
 528   }
 529   gaussrand = sd->gaussrand;
 530
 531   for(n=0; n<ngtc; n++)
 532   {
 533       kT = BOLTZ*ref_t[n];
 534       /* The mass is encounted for later, since this differs per atom */
 535       sig[n].V  = sqrt(2*kT*(1 - sdc[n].em));
 536   }
 537
 538   for(n=start; n<start+homenr; n++)
 539   {
 540       ism = sqrt(invmass[n]);
 541       if (cFREEZE)
 542       {
 543           gf  = cFREEZE[n];
 544       }
 545       if (cACC)
 546       {
 547           ga  = cACC[n];
 548       }
 549       if (cTC)
 550       {
 551           gt  = cTC[n];
 552       }
 553
 554       for(d=0; d<DIM; d++)
 555       {
 556           if((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 557           {
 558               sd_V = ism*sig[gt].V*gmx_rng_gaussian_table(gaussrand);
 559
 560               v[n][d] = v[n][d]*sdc[gt].em
 561                   + (invmass[n]*f[n][d] + accel[ga][d])*tau_t[gt]*(1 - sdc[gt].em)
 562                   + sd_V;
 563
 564               xprime[n][d] = x[n][d] + v[n][d]*dt;
 565           }
 566           else
 567           {
 568               v[n][d]      = 0.0;
 569               xprime[n][d] = x[n][d];
 570           }
 571       }
 572   }
 573 }
 574
 575 static void do_update_sd2(gmx_stochd_t *sd,gmx_bool bInitStep,
 576                           int start,int homenr,
 577                           rvec accel[],ivec nFreeze[],
 578                           real invmass[],unsigned short ptype[],
 579                           unsigned short cFREEZE[],unsigned short cACC[],
 580                           unsigned short cTC[],
 581                           rvec x[],rvec xprime[],rvec v[],rvec f[],
 582                           rvec sd_X[],
 583                           int ngtc,real tau_t[],real ref_t[],
 584                           gmx_bool bFirstHalf)
 585 {
 586   gmx_sd_const_t *sdc;
 587   gmx_sd_sigma_t *sig;
 588   /* The random part of the velocity update, generated in the first
 589    * half of the update, needs to be remembered for the second half.
 590    */
 591   rvec *sd_V;
 592   gmx_rng_t gaussrand;
 593   real   kT;
 594   int    gf=0,ga=0,gt=0;
 595   real   vn=0,Vmh,Xmh;
 596   real   ism;
 597   int    n,d;
 598
 599   sdc = sd->sdc;
 600   sig = sd->sdsig;
 601   if (homenr > sd->sd_V_nalloc)
 602   {
 603       sd->sd_V_nalloc = over_alloc_dd(homenr);
 604       srenew(sd->sd_V,sd->sd_V_nalloc);
 605   }
 606   sd_V = sd->sd_V;
 607   gaussrand = sd->gaussrand;
 608
 609   if (bFirstHalf)
 610   {
 611       for (n=0; n<ngtc; n++)
 612       {
 613           kT = BOLTZ*ref_t[n];
 614           /* The mass is encounted for later, since this differs per atom */
 615           sig[n].V  = sqrt(kT*(1-sdc[n].em));
 616           sig[n].X  = sqrt(kT*sqr(tau_t[n])*sdc[n].c);
 617           sig[n].Yv = sqrt(kT*sdc[n].b/sdc[n].c);
 618           sig[n].Yx = sqrt(kT*sqr(tau_t[n])*sdc[n].b/(1-sdc[n].em));
 619       }
 620   }
 621
 622   for (n=start; n<start+homenr; n++)
 623   {
 624       ism = sqrt(invmass[n]);
 625       if (cFREEZE)
 626       {
 627           gf  = cFREEZE[n];
 628       }
 629       if (cACC)
 630       {
 631           ga  = cACC[n];
 632       }
 633       if (cTC)
 634       {
 635           gt  = cTC[n];
 636       }
 637
 638       for(d=0; d<DIM; d++)
 639       {
 640           if (bFirstHalf)
 641           {
 642               vn             = v[n][d];
 643           }
 644           if((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 645           {
 646               if (bFirstHalf)
 647               {
 648                   if (bInitStep)
 649                   {
 650                       sd_X[n][d] = ism*sig[gt].X*gmx_rng_gaussian_table(gaussrand);
 651                   }
 652                   Vmh = sd_X[n][d]*sdc[gt].d/(tau_t[gt]*sdc[gt].c)
 653                       + ism*sig[gt].Yv*gmx_rng_gaussian_table(gaussrand);
 654                   sd_V[n-start][d] = ism*sig[gt].V*gmx_rng_gaussian_table(gaussrand);
 655
 656                   v[n][d] = vn*sdc[gt].em
 657                       + (invmass[n]*f[n][d] + accel[ga][d])*tau_t[gt]*(1 - sdc[gt].em)
 658                       + sd_V[n-start][d] - sdc[gt].em*Vmh;
 659
 660                   xprime[n][d] = x[n][d] + v[n][d]*tau_t[gt]*(sdc[gt].eph - sdc[gt].emh);
 661               }
 662               else
 663               {
 664
 665                   /* Correct the velocities for the constraints.
 666                    * This operation introduces some inaccuracy,
 667                    * since the velocity is determined from differences in coordinates.
 668                    */
 669                   v[n][d] =
 670                       (xprime[n][d] - x[n][d])/(tau_t[gt]*(sdc[gt].eph - sdc[gt].emh));
 671
 672                   Xmh = sd_V[n-start][d]*tau_t[gt]*sdc[gt].d/(sdc[gt].em-1)
 673                       + ism*sig[gt].Yx*gmx_rng_gaussian_table(gaussrand);
 674                   sd_X[n][d] = ism*sig[gt].X*gmx_rng_gaussian_table(gaussrand);
 675
 676                   xprime[n][d] += sd_X[n][d] - Xmh;
 677
 678               }
 679           }
 680           else
 681           {
 682               if (bFirstHalf)
 683               {
 684                   v[n][d]        = 0.0;
 685                   xprime[n][d]   = x[n][d];
 686               }
 687           }
 688       }
 689   }
 690 }
 691
 692 static void do_update_bd(int start,int nrend,double dt,
 693                          ivec nFreeze[],
 694                          real invmass[],unsigned short ptype[],
 695                          unsigned short cFREEZE[],unsigned short cTC[],
 696                          rvec x[],rvec xprime[],rvec v[],
 697                          rvec f[],real friction_coefficient,
 698                          int ngtc,real tau_t[],real ref_t[],
 699                          real *rf,gmx_rng_t gaussrand)
 700 {
 701     /* note -- these appear to be full step velocities . . .  */
 702     int    gf=0,gt=0;
 703     real   vn;
 704     real   invfr=0;
 705     int    n,d;
 706
 707     if (friction_coefficient != 0)
 708     {
 709         invfr = 1.0/friction_coefficient;
 710         for(n=0; n<ngtc; n++)
 711         {
 712             rf[n] = sqrt(2.0*BOLTZ*ref_t[n]/(friction_coefficient*dt));
 713         }
 714     }
 715     else
 716     {
 717         for(n=0; n<ngtc; n++)
 718         {
 719             rf[n] = sqrt(2.0*BOLTZ*ref_t[n]);
 720         }
 721     }
 722     for(n=start; (n<nrend); n++)
 723     {
 724         if (cFREEZE)
 725         {
 726             gf = cFREEZE[n];
 727         }
 728         if (cTC)
 729         {
 730             gt = cTC[n];
 731         }
 732         for(d=0; (d<DIM); d++)
 733         {
 734             if((ptype[n]!=eptVSite) && (ptype[n]!=eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 735             {
 736                 if (friction_coefficient != 0) {
 737                     vn = invfr*f[n][d] + rf[gt]*gmx_rng_gaussian_table(gaussrand);
 738                 }
 739                 else
 740                 {
 741                     /* NOTE: invmass = 1/(mass*friction_constant*dt) */
 742                     vn = invmass[n]*f[n][d]*dt
 743                         + sqrt(invmass[n])*rf[gt]*gmx_rng_gaussian_table(gaussrand);
 744
 745                     v[n][d]      = vn;
 746                     xprime[n][d] = x[n][d]+vn*dt;
 747                 }
 748             }
 749             else
 750             {
 751                 v[n][d]      = 0.0;
 752                 xprime[n][d] = x[n][d];
 753             }
 754         }
 755     }
 756 }
 757
 758 static void dump_it_all(FILE *fp,const char *title,
 759                         int natoms,rvec x[],rvec xp[],rvec v[],rvec f[])
 760 {
 761 #ifdef DEBUG
 762   if (fp)
 763   {
 764     fprintf(fp,"%s\n",title);
 765     pr_rvecs(fp,0,"x",x,natoms);
 766     pr_rvecs(fp,0,"xp",xp,natoms);
 767     pr_rvecs(fp,0,"v",v,natoms);
 768     pr_rvecs(fp,0,"f",f,natoms);
 769   }
 770 #endif
 771 }
 772
 773 static void calc_ke_part_normal(rvec v[], t_grpopts *opts,t_mdatoms *md,
 774                                 gmx_ekindata_t *ekind,t_nrnb *nrnb,gmx_bool bEkinAveVel,
 775                                 gmx_bool bSaveEkinOld)
 776 {
 777   int          start=md->start,homenr=md->homenr;
 778   int          g,d,n,m,ga=0,gt=0;
 779   rvec         v_corrt;
 780   real         hm;
 781   t_grp_tcstat *tcstat=ekind->tcstat;
 782   t_grp_acc    *grpstat=ekind->grpstat;
 783   real         dekindl;
 784
 785   /* three main: VV with AveVel, vv with AveEkin, leap with AveEkin.  Leap with AveVel is also
 786      an option, but not supported now.  Additionally, if we are doing iterations.
 787      bEkinAveVel: If TRUE, we sum into ekin, if FALSE, into ekinh.
 788      bSavEkinOld: If TRUE (in the case of iteration = bIterate is TRUE), we don't copy over the ekinh_old.
 789      If FALSE, we overrwrite it.
 790   */
 791
 792   /* group velocities are calculated in update_ekindata and
 793    * accumulated in acumulate_groups.
 794    * Now the partial global and groups ekin.
 795    */
 796   for(g=0; (g<opts->ngtc); g++)
 797   {
 798
 799       if (!bSaveEkinOld) {
 800           copy_mat(tcstat[g].ekinh,tcstat[g].ekinh_old);
 801       }
 802       if(bEkinAveVel) {
 803           clear_mat(tcstat[g].ekinf);
 804       } else {
 805           clear_mat(tcstat[g].ekinh);
 806       }
 807       if (bEkinAveVel) {
 808           tcstat[g].ekinscalef_nhc = 1.0;   /* need to clear this -- logic is complicated! */
 809       }
 810   }
 811   ekind->dekindl_old = ekind->dekindl;
 812
 813   dekindl = 0;
 814   for(n=start; (n<start+homenr); n++)
 815   {
 816       if (md->cACC)
 817       {
 818           ga = md->cACC[n];
 819       }
 820       if (md->cTC)
 821       {
 822           gt = md->cTC[n];
 823       }
 824       hm   = 0.5*md->massT[n];
 825
 826       for(d=0; (d<DIM); d++)
 827       {
 828           v_corrt[d]  = v[n][d]  - grpstat[ga].u[d];
 829       }
 830       for(d=0; (d<DIM); d++)
 831       {
 832           for (m=0;(m<DIM); m++)
 833           {
 834               /* if we're computing a full step velocity, v_corrt[d] has v(t).  Otherwise, v(t+dt/2) */
 835               if (bEkinAveVel)
 836               {
 837                   tcstat[gt].ekinf[m][d]+=hm*v_corrt[m]*v_corrt[d];
 838               }
 839               else
 840               {
 841                   tcstat[gt].ekinh[m][d]+=hm*v_corrt[m]*v_corrt[d];
 842               }
 843           }
 844       }
 845       if (md->nMassPerturbed && md->bPerturbed[n])
 846       {
 847           dekindl -= 0.5*(md->massB[n] - md->massA[n])*iprod(v_corrt,v_corrt);
 848       }
 849   }
 850   ekind->dekindl = dekindl;
 851   inc_nrnb(nrnb,eNR_EKIN,homenr);
 852 }
 853
 854 static void calc_ke_part_visc(matrix box,rvec x[],rvec v[],
 855                               t_grpopts *opts,t_mdatoms *md,
 856                               gmx_ekindata_t *ekind,
 857                               t_nrnb *nrnb, gmx_bool bEkinAveVel, gmx_bool bSaveEkinOld)
 858 {
 859   int          start=md->start,homenr=md->homenr;
 860   int          g,d,n,m,gt=0;
 861   rvec         v_corrt;
 862   real         hm;
 863   t_grp_tcstat *tcstat=ekind->tcstat;
 864   t_cos_acc    *cosacc=&(ekind->cosacc);
 865   real         dekindl;
 866   real         fac,cosz;
 867   double       mvcos;
 868
 869   for(g=0; g<opts->ngtc; g++)
 870   {
 871       copy_mat(ekind->tcstat[g].ekinh,ekind->tcstat[g].ekinh_old);
 872       clear_mat(ekind->tcstat[g].ekinh);
 873   }
 874   ekind->dekindl_old = ekind->dekindl;
 875
 876   fac = 2*M_PI/box[ZZ][ZZ];
 877   mvcos = 0;
 878   dekindl = 0;
 879   for(n=start; n<start+homenr; n++)
 880   {
 881       if (md->cTC)
 882       {
 883           gt = md->cTC[n];
 884       }
 885       hm   = 0.5*md->massT[n];
 886
 887       /* Note that the times of x and v differ by half a step */
 888       /* MRS -- would have to be changed for VV */
 889       cosz         = cos(fac*x[n][ZZ]);
 890       /* Calculate the amplitude of the new velocity profile */
 891       mvcos       += 2*cosz*md->massT[n]*v[n][XX];
 892
 893       copy_rvec(v[n],v_corrt);
 894       /* Subtract the profile for the kinetic energy */
 895       v_corrt[XX] -= cosz*cosacc->vcos;
 896       for (d=0; (d<DIM); d++)
 897       {
 898           for (m=0; (m<DIM); m++)
 899           {
 900               /* if we're computing a full step velocity, v_corrt[d] has v(t).  Otherwise, v(t+dt/2) */
 901               if (bEkinAveVel)
 902               {
 903                   tcstat[gt].ekinf[m][d]+=hm*v_corrt[m]*v_corrt[d];
 904               }
 905               else
 906               {
 907                   tcstat[gt].ekinh[m][d]+=hm*v_corrt[m]*v_corrt[d];
 908               }
 909           }
 910       }
 911       if(md->nPerturbed && md->bPerturbed[n])
 912       {
 913           dekindl -= 0.5*(md->massB[n] - md->massA[n])*iprod(v_corrt,v_corrt);
 914       }
 915   }
 916   ekind->dekindl = dekindl;
 917   cosacc->mvcos = mvcos;
 918
 919   inc_nrnb(nrnb,eNR_EKIN,homenr);
 920 }
 921
 922 void calc_ke_part(t_state *state,t_grpopts *opts,t_mdatoms *md,
 923                   gmx_ekindata_t *ekind,t_nrnb *nrnb, gmx_bool bEkinAveVel, gmx_bool bSaveEkinOld)
 924 {
 925     if (ekind->cosacc.cos_accel == 0)
 926     {
 927         calc_ke_part_normal(state->v,opts,md,ekind,nrnb,bEkinAveVel,bSaveEkinOld);
 928     }
 929     else
 930     {
 931         calc_ke_part_visc(state->box,state->x,state->v,opts,md,ekind,nrnb,bEkinAveVel,bSaveEkinOld);
 932     }
 933 }
 934
 935 void init_ekinstate(ekinstate_t *ekinstate,const t_inputrec *ir)
 936 {
 937     ekinstate->ekin_n = ir->opts.ngtc;
 938     snew(ekinstate->ekinh,ekinstate->ekin_n);
 939     snew(ekinstate->ekinf,ekinstate->ekin_n);
 940     snew(ekinstate->ekinh_old,ekinstate->ekin_n);
 941     snew(ekinstate->ekinscalef_nhc,ekinstate->ekin_n);
 942     snew(ekinstate->ekinscaleh_nhc,ekinstate->ekin_n);
 943     snew(ekinstate->vscale_nhc,ekinstate->ekin_n);
 944     ekinstate->dekindl = 0;
 945     ekinstate->mvcos   = 0;
 946 }
 947
 948 void update_ekinstate(ekinstate_t *ekinstate,gmx_ekindata_t *ekind)
 949 {
 950   int i;
 951
 952   for(i=0;i<ekinstate->ekin_n;i++)
 953   {
 954       copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinh,ekinstate->ekinh[i]);
 955       copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinf,ekinstate->ekinf[i]);
 956       copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinh_old,ekinstate->ekinh_old[i]);
 957       ekinstate->ekinscalef_nhc[i] = ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc;
 958       ekinstate->ekinscaleh_nhc[i] = ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc;
 959       ekinstate->vscale_nhc[i] = ekind->tcstat[i].vscale_nhc;
 960   }
 961
 962   copy_mat(ekind->ekin,ekinstate->ekin_total);
 963   ekinstate->dekindl = ekind->dekindl;
 964   ekinstate->mvcos = ekind->cosacc.mvcos;
 965
 966 }
 967
 968 void restore_ekinstate_from_state(t_commrec *cr,
 969                                   gmx_ekindata_t *ekind,ekinstate_t *ekinstate)
 970 {
 971   int i,n;
 972
 973   if (MASTER(cr))
 974   {
 975       for(i=0;i<ekinstate->ekin_n;i++)
 976       {
 977           copy_mat(ekinstate->ekinh[i],ekind->tcstat[i].ekinh);
 978           copy_mat(ekinstate->ekinf[i],ekind->tcstat[i].ekinf);
 979           copy_mat(ekinstate->ekinh_old[i],ekind->tcstat[i].ekinh_old);
 980           ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc = ekinstate->ekinscalef_nhc[i];
 981           ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc = ekinstate->ekinscaleh_nhc[i];
 982           ekind->tcstat[i].vscale_nhc = ekinstate->vscale_nhc[i];
 983       }
 984
 985       copy_mat(ekinstate->ekin_total,ekind->ekin);
 986
 987       ekind->dekindl = ekinstate->dekindl;
 988       ekind->cosacc.mvcos = ekinstate->mvcos;
 989       n = ekinstate->ekin_n;
 990   }
 991
 992   if (PAR(cr))
 993   {
 994       gmx_bcast(sizeof(n),&n,cr);
 995       for(i=0;i<n;i++)
 996       {
 997           gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->tcstat[i].ekinh[0][0]),
 998                     ekind->tcstat[i].ekinh[0],cr);
 999           gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->tcstat[i].ekinf[0][0]),
1000                     ekind->tcstat[i].ekinf[0],cr);
1001           gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->tcstat[i].ekinh_old[0][0]),
1002                     ekind->tcstat[i].ekinh_old[0],cr);
1003
1004           gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc),
1005                     &(ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc),cr);
1006           gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc),
1007                     &(ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc),cr);
1008           gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].vscale_nhc),
1009                     &(ekind->tcstat[i].vscale_nhc),cr);
1010       }
1011       gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->ekin[0][0]),
1012                 ekind->ekin[0],cr);
1013
1014       gmx_bcast(sizeof(ekind->dekindl),&ekind->dekindl,cr);
1015       gmx_bcast(sizeof(ekind->cosacc.mvcos),&ekind->cosacc.mvcos,cr);
1016   }
1017 }
1018
1019 void set_deform_reference_box(gmx_update_t upd,gmx_large_int_t step,matrix box)
1020 {
1021     upd->deformref_step = step;
1022     copy_mat(box,upd->deformref_box);
1023 }
1024
1025 static void deform(gmx_update_t upd,
1026                    int start,int homenr,rvec x[],matrix box,matrix *scale_tot,
1027                    const t_inputrec *ir,gmx_large_int_t step)
1028 {
1029     matrix bnew,invbox,mu;
1030     real   elapsed_time;
1031     int    i,j;
1032
1033     elapsed_time = (step + 1 - upd->deformref_step)*ir->delta_t;
1034     copy_mat(box,bnew);
1035     for(i=0; i<DIM; i++)
1036     {
1037         for(j=0; j<DIM; j++)
1038         {
1039             if (ir->deform[i][j] != 0)
1040             {
1041                 bnew[i][j] =
1042                     upd->deformref_box[i][j] + elapsed_time*ir->deform[i][j];
1043             }
1044         }
1045     }
1046     /* We correct the off-diagonal elements,
1047      * which can grow indefinitely during shearing,
1048      * so the shifts do not get messed up.
1049      */
1050     for(i=1; i<DIM; i++)
1051     {
1052         for(j=i-1; j>=0; j--)
1053         {
1054             while (bnew[i][j] - box[i][j] > 0.5*bnew[j][j])
1055             {
1056                 rvec_dec(bnew[i],bnew[j]);
1057             }
1058             while (bnew[i][j] - box[i][j] < -0.5*bnew[j][j])
1059             {
1060                 rvec_inc(bnew[i],bnew[j]);
1061             }
1062         }
1063     }
1064     m_inv_ur0(box,invbox);
1065     copy_mat(bnew,box);
1066     mmul_ur0(box,invbox,mu);
1067
1068     for(i=start; i<start+homenr; i++)
1069     {
1070         x[i][XX] = mu[XX][XX]*x[i][XX]+mu[YY][XX]*x[i][YY]+mu[ZZ][XX]*x[i][ZZ];
1071         x[i][YY] = mu[YY][YY]*x[i][YY]+mu[ZZ][YY]*x[i][ZZ];
1072         x[i][ZZ] = mu[ZZ][ZZ]*x[i][ZZ];
1073     }
1074     if (*scale_tot)
1075     {
1076         /* The transposes of the scaling matrices are stored,
1077          * so we need to do matrix multiplication in the inverse order.
1078          */
1079         mmul_ur0(*scale_tot,mu,*scale_tot);
1080     }
1081 }
1082
1083 static void combine_forces(int nstlist,
1084                            gmx_constr_t constr,
1085                            t_inputrec *ir,t_mdatoms *md,t_idef *idef,
1086                            t_commrec *cr,gmx_large_int_t step,t_state *state,
1087                            int start,int nrend,
1088                            rvec f[],rvec f_lr[],
1089                            t_nrnb *nrnb)
1090 {
1091     int  i,d,nm1;
1092
1093     /* f contains the short-range forces + the long range forces
1094      * which are stored separately in f_lr.
1095      */
1096
1097     if (constr != NULL && !(ir->eConstrAlg == econtSHAKE && ir->epc == epcNO))
1098     {
1099         /* We need to constrain the LR forces separately,
1100          * because due to the different pre-factor for the SR and LR
1101          * forces in the update algorithm, we can not determine
1102          * the constraint force for the coordinate constraining.
1103          * Constrain only the additional LR part of the force.
1104          */
1105         /* MRS -- need to make sure this works with trotter integration -- the constraint calls may not be right.*/
1106         constrain(NULL,FALSE,FALSE,constr,idef,ir,NULL,cr,step,0,md,
1107                   state->x,f_lr,f_lr,state->box,state->lambda,NULL,
1108                   NULL,NULL,nrnb,econqForce,ir->epc==epcMTTK,state->veta,state->veta);
1109     }
1110
1111     /* Add nstlist-1 times the LR force to the sum of both forces
1112      * and store the result in forces_lr.
1113      */
1114     nm1 = nstlist - 1;
1115     for(i=start; i<nrend; i++)
1116     {
1117         for(d=0; d<DIM; d++)
1118         {
1119             f_lr[i][d] = f[i][d] + nm1*f_lr[i][d];
1120         }
1121     }
1122 }
1123
1124 void update_tcouple(FILE         *fplog,
1125                     gmx_large_int_t   step,
1126                     t_inputrec   *inputrec,
1127                     t_state      *state,
1128                     gmx_ekindata_t *ekind,
1129                     gmx_wallcycle_t wcycle,
1130                     gmx_update_t upd,
1131                     t_extmass    *MassQ,
1132                     t_mdatoms  *md)
1133
1134 {
1135     gmx_bool   bTCouple=FALSE;
1136     real   dttc;
1137     int    i,start,end,homenr;
1138
1139     /* if using vv, we do this elsewhere in the code */
1140     if (inputrec->etc != etcNO &&
1141         !(IR_NVT_TROTTER(inputrec) || IR_NPT_TROTTER(inputrec)))
1142     {
1143         /* We should only couple after a step where energies were determined */
1144         bTCouple = (inputrec->nsttcouple == 1 ||
1145                     do_per_step(step+inputrec->nsttcouple-1,
1146                                 inputrec->nsttcouple));
1147     }
1148
1149     if (bTCouple)
1150     {
1151         dttc = inputrec->nsttcouple*inputrec->delta_t;
1152
1153         switch (inputrec->etc)
1154         {
1155         case etcNO:
1156             break;
1157         case etcBERENDSEN:
1158             berendsen_tcoupl(inputrec,ekind,dttc);
1159             break;
1160         case etcNOSEHOOVER:
1161             nosehoover_tcoupl(&(inputrec->opts),ekind,dttc,
1162                               state->nosehoover_xi,state->nosehoover_vxi,MassQ);
1163             break;
1164         case etcVRESCALE:
1165             vrescale_tcoupl(inputrec,ekind,dttc,
1166                             state->therm_integral,upd->sd->gaussrand);
1167             break;
1168         }
1169         /* rescale in place here */
1170         if (EI_VV(inputrec->eI))
1171         {
1172             rescale_velocities(ekind,md,md->start,md->start+md->homenr,state->v);
1173         }
1174     }
1175     else
1176     {
1177         /* Set the T scaling lambda to 1 to have no scaling */
1178         for(i=0; (i<inputrec->opts.ngtc); i++)
1179         {
1180             ekind->tcstat[i].lambda = 1.0;
1181         }
1182     }
1183 }
1184
1185 void update_pcouple(FILE         *fplog,
1186                     gmx_large_int_t   step,
1187                     t_inputrec   *inputrec,
1188                     t_state      *state,
1189                     matrix       pcoupl_mu,
1190                     matrix       M,
1191                     gmx_wallcycle_t wcycle,
1192                     gmx_update_t upd,
1193                     gmx_bool         bInitStep)
1194 {
1195     gmx_bool   bPCouple=FALSE;
1196     real   dtpc=0;
1197     int    i;
1198
1199     /* if using vv, we do this elsewhere in the code */
1200     if (inputrec->epc != epcNO &&
1201         !(IR_NVT_TROTTER(inputrec) || IR_NPT_TROTTER(inputrec)))
1202     {
1203         /* We should only couple after a step where energies were determined */
1204         bPCouple = (inputrec->nstpcouple == 1 ||
1205                     do_per_step(step+inputrec->nstpcouple-1,
1206                                 inputrec->nstpcouple));
1207     }
1208
1209     clear_mat(pcoupl_mu);
1210     for(i=0; i<DIM; i++)
1211     {
1212         pcoupl_mu[i][i] = 1.0;
1213     }
1214
1215     clear_mat(M);
1216
1217     if (bPCouple)
1218     {
1219         dtpc = inputrec->nstpcouple*inputrec->delta_t;
1220
1221         switch (inputrec->epc)
1222         {
1223             /* We can always pcoupl, even if we did not sum the energies
1224              * the previous step, since state->pres_prev is only updated
1225              * when the energies have been summed.
1226              */
1227         case (epcNO):
1228             break;
1229         case (epcBERENDSEN):
1230             if (!bInitStep)
1231             {
1232                 berendsen_pcoupl(fplog,step,inputrec,dtpc,state->pres_prev,state->box,
1233                                  pcoupl_mu);
1234             }
1235             break;
1236         case (epcPARRINELLORAHMAN):
1237             parrinellorahman_pcoupl(fplog,step,inputrec,dtpc,state->pres_prev,
1238                                     state->box,state->box_rel,state->boxv,
1239                                     M,pcoupl_mu,bInitStep);
1240             break;
1241         default:
1242             break;
1243         }
1244     }
1245 }
1246
1247 static rvec *get_xprime(const t_state *state,gmx_update_t upd)
1248 {
1249     if (state->nalloc > upd->xp_nalloc)
1250     {
1251         upd->xp_nalloc = state->nalloc;
1252         srenew(upd->xp,upd->xp_nalloc);
1253     }
1254
1255     return upd->xp;
1256 }
1257
1258 void update_constraints(FILE         *fplog,
1259                         gmx_large_int_t   step,
1260                         real         *dvdlambda,    /* FEP stuff */
1261                         t_inputrec   *inputrec,      /* input record and box stuff      */
1262                         gmx_ekindata_t *ekind,
1263                         t_mdatoms    *md,
1264                         t_state      *state,
1265                         t_graph      *graph,
1266                         rvec         force[],        /* forces on home particles */
1267                         t_idef       *idef,
1268                         tensor       vir_part,
1269                         tensor       vir,            /* tensors for virial and ekin, needed for computing */
1270                         t_commrec    *cr,
1271                         t_nrnb       *nrnb,
1272                         gmx_wallcycle_t wcycle,
1273                         gmx_update_t upd,
1274                         gmx_constr_t constr,
1275                         gmx_bool         bInitStep,
1276                         gmx_bool         bFirstHalf,
1277                         gmx_bool         bCalcVir,
1278                         real         vetanew)
1279 {
1280     gmx_bool             bExtended,bTrotter,bLastStep,bLog=FALSE,bEner=FALSE,bDoConstr=FALSE;
1281     double           dt;
1282     real             dt_1;
1283     int              start,homenr,nrend,i,n,m,g,d;
1284     tensor           vir_con;
1285     rvec             *vbuf,*xprime=NULL;
1286
1287     if (constr) {bDoConstr=TRUE;}
1288     if (bFirstHalf && !EI_VV(inputrec->eI)) {bDoConstr=FALSE;}
1289
1290     /* for now, SD update is here -- though it really seems like it
1291        should be reformulated as a velocity verlet method, since it has two parts */
1292
1293     start  = md->start;
1294     homenr = md->homenr;
1295     nrend = start+homenr;
1296
1297     dt   = inputrec->delta_t;
1298     dt_1 = 1.0/dt;
1299
1300     /*
1301      *  Steps (7C, 8C)
1302      *  APPLY CONSTRAINTS:
1303      *  BLOCK SHAKE
1304
1305      * When doing PR pressure coupling we have to constrain the
1306      * bonds in each iteration. If we are only using Nose-Hoover tcoupling
1307      * it is enough to do this once though, since the relative velocities
1308      * after this will be normal to the bond vector
1309      */
1310
1311     if (bDoConstr)
1312     {
1313         /* clear out constraints before applying */
1314         clear_mat(vir_part);
1315
1316         xprime = get_xprime(state,upd);
1317
1318         bLastStep = (step == inputrec->init_step+inputrec->nsteps);
1319         bLog  = (do_per_step(step,inputrec->nstlog) || bLastStep || (step < 0));
1320         bEner = (do_per_step(step,inputrec->nstenergy) || bLastStep);
1321         /* Constrain the coordinates xprime */
1322         wallcycle_start(wcycle,ewcCONSTR);
1323         if (EI_VV(inputrec->eI) && bFirstHalf)
1324         {
1325             constrain(NULL,bLog,bEner,constr,idef,
1326                       inputrec,ekind,cr,step,1,md,
1327                       state->x,state->v,state->v,
1328                       state->box,state->lambda,dvdlambda,
1329                       NULL,bCalcVir ? &vir_con : NULL,nrnb,econqVeloc,
1330                       inputrec->epc==epcMTTK,state->veta,vetanew);
1331         }
1332         else
1333         {
1334             constrain(NULL,bLog,bEner,constr,idef,
1335                       inputrec,ekind,cr,step,1,md,
1336                       state->x,xprime,NULL,
1337                       state->box,state->lambda,dvdlambda,
1338                       state->v,bCalcVir ? &vir_con : NULL ,nrnb,econqCoord,
1339                       inputrec->epc==epcMTTK,state->veta,state->veta);
1340         }
1341         wallcycle_stop(wcycle,ewcCONSTR);
1342
1343         where();
1344
1345         dump_it_all(fplog,"After Shake",
1346                     state->natoms,state->x,xprime,state->v,force);
1347
1348         if (bCalcVir)
1349         {
1350             if (inputrec->eI == eiSD2)
1351             {
1352                 /* A correction factor eph is needed for the SD constraint force */
1353                 /* Here we can, unfortunately, not have proper corrections
1354                  * for different friction constants, so we use the first one.
1355                  */
1356                 for(i=0; i<DIM; i++)
1357                 {
1358                     for(m=0; m<DIM; m++)
1359                     {
1360                         vir_part[i][m] += upd->sd->sdc[0].eph*vir_con[i][m];
1361                     }
1362                 }
1363             }
1364             else
1365             {
1366                 m_add(vir_part,vir_con,vir_part);
1367             }
1368             if (debug)
1369             {
1370                 pr_rvecs(debug,0,"constraint virial",vir_part,DIM);
1371             }
1372         }
1373     }
1374
1375     where();
1376     if ((inputrec->eI == eiSD2) && !(bFirstHalf))
1377     {
1378         xprime = get_xprime(state,upd);
1379
1380         /* The second part of the SD integration */
1381         do_update_sd2(upd->sd,FALSE,start,homenr,
1382                       inputrec->opts.acc,inputrec->opts.nFreeze,
1383                       md->invmass,md->ptype,
1384                       md->cFREEZE,md->cACC,md->cTC,
1385                       state->x,xprime,state->v,force,state->sd_X,
1386                       inputrec->opts.ngtc,inputrec->opts.tau_t,
1387                       inputrec->opts.ref_t,FALSE);
1388         inc_nrnb(nrnb, eNR_UPDATE, homenr);
1389
1390         if (bDoConstr)
1391         {
1392             /* Constrain the coordinates xprime */
1393             wallcycle_start(wcycle,ewcCONSTR);
1394             constrain(NULL,bLog,bEner,constr,idef,
1395                       inputrec,NULL,cr,step,1,md,
1396                       state->x,xprime,NULL,
1397                       state->box,state->lambda,dvdlambda,
1398                       NULL,NULL,nrnb,econqCoord,FALSE,0,0);
1399             wallcycle_stop(wcycle,ewcCONSTR);
1400         }
1401     }
1402
1403     /* We must always unshift after updating coordinates; if we did not shake
1404        x was shifted in do_force */
1405
1406     if (!(bFirstHalf)) /* in the first half of vv, no shift. */
1407     {
1408         if (graph && (graph->nnodes > 0))
1409         {
1410             unshift_x(graph,state->box,state->x,upd->xp);
1411             if (TRICLINIC(state->box))
1412             {
1413                 inc_nrnb(nrnb,eNR_SHIFTX,2*graph->nnodes);
1414             }
1415             else
1416             {
1417                 inc_nrnb(nrnb,eNR_SHIFTX,graph->nnodes);
1418             }
1419             copy_rvecn(upd->xp,state->x,start,graph->start);
1420             copy_rvecn(upd->xp,state->x,graph->start+graph->nnodes,nrend);
1421         }
1422         else
1423         {
1424             copy_rvecn(upd->xp,state->x,start,nrend);
1425         }
1426
1427         dump_it_all(fplog,"After unshift",
1428                     state->natoms,state->x,upd->xp,state->v,force);
1429     }
1430 /* ############# END the update of velocities and positions ######### */
1431 }
1432
1433 void update_box(FILE         *fplog,
1434                 gmx_large_int_t   step,
1435                 t_inputrec   *inputrec,      /* input record and box stuff      */
1436                 t_mdatoms    *md,
1437                 t_state      *state,
1438                 t_graph      *graph,
1439                 rvec         force[],        /* forces on home particles */
1440                 matrix       *scale_tot,
1441                 matrix       pcoupl_mu,
1442                 t_nrnb       *nrnb,
1443                 gmx_wallcycle_t wcycle,
1444                 gmx_update_t upd,
1445                 gmx_bool         bInitStep,
1446                 gmx_bool         bFirstHalf)
1447 {
1448     gmx_bool             bExtended,bTrotter,bLastStep,bLog=FALSE,bEner=FALSE;
1449     double           dt;
1450     real             dt_1;
1451     int              start,homenr,nrend,i,n,m,g;
1452     tensor           vir_con;
1453
1454     start  = md->start;
1455     homenr = md->homenr;
1456     nrend = start+homenr;
1457
1458     bExtended =
1459         (inputrec->etc == etcNOSEHOOVER) ||
1460         (inputrec->epc == epcPARRINELLORAHMAN) ||
1461         (inputrec->epc == epcMTTK);
1462
1463     dt = inputrec->delta_t;
1464
1465     where();
1466
1467     /* now update boxes */
1468     switch (inputrec->epc) {
1469     case (epcNO):
1470         break;
1471     case (epcBERENDSEN):
1472         berendsen_pscale(inputrec,pcoupl_mu,state->box,state->box_rel,
1473                          start,homenr,state->x,md->cFREEZE,nrnb);
1474         break;
1475     case (epcPARRINELLORAHMAN):
1476         /* The box velocities were updated in do_pr_pcoupl in the update
1477          * iteration, but we dont change the box vectors until we get here
1478          * since we need to be able to shift/unshift above.
1479          */
1480         for(i=0;i<DIM;i++)
1481         {
1482             for(m=0;m<=i;m++)
1483             {
1484                 state->box[i][m] += dt*state->boxv[i][m];
1485             }
1486         }
1487         preserve_box_shape(inputrec,state->box_rel,state->box);
1488
1489         /* Scale the coordinates */
1490         for(n=start; (n<start+homenr); n++)
1491         {
1492             tmvmul_ur0(pcoupl_mu,state->x[n],state->x[n]);
1493         }
1494         break;
1495     case (epcMTTK):
1496         switch (inputrec->epct)
1497         {
1498         case (epctISOTROPIC):
1499             /* DIM * eta = ln V.  so DIM*eta_new = DIM*eta_old + DIM*dt*veta =>
1500                ln V_new = ln V_old + 3*dt*veta => V_new = V_old*exp(3*dt*veta) =>
1501                Side length scales as exp(veta*dt) */
1502
1503             msmul(state->box,exp(state->veta*dt),state->box);
1504
1505             /* Relate veta to boxv.  veta = d(eta)/dT = (1/DIM)*1/V dV/dT.
1506 o               If we assume isotropic scaling, and box length scaling
1507                factor L, then V = L^DIM (det(M)).  So dV/dt = DIM
1508                L^(DIM-1) dL/dt det(M), and veta = (1/L) dL/dt.  The
1509                determinant of B is L^DIM det(M), and the determinant
1510                of dB/dt is (dL/dT)^DIM det (M).  veta will be
1511                (det(dB/dT)/det(B))^(1/3).  Then since M =
1512                B_new*(vol_new)^(1/3), dB/dT_new = (veta_new)*B(new). */
1513
1514             msmul(state->box,state->veta,state->boxv);
1515             break;
1516         default:
1517             break;
1518         }
1519         break;
1520     default:
1521         break;
1522     }
1523
1524     if ((!(IR_NPT_TROTTER(inputrec))) && scale_tot)
1525     {
1526         /* The transposes of the scaling matrices are stored,
1527          * therefore we need to reverse the order in the multiplication.
1528          */
1529         mmul_ur0(*scale_tot,pcoupl_mu,*scale_tot);
1530     }
1531
1532     if (DEFORM(*inputrec))
1533     {
1534         deform(upd,start,homenr,state->x,state->box,scale_tot,inputrec,step);
1535     }
1536     where();
1537     dump_it_all(fplog,"After update",
1538                 state->natoms,state->x,upd->xp,state->v,force);
1539 }
1540
1541 void update_coords(FILE         *fplog,
1542                    gmx_large_int_t   step,
1543                    t_inputrec   *inputrec,      /* input record and box stuff   */
1544                    t_mdatoms    *md,
1545                    t_state      *state,
1546                    rvec         *f,        /* forces on home particles */
1547                    gmx_bool         bDoLR,
1548                    rvec         *f_lr,
1549                    t_fcdata     *fcd,
1550                    gmx_ekindata_t *ekind,
1551                    matrix       M,
1552                    gmx_wallcycle_t wcycle,
1553                    gmx_update_t upd,
1554                    gmx_bool         bInitStep,
1555                    int          UpdatePart,
1556                    t_commrec    *cr,  /* these shouldn't be here -- need to think about it */
1557                    t_nrnb       *nrnb,
1558                    gmx_constr_t constr,
1559                    t_idef       *idef)
1560 {
1561     gmx_bool             bExtended,bNH,bPR,bTrotter,bLastStep,bLog=FALSE,bEner=FALSE;
1562     double           dt,alpha;
1563     real             *imass,*imassin;
1564     rvec             *force;
1565     real             dt_1;
1566     int              start,homenr,nrend,i,j,d,n,m,g;
1567     int              blen0,blen1,iatom,jatom,nshake,nsettle,nconstr,nexpand;
1568     int              *icom = NULL;
1569     tensor           vir_con;
1570     rvec             *vcom,*xcom,*vall,*xall,*xin,*vin,*forcein,*fall,*xpall,*xprimein,*xprime;
1571
1572
1573     /* Running the velocity half does nothing except for velocity verlet */
1574     if ((UpdatePart == etrtVELOCITY1 || UpdatePart == etrtVELOCITY2) &&
1575         !EI_VV(inputrec->eI))
1576     {
1577         gmx_incons("update_coords called for velocity without VV integrator");
1578     }
1579
1580     start  = md->start;
1581     homenr = md->homenr;
1582     nrend = start+homenr;
1583
1584     xprime = get_xprime(state,upd);
1585
1586     dt   = inputrec->delta_t;
1587     dt_1 = 1.0/dt;
1588
1589     /* We need to update the NMR restraint history when time averaging is used */
1590     if (state->flags & (1<<estDISRE_RM3TAV))
1591     {
1592         update_disres_history(fcd,&state->hist);
1593     }
1594     if (state->flags & (1<<estORIRE_DTAV))
1595     {
1596         update_orires_history(fcd,&state->hist);
1597     }
1598
1599     bNH = inputrec->etc == etcNOSEHOOVER;
1600     bPR = ((inputrec->epc == epcPARRINELLORAHMAN) || (inputrec->epc == epcMTTK));
1601
1602     bExtended = bNH || bPR;
1603
1604     if (bDoLR && inputrec->nstlist > 1 && !EI_VV(inputrec->eI))  /* get this working with VV? */
1605     {
1606         /* Store the total force + nstlist-1 times the LR force
1607          * in forces_lr, so it can be used in a normal update algorithm
1608          * to produce twin time stepping.
1609          */
1610         /* is this correct in the new construction? MRS */
1611         combine_forces(inputrec->nstlist,constr,inputrec,md,idef,cr,step,state,
1612                        start,nrend,f,f_lr,nrnb);
1613         force = f_lr;
1614     }
1615     else
1616     {
1617         force = f;
1618     }
1619
1620     /* ############# START The update of velocities and positions ######### */
1621     where();
1622     dump_it_all(fplog,"Before update",
1623                 state->natoms,state->x,xprime,state->v,force);
1624
1625     switch (inputrec->eI) {
1626     case (eiMD):
1627         if (ekind->cosacc.cos_accel == 0) {
1628             /* use normal version of update */
1629             do_update_md(start,nrend,dt,
1630                          ekind->tcstat,ekind->grpstat,state->nosehoover_vxi,
1631                          inputrec->opts.acc,inputrec->opts.nFreeze,md->invmass,md->ptype,
1632                          md->cFREEZE,md->cACC,md->cTC,
1633                          state->x,xprime,state->v,force,M,
1634                          bNH,bPR);
1635         }
1636         else
1637         {
1638             do_update_visc(start,nrend,dt,
1639                            ekind->tcstat,md->invmass,state->nosehoover_vxi,
1640                            md->ptype,md->cTC,state->x,xprime,state->v,force,M,
1641                            state->box,ekind->cosacc.cos_accel,ekind->cosacc.vcos,bNH,bPR);
1642         }
1643         break;
1644     case (eiSD1):
1645         do_update_sd1(upd->sd,start,homenr,dt,
1646                       inputrec->opts.acc,inputrec->opts.nFreeze,
1647                       md->invmass,md->ptype,
1648                       md->cFREEZE,md->cACC,md->cTC,
1649                       state->x,xprime,state->v,force,state->sd_X,
1650                       inputrec->opts.ngtc,inputrec->opts.tau_t,inputrec->opts.ref_t);
1651         break;
1652     case (eiSD2):
1653         /* The SD update is done in 2 parts, because an extra constraint step
1654          * is needed
1655          */
1656         do_update_sd2(upd->sd,bInitStep,start,homenr,
1657                       inputrec->opts.acc,inputrec->opts.nFreeze,
1658                       md->invmass,md->ptype,
1659                       md->cFREEZE,md->cACC,md->cTC,
1660                       state->x,xprime,state->v,force,state->sd_X,
1661                       inputrec->opts.ngtc,inputrec->opts.tau_t,inputrec->opts.ref_t,
1662                       TRUE);
1663         break;
1664     case (eiBD):
1665         do_update_bd(start,nrend,dt,
1666                      inputrec->opts.nFreeze,md->invmass,md->ptype,
1667                      md->cFREEZE,md->cTC,
1668                      state->x,xprime,state->v,force,
1669                      inputrec->bd_fric,
1670                      inputrec->opts.ngtc,inputrec->opts.tau_t,inputrec->opts.ref_t,
1671                      upd->sd->bd_rf,upd->sd->gaussrand);
1672         break;
1673     case (eiVV):
1674     case (eiVVAK):
1675         alpha = 1.0 + DIM/((double)inputrec->opts.nrdf[0]); /* assuming barostat coupled to group 0. */
1676         switch (UpdatePart) {
1677         case etrtVELOCITY1:
1678         case etrtVELOCITY2:
1679             do_update_vv_vel(start,nrend,dt,
1680                              ekind->tcstat,ekind->grpstat,
1681                              inputrec->opts.acc,inputrec->opts.nFreeze,
1682                              md->invmass,md->ptype,
1683                              md->cFREEZE,md->cACC,
1684                              state->v,force,
1685                              bExtended,state->veta,alpha);
1686             break;
1687         case etrtPOSITION:
1688             do_update_vv_pos(start,nrend,dt,
1689                              ekind->tcstat,ekind->grpstat,
1690                              inputrec->opts.acc,inputrec->opts.nFreeze,
1691                              md->invmass,md->ptype,md->cFREEZE,
1692                              state->x,xprime,state->v,force,
1693                              bExtended,state->veta,alpha);
1694             break;
1695         }
1696         break;
1697     default:
1698         gmx_fatal(FARGS,"Don't know how to update coordinates");
1699         break;
1700     }
1701 }
1702
1703
1704 void correct_ekin(FILE *log,int start,int end,rvec v[],rvec vcm,real mass[],
1705                   real tmass,tensor ekin)
1706 {
1707   /*
1708    * This is a debugging routine. It should not be called for production code
1709    *
1710    * The kinetic energy should calculated according to:
1711    *   Ekin = 1/2 m (v-vcm)^2
1712    * However the correction is not always applied, since vcm may not be
1713    * known in time and we compute
1714    *   Ekin' = 1/2 m v^2 instead
1715    * This can be corrected afterwards by computing
1716    *   Ekin = Ekin' + 1/2 m ( -2 v vcm + vcm^2)
1717    * or in hsorthand:
1718    *   Ekin = Ekin' - m v vcm + 1/2 m vcm^2
1719    */
1720   int    i,j,k;
1721   real   m,tm;
1722   rvec   hvcm,mv;
1723   tensor dekin;
1724
1725   /* Local particles */
1726   clear_rvec(mv);
1727
1728   /* Processor dependent part. */
1729   tm = 0;
1730   for(i=start; (i<end); i++)
1731   {
1732     m      = mass[i];
1733     tm    += m;
1734     for(j=0; (j<DIM); j++)
1735     {
1736         mv[j] += m*v[i][j];
1737     }
1738   }
1739   /* Shortcut */
1740   svmul(1/tmass,vcm,vcm);
1741   svmul(0.5,vcm,hvcm);
1742   clear_mat(dekin);
1743   for(j=0; (j<DIM); j++)
1744   {
1745       for(k=0; (k<DIM); k++)
1746       {
1747           dekin[j][k] += vcm[k]*(tm*hvcm[j]-mv[j]);
1748       }
1749   }
1750   pr_rvecs(log,0,"dekin",dekin,DIM);
1751   pr_rvecs(log,0," ekin", ekin,DIM);
1752   fprintf(log,"dekin = %g, ekin = %g  vcm = (%8.4f %8.4f %8.4f)\n",
1753           trace(dekin),trace(ekin),vcm[XX],vcm[YY],vcm[ZZ]);
1754   fprintf(log,"mv = (%8.4f %8.4f %8.4f)\n",
1755           mv[XX],mv[YY],mv[ZZ]);
1756 }