src/gromacs/mdlib/energyoutput.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2019,2020,2021, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 /*! \libinternal \file
  36  * \brief Header for the code that writes energy-like quantities.
  37  *
  38  * \author Mark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
  39  * \author Paul Bauer <paul.bauer.q@gmail.com>
  40  * \author Artem Zhmurov <zhmurov@gmail.com>
  41  *
  42  * \ingroup module_mdlib
  43  * \inlibraryapi
  44  */
  45 #ifndef GMX_MDLIB_ENERGYOUTPUT_H
  46 #define GMX_MDLIB_ENERGYOUTPUT_H
  47
  48 #include <cstdio>
  49
  50 #include <memory>
  51
  52 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  53 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  54 #include "gromacs/mdtypes/enerdata.h"
  55 #include "gromacs/topology/ifunc.h"
  56 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  57 #include "gromacs/utility/real.h"
  58
  59 class energyhistory_t;
  60 struct ener_file;
  61 class gmx_ekindata_t;
  62 struct gmx_enerdata_t;
  63 struct SimulationGroups;
  64 struct gmx_mtop_t;
  65 struct gmx_output_env_t;
  66 struct pull_t;
  67 struct t_ebin;
  68 struct t_fcdata;
  69 struct t_grpopts;
  70 struct t_inputrec;
  71 struct t_lambda;
  72 class t_state;
  73
  74 struct t_mde_delta_h_coll;
  75
  76 namespace gmx
  77 {
  78 class Awh;
  79 class Constraints;
  80 struct MDModulesNotifiers;
  81 enum class StartingBehavior;
  82 } // namespace gmx
  83
  84 //! \brief Printed names for intergroup energies
  85 const char* enumValueToString(NonBondedEnergyTerms enumValue);
  86
  87 /* \brief delta_h block type enum: the kinds of energies written out. */
  88 enum
  89 {
  90     //! Delta H BAR energy difference
  91     dhbtDH = 0,
  92     //! dH/dlambda derivative
  93     dhbtDHDL = 1,
  94     //! System energy
  95     dhbtEN,
  96     //! pV term
  97     dhbtPV,
  98     //! Expanded ensemble statistics
  99     dhbtEXPANDED,
 100     //! Total number of energy types in this enum
 101     dhbtNR
 102 };
 103
 104 namespace gmx
 105 {
 106 class EnergyDriftTracker;
 107
 108 /*! \internal
 109  * \brief Arrays connected to Pressure and Temperature coupling
 110  */
 111 struct PTCouplingArrays
 112 {
 113     //! Box velocities for Parrinello-Rahman P-coupling.
 114     const rvec* boxv;
 115     //! Nose-Hoover coordinates.
 116     ArrayRef<const double> nosehoover_xi;
 117     //! Nose-Hoover velocities.
 118     ArrayRef<const double> nosehoover_vxi;
 119     //! Pressure Nose-Hoover coordinates.
 120     ArrayRef<const double> nhpres_xi;
 121     //! Pressure Nose-Hoover velocities.
 122     ArrayRef<const double> nhpres_vxi;
 123 };
 124
 125 /* Energy output class
 126  *
 127  * This is the collection of energy averages collected during mdrun, and to
 128  * be written out to the .edr file.
 129  *
 130  * \todo Use more std containers.
 131  * \todo Write free-energy output also to energy file (after adding more tests)
 132  */
 133 class EnergyOutput
 134 {
 135 public:
 136     /*! \brief Initiate MD energy bin
 137      *
 138      * \param[in] fp_ene     Energy output file.
 139      * \param[in] mtop       Topology.
 140      * \param[in] inputrec   Input parameters.
 141      * \param[in] pull_work  Pulling simulations data
 142      * \param[in] fp_dhdl    FEP file.
 143      * \param[in] isRerun    Is this is a rerun instead of the simulations.
 144      * \param[in] startingBehavior  Run starting behavior.
 145      * \param[in] simulationsShareState  Tells whether the physical state is shared over simulations
 146      * \param[in] mdModulesNotifiers Notifications to MD modules.
 147      */
 148     EnergyOutput(ener_file*                fp_ene,
 149                  const gmx_mtop_t&         mtop,
 150                  const t_inputrec&         inputrec,
 151                  const pull_t*             pull_work,
 152                  FILE*                     fp_dhdl,
 153                  bool                      isRerun,
 154                  StartingBehavior          startingBehavior,
 155                  bool                      simulationsShareState,
 156                  const MDModulesNotifiers& mdModulesNotifiers);
 157
 158     ~EnergyOutput();
 159
 160     /*! \brief Update the averaging structures.
 161      *
 162      * Called every step on which the thermodynamic values are evaluated.
 163      *
 164      * \param[in] bDoDHDL           Whether the FEP is enabled.
 165      * \param[in] bSum              If this stepshould be recorded to compute sums and averages.
 166      * \param[in] time              Current simulation time.
 167      * \param[in] tmass             Total mass
 168      * \param[in] enerd             Energy data object.
 169      * \param[in] fep               FEP data.
 170      * \param[in] lastbox           PBC data.
 171      * \param[in] ptCouplingArrays  Arrays connected to pressure and temperature coupling.
 172      * \param[in] fep_state         The current alchemical state we are in.
 173      * \param[in] vir               Total virial.
 174      * \param[in] pres              Pressure.
 175      * \param[in] ekind             Kinetic energy data.
 176      * \param[in] mu_tot            Total dipole.
 177      * \param[in] constr            Constraints object to get RMSD from (for LINCS only).
 178      */
 179     void addDataAtEnergyStep(bool                    bDoDHDL,
 180                              bool                    bSum,
 181                              double                  time,
 182                              real                    tmass,
 183                              const gmx_enerdata_t*   enerd,
 184                              const t_lambda*         fep,
 185                              const matrix            lastbox,
 186                              PTCouplingArrays        ptCouplingArrays,
 187                              int                     fep_state,
 188                              const tensor            vir,
 189                              const tensor            pres,
 190                              const gmx_ekindata_t*   ekind,
 191                              const rvec              mu_tot,
 192                              const gmx::Constraints* constr);
 193
 194     /*! \brief Update the data averaging structure counts.
 195      *
 196      * Updates the number of steps, the values have not being computed.
 197      */
 198     void recordNonEnergyStep();
 199
 200     /*! \brief Writes current quantites to log and energy files.
 201      *
 202      * Prints current values of energies, pressure, temperature, restraint
 203      * data, etc. to energy output file and to the log file (if not nullptr).
 204      *
 205      * This function only does something useful when bEne || bDR || bOR || log.
 206      *
 207      * \todo Perhaps this responsibility should involve some other
 208      *       object visiting all the contributing objects.
 209      *
 210      * \param[in] fp_ene   Energy file for the output.
 211      * \param[in] bEne     If it is a step for energy output or last step.
 212      * \param[in] bDR      If it is a step of writing distance restraints.
 213      * \param[in] bOR      If it is a step of writing orientation restraints.
 214      * \param[in] log      Pointer to the log file.
 215      * \param[in] step     Current step.
 216      * \param[in] time     Current simulation time.
 217      * \param[in] fcd      Bonded force computation data,
 218      *                     including orientation and distance restraints.
 219      * \param[in] awh      AWH data.
 220      */
 221     void printStepToEnergyFile(ener_file* fp_ene,
 222                                bool       bEne,
 223                                bool       bDR,
 224                                bool       bOR,
 225                                FILE*      log,
 226                                int64_t    step,
 227                                double     time,
 228                                t_fcdata*  fcd,
 229                                gmx::Awh*  awh);
 230
 231     /*! \brief Print reference temperatures for annealing groups.
 232      *
 233      * Nothing is done if log is nullptr.
 234      *
 235      * \param[in] log     Log file to print to.
 236      * \param[in] groups  Information on atom groups.
 237      * \param[in] opts    Atom temperature coupling groups options
 238      *                    (annealing is done by groups).
 239      */
 240     static void printAnnealingTemperatures(FILE* log, const SimulationGroups* groups, const t_grpopts* opts);
 241
 242     /*! \brief Prints average values to log file.
 243      *
 244      * This is called at the end of the simulation run to print accumulated average values.
 245      * Nothing it done if log is nullptr.
 246      *
 247      * \param[in]   log      Where to print.
 248      * \param[in]   groups   Atom groups.
 249      */
 250     void printAverages(FILE* log, const SimulationGroups* groups);
 251
 252     /*! \brief Get the number of thermodynamic terms recorded.
 253      *
 254      * \todo Refactor this to return the expected output size,
 255      *       rather than exposing the implementation details about
 256      *       thermodynamic terms.
 257      *
 258      * \returns Number of thermodynamic terms.
 259      */
 260     int numEnergyTerms() const;
 261
 262     /*! \brief Fill the energyhistory_t data.
 263      *
 264      * Between .edr writes, the averages are history dependent,
 265      * and that history needs to be retained in checkpoints.
 266      * These functions set/read the energyhistory_t class
 267      * that is written to checkpoints.
 268      *
 269      * \param[out] enerhist  Energy history data structure.
 270      */
 271     void fillEnergyHistory(energyhistory_t* enerhist) const;
 272
 273     /*! \brief Restore from energyhistory_t data.
 274      *
 275      * \param[in] enerhist  Energy history data structure.
 276      */
 277     void restoreFromEnergyHistory(const energyhistory_t& enerhist);
 278
 279     //! Print an output header to the log file.
 280     static void printHeader(FILE* log, int64_t steps, double time);
 281
 282     /*! \brief Print conserved energy drift message to \p fplog
 283      *
 284      * Note that this is only over the current run (times are printed),
 285      * this is not from the original start time for runs with continuation.
 286      * This has the advantage that one can find if conservation issues are
 287      * from the current run with the current settings on the current hardware.
 288      */
 289     void printEnergyConservation(FILE* fplog, int simulationPart, bool usingMdIntegrator) const;
 290
 291 private:
 292     //! Timestep
 293     double delta_t_ = 0;
 294
 295     //! Structure to store energy components and their running averages
 296     t_ebin* ebin_ = nullptr;
 297
 298     //! Is the periodic box triclinic
 299     bool bTricl_ = false;
 300     //! NHC trotter is used
 301     bool bNHC_trotter_ = false;
 302     //! If Nose-Hoover chains should be printed
 303     bool bPrintNHChains_ = false;
 304     //! If MTTK integrator was used
 305     bool bMTTK_ = false;
 306
 307     //! Temperature control scheme
 308     TemperatureCoupling etc_ = TemperatureCoupling::No;
 309
 310     //! Which of the main energy terms should be printed
 311     bool bEner_[F_NRE] = { false };
 312     //! Index for main energy terms
 313     int ie_ = 0;
 314     //! Number of energy terms from F_NRE list to be saved (i.e. number of 'true' in bEner)
 315     int f_nre_ = 0;
 316
 317     //! Index for constraints RMSD
 318     int iconrmsd_ = 0;
 319     /* !\brief How many constraints RMSD terms there are.
 320      * Usually 1 if LINCS is used and 0 otherwise)
 321      * nCrmsd > 0 indicates when constraints RMSD is saves, hence no boolean
 322      */
 323     int nCrmsd_ = 0;
 324
 325     //! Is the periodic box dynamic
 326     bool bDynBox_ = false;
 327     //! Index for box dimensions
 328     int ib_ = 0;
 329     //! Index for box volume
 330     int ivol_ = 0;
 331     //! Index for density
 332     int idens_ = 0;
 333     //! Triclinic box and not a rerun
 334     bool bDiagPres_ = false;
 335     //! Reference pressure, averaged over dimensions
 336     real ref_p_ = 0.0;
 337     //! Index for thermodynamic work (pV)
 338     int ipv_ = 0;
 339     //! Index for entalpy (pV + total energy)
 340     int ienthalpy_ = 0;
 341
 342     //! If we have pressure computed
 343     bool bPres_ = false;
 344     //! Index for total virial
 345     int ivir_ = 0;
 346     //! Index for pressure
 347     int ipres_ = 0;
 348     /*! \brief Index for surface tension
 349      * [(pres[ZZ][ZZ]-(pres[XX][XX]+pres[YY][YY])*0.5)*box[ZZ][ZZ]]*/
 350     int isurft_ = 0;
 351
 352     //! Pressure control scheme
 353     PressureCoupling epc_ = PressureCoupling::No;
 354     //! Index for velocity of the box borders
 355     int ipc_ = 0;
 356
 357     //! If dipole was calculated
 358     bool bMu_ = false;
 359     //! Index for the dipole
 360     int imu_ = 0;
 361
 362     //! Index for coseine acceleration used for viscocity calculation
 363     int ivcos_ = 0;
 364     //! Index for viscocity
 365     int ivisc_ = 0;
 366
 367     //! Which energy terms from NonBondedEnergyTerms list should be printed in group-to-group block
 368     gmx::EnumerationArray<NonBondedEnergyTerms, bool> bEInd_;
 369     //! Number of energy terms to be printed (these, for which bEInd[] == true)
 370     int nEc_ = 0;
 371     //! Number of energy output groups
 372     int nEg_ = 0;
 373     //! Number of intergroup energy sets to be printed for each energy term (nE = (nEg*(nEg+1))/2)
 374     int nE_ = 0;
 375     //! Indexes for integroup energy sets (each set with nEc energies)
 376     std::vector<int> igrp_;
 377
 378     //! Number of temperature coupling groups
 379     int nTC_ = 0;
 380     //! Index for temperature
 381     int itemp_ = 0;
 382
 383     //! Number of Nose-Hoover chains
 384     int nNHC_ = 0;
 385     //! Number of temperature coupling coefficients in case of NH Chains
 386     int mde_n_ = 0;
 387     //! Index for temperature coupling coefficient in case of NH chains
 388     int itc_ = 0;
 389
 390     //! Number of temperature coupling terms if the temperature control is dealt by barostat (MTTK case)
 391     int nTCP_ = 0;
 392     //! Scalling factors for temperaturs control in MTTK
 393     int mdeb_n_ = 0;
 394     //! Index for scalling factor of MTTK
 395     int itcb_ = 0;
 396
 397     //! Array to accumulate values during update
 398     std::vector<real> tmp_r_;
 399
 400     //! The dhdl.xvg output file
 401     FILE* fp_dhdl_ = nullptr;
 402     //! Whether the free-energy lambda moves dynamically between lambda states
 403     bool haveFepLambdaMoves_;
 404     //! Energy components for dhdl.xvg output
 405     std::vector<double> dE_;
 406     //! The delta U components (raw data + histogram)
 407     std::unique_ptr<t_mde_delta_h_coll> dhc_;
 408     //! Temperatures for simulated tempering groups
 409     std::vector<real> temperatures_;
 410
 411     //! For tracking the conserved or total energy
 412     std::unique_ptr<EnergyDriftTracker> conservedEnergyTracker_;
 413 };
 414
 415 } // namespace gmx
 416
 417 //! Open the dhdl file for output
 418 FILE* open_dhdl(const char* filename, const t_inputrec* ir, const gmx_output_env_t* oenv);
 419
 420 #endif