src/programs/mdrun/tests/freeenergy.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2020, 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
  36 /*! \internal \file
  37  * \brief
  38  * Tests to compare free energy simulations to reference
  39  *
  40  * \author Pascal Merz <pascal.merz@me.com>
  41  * \ingroup module_mdrun_integration_tests
  42  */
  43 #include "gmxpre.h"
  44
  45 #include "config.h"
  46
  47 #include "gromacs/topology/ifunc.h"
  48 #include "gromacs/utility/filestream.h"
  49 #include "gromacs/utility/path.h"
  50 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
  51
  52 #include "testutils/mpitest.h"
  53 #include "testutils/refdata.h"
  54 #include "testutils/setenv.h"
  55 #include "testutils/simulationdatabase.h"
  56 #include "testutils/xvgtest.h"
  57
  58 #include "moduletest.h"
  59 #include "simulatorcomparison.h"
  60
  61 namespace gmx::test
  62 {
  63 namespace
  64 {
  65
  66 /*! \brief Test fixture base for free energy calculations
  67  *
  68  * This test ensures that selected free energy perturbation calculations produce
  69  * results identical to an earlier version. The results of this earlier version
  70  * have been verified manually to ensure physical correctness.
  71  */
  72 using MaxNumWarnings                = int;
  73 using ListOfInteractionsToTest      = std::vector<int>;
  74 using FreeEnergyReferenceTestParams = std::tuple<std::string, MaxNumWarnings, ListOfInteractionsToTest>;
  75 class FreeEnergyReferenceTest :
  76     public MdrunTestFixture,
  77     public ::testing::WithParamInterface<FreeEnergyReferenceTestParams>
  78 {
  79 public:
  80     struct PrintParametersToString
  81     {
  82         template<class ParamType>
  83         std::string operator()(const testing::TestParamInfo<ParamType>& parameter) const
  84         {
  85             auto simulationName = std::get<0>(parameter.param);
  86             std::replace(simulationName.begin(), simulationName.end(), '-', '_');
  87             return simulationName + (GMX_DOUBLE ? "_d" : "_s");
  88         }
  89     };
  90 };
  91
  92 TEST_P(FreeEnergyReferenceTest, WithinTolerances)
  93 {
  94     const auto& simulationName   = std::get<0>(GetParam());
  95     const auto  maxNumWarnings   = std::get<1>(GetParam());
  96     const auto& interactionsList = std::get<2>(GetParam());
  97
  98     // As these tests check reproducibility, we restrict the maximum number
  99     // of ranks to allow us to keep the tolerances tight. See also #3741.
 100     const int     numRanksAvailable = getNumberOfTestMpiRanks();
 101     constexpr int maxNumRanks       = 8;
 102     if (numRanksAvailable > maxNumRanks)
 103     {
 104         fprintf(stdout,
 105                 "The FEP tests cannot run with %d ranks.\n"
 106                 "The maximum number of ranks supported is %d.",
 107                 numRanksAvailable,
 108                 maxNumRanks);
 109         return;
 110     }
 111
 112     SCOPED_TRACE(formatString("Comparing FEP simulation '%s' to reference", simulationName.c_str()));
 113
 114     // Tolerance set to pass with identical code version and a range of different test setups for most tests
 115     const auto defaultEnergyTolerance = relativeToleranceAsFloatingPoint(50.0, GMX_DOUBLE ? 1e-5 : 1e-4);
 116     // Some simulations are significantly longer, so they need a larger tolerance
 117     const auto longEnergyTolerance = relativeToleranceAsFloatingPoint(50.0, GMX_DOUBLE ? 1e-4 : 1e-3);
 118     const bool isLongSimulation    = (simulationName == "expanded");
 119     const auto energyTolerance = isLongSimulation ? longEnergyTolerance : defaultEnergyTolerance;
 120
 121     EnergyTermsToCompare energyTermsToCompare{ { interaction_function[F_EPOT].longname, energyTolerance } };
 122     for (const auto& interaction : interactionsList)
 123     {
 124         energyTermsToCompare.emplace(interaction_function[interaction].longname, defaultEnergyTolerance);
 125     }
 126
 127     // Specify how trajectory frame matching must work (only testing forces).
 128     TrajectoryFrameMatchSettings trajectoryMatchSettings{ false,
 129                                                           false,
 130                                                           false,
 131                                                           ComparisonConditions::NoComparison,
 132                                                           ComparisonConditions::NoComparison,
 133                                                           ComparisonConditions::MustCompare };
 134     TrajectoryTolerances trajectoryTolerances = TrajectoryComparison::s_defaultTrajectoryTolerances;
 135     trajectoryTolerances.forces = relativeToleranceAsFloatingPoint(100.0, GMX_DOUBLE ? 5.0e-5 : 5.0e-4);
 136
 137     // Build the functor that will compare reference and test
 138     // trajectory frames in the chosen way.
 139     TrajectoryComparison trajectoryComparison{ trajectoryMatchSettings, trajectoryTolerances };
 140
 141     // Set simulation file names
 142     auto simulationTrajectoryFileName = fileManager_.getTemporaryFilePath("trajectory.trr");
 143     auto simulationEdrFileName        = fileManager_.getTemporaryFilePath("energy.edr");
 144     auto simulationDhdlFileName       = fileManager_.getTemporaryFilePath("dhdl.xvg");
 145
 146     // Run grompp
 147     runner_.tprFileName_ = fileManager_.getTemporaryFilePath("sim.tpr");
 148     runner_.useTopGroAndMdpFromFepTestDatabase(simulationName);
 149     runGrompp(&runner_, { SimulationOptionTuple("-maxwarn", std::to_string(maxNumWarnings)) });
 150
 151     // Do mdrun
 152     runner_.fullPrecisionTrajectoryFileName_ = simulationTrajectoryFileName;
 153     runner_.edrFileName_                     = simulationEdrFileName;
 154     runner_.dhdlFileName_                    = simulationDhdlFileName;
 155     runMdrun(&runner_);
 156
 157     /* Currently used tests write trajectory (x/v/f) frames every 20 steps.
 158      * Except for the expanded ensemble test, all tests run for 20 steps total.
 159      * As the tolerances are relatively strict, we need to restrict the number of
 160      * force frames we can expect to match.
 161      * Testing more than the first force frame is only feasible in double precision
 162      * using a single rank.
 163      * Testing one force frame is only feasible in double precision.
 164      * Note that this only concerns trajectory frames, energy frames are checked
 165      * in all cases. */
 166     const bool testTwoTrajectoryFrames = (GMX_DOUBLE && (getNumberOfTestMpiRanks() == 1));
 167     const bool testOneTrajectoryFrame  = GMX_DOUBLE;
 168
 169     // Compare simulation results
 170     TestReferenceData    refData;
 171     TestReferenceChecker rootChecker(refData.rootChecker());
 172     // Check that the energies agree with the refdata within tolerance.
 173     checkEnergiesAgainstReferenceData(simulationEdrFileName, energyTermsToCompare, &rootChecker);
 174     // Check that the trajectories agree with the refdata within tolerance.
 175     if (testTwoTrajectoryFrames)
 176     {
 177         checkTrajectoryAgainstReferenceData(
 178                 simulationTrajectoryFileName, trajectoryComparison, &rootChecker, MaxNumFrames(2));
 179     }
 180     else if (testOneTrajectoryFrame)
 181     {
 182         checkTrajectoryAgainstReferenceData(
 183                 simulationTrajectoryFileName, trajectoryComparison, &rootChecker, MaxNumFrames(1));
 184     }
 185     else
 186     {
 187         checkTrajectoryAgainstReferenceData(
 188                 simulationTrajectoryFileName, trajectoryComparison, &rootChecker, MaxNumFrames(0));
 189     }
 190     if (File::exists(simulationDhdlFileName, File::returnFalseOnError))
 191     {
 192         TextInputFile dhdlFile(simulationDhdlFileName);
 193         auto          settings = XvgMatchSettings();
 194         settings.tolerance     = defaultEnergyTolerance;
 195         checkXvgFile(&dhdlFile, &rootChecker, settings);
 196     }
 197 }
 198
 199 // TODO: The time for OpenCL kernel compilation means these tests time
 200 //       out. Once that compilation is cached for the whole process, these
 201 //       tests can run in such configurations.
 202 #if !GMX_GPU_OPENCL
 203 INSTANTIATE_TEST_CASE_P(
 204         FreeEnergyCalculationsAreEquivalentToReference,
 205         FreeEnergyReferenceTest,
 206         ::testing::Values(
 207                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "coulandvdwsequential_coul",
 208                                                MaxNumWarnings(0),
 209                                                { F_DVDL_COUL, F_DVDL_VDW } },
 210                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "coulandvdwsequential_vdw",
 211                                                MaxNumWarnings(0),
 212                                                { F_DVDL_COUL, F_DVDL_VDW } },
 213                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "coulandvdwtogether", MaxNumWarnings(0), { F_DVDL } },
 214                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "expanded", MaxNumWarnings(0), { F_DVDL_COUL, F_DVDL_VDW } },
 215                 // Tolerated warnings: No default bonded interaction types for perturbed atoms (10x)
 216                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "relative",
 217                                                MaxNumWarnings(10),
 218                                                { F_DVDL, F_DVDL_COUL, F_DVDL_VDW, F_DVDL_BONDED } },
 219                 // Tolerated warnings: No default bonded interaction types for perturbed atoms (10x)
 220                 FreeEnergyReferenceTestParams{
 221                         "relative-position-restraints",
 222                         MaxNumWarnings(10),
 223                         { F_DVDL, F_DVDL_COUL, F_DVDL_VDW, F_DVDL_BONDED, F_DVDL_RESTRAINT } },
 224                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "restraints", MaxNumWarnings(0), { F_DVDL_RESTRAINT } },
 225                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "simtemp", MaxNumWarnings(0), {} },
 226                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "transformAtoB", MaxNumWarnings(0), { F_DVDL } },
 227                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "vdwalone", MaxNumWarnings(0), { F_DVDL } }),
 228         FreeEnergyReferenceTest::PrintParametersToString());
 229 #else
 230 INSTANTIATE_TEST_CASE_P(
 231         DISABLED_FreeEnergyCalculationsAreEquivalentToReference,
 232         FreeEnergyReferenceTest,
 233         ::testing::Values(
 234                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "coulandvdwsequential_coul",
 235                                                MaxNumWarnings(0),
 236                                                { F_DVDL_COUL, F_DVDL_VDW } },
 237                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "coulandvdwsequential_vdw",
 238                                                MaxNumWarnings(0),
 239                                                { F_DVDL_COUL, F_DVDL_VDW } },
 240                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "coulandvdwtogether", MaxNumWarnings(0), { F_DVDL } },
 241                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "expanded", MaxNumWarnings(0), { F_DVDL_COUL, F_DVDL_VDW } },
 242                 // Tolerated warnings: No default bonded interaction types for perturbed atoms (10x)
 243                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "relative",
 244                                                MaxNumWarnings(10),
 245                                                { F_DVDL, F_DVDL_COUL, F_DVDL_VDW, F_DVDL_BONDED } },
 246                 // Tolerated warnings: No default bonded interaction types for perturbed atoms (10x)
 247                 FreeEnergyReferenceTestParams{
 248                         "relative-position-restraints",
 249                         MaxNumWarnings(10),
 250                         { F_DVDL, F_DVDL_COUL, F_DVDL_VDW, F_DVDL_BONDED, F_DVDL_RESTRAINT } },
 251                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "restraints", MaxNumWarnings(0), { F_DVDL_RESTRAINT } },
 252                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "simtemp", MaxNumWarnings(0), {} },
 253                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "transformAtoB", MaxNumWarnings(0), { F_DVDL } },
 254                 FreeEnergyReferenceTestParams{ "vdwalone", MaxNumWarnings(0), { F_DVDL } }),
 255         FreeEnergyReferenceTest::PrintParametersToString());
 256 #endif
 257
 258 } // namespace
 259 } // namespace gmx::test