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
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  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
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  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_expanded;
  69 struct t_fcdata;
  70 struct t_grpopts;
  71 struct t_inputrec;
  72 struct t_lambda;
  73 class t_state;
  74
  75 struct t_mde_delta_h_coll;
  76
  77 namespace gmx
  78 {
  79 class Awh;
  80 class Constraints;
  81 struct MDModulesNotifiers;
  82 enum class StartingBehavior;
  83 } // namespace gmx
  84
  85 //! \brief Printed names for intergroup energies
  86 const char* enumValueToString(NonBondedEnergyTerms enumValue);
  87
  88 /* \brief delta_h block type enum: the kinds of energies written out. */
  89 enum
  90 {
  91     //! Delta H BAR energy difference
  92     dhbtDH = 0,
  93     //! dH/dlambda derivative
  94     dhbtDHDL = 1,
  95     //! System energy
  96     dhbtEN,
  97     //! pV term
  98     dhbtPV,
  99     //! Expanded ensemble statistics
 100     dhbtEXPANDED,
 101     //! Total number of energy types in this enum
 102     dhbtNR
 103 };
 104
 105 namespace gmx
 106 {
 107 class EnergyDriftTracker;
 108
 109 /*! \internal
 110  * \brief Arrays connected to Pressure and Temperature coupling
 111  */
 112 struct PTCouplingArrays
 113 {
 114     //! Box velocities for Parrinello-Rahman P-coupling.
 115     const rvec* boxv;
 116     //! Nose-Hoover coordinates.
 117     ArrayRef<const double> nosehoover_xi;
 118     //! Nose-Hoover velocities.
 119     ArrayRef<const double> nosehoover_vxi;
 120     //! Pressure Nose-Hoover coordinates.
 121     ArrayRef<const double> nhpres_xi;
 122     //! Pressure Nose-Hoover velocities.
 123     ArrayRef<const double> nhpres_vxi;
 124 };
 125
 126 /* Energy output class
 127  *
 128  * This is the collection of energy averages collected during mdrun, and to
 129  * be written out to the .edr file.
 130  *
 131  * \todo Use more std containers.
 132  * \todo Write free-energy output also to energy file (after adding more tests)
 133  */
 134 class EnergyOutput
 135 {
 136 public:
 137     /*! \brief Initiate MD energy bin
 138      *
 139      * \param[in] fp_ene     Energy output file.
 140      * \param[in] mtop       Topology.
 141      * \param[in] inputrec   Input parameters.
 142      * \param[in] pull_work  Pulling simulations data
 143      * \param[in] fp_dhdl    FEP file.
 144      * \param[in] isRerun    Is this is a rerun instead of the simulations.
 145      * \param[in] startingBehavior  Run starting behavior.
 146      * \param[in] simulationsShareState  Tells whether the physical state is shared over simulations
 147      * \param[in] mdModulesNotifiers Notifications to MD modules.
 148      */
 149     EnergyOutput(ener_file*                fp_ene,
 150                  const gmx_mtop_t&         mtop,
 151                  const t_inputrec&         inputrec,
 152                  const pull_t*             pull_work,
 153                  FILE*                     fp_dhdl,
 154                  bool                      isRerun,
 155                  StartingBehavior          startingBehavior,
 156                  bool                      simulationsShareState,
 157                  const MDModulesNotifiers& mdModulesNotifiers);
 158
 159     ~EnergyOutput();
 160
 161     /*! \brief Update the averaging structures.
 162      *
 163      * Called every step on which the thermodynamic values are evaluated.
 164      *
 165      * \param[in] bDoDHDL           Whether the FEP is enabled.
 166      * \param[in] bSum              If this stepshould be recorded to compute sums and averages.
 167      * \param[in] time              Current simulation time.
 168      * \param[in] tmass             Total mass
 169      * \param[in] enerd             Energy data object.
 170      * \param[in] fep               FEP data.
 171      * \param[in] expand            Expanded ensemble (for FEP).
 172      * \param[in] lastbox           PBC data.
 173      * \param[in] ptCouplingArrays  Arrays connected to pressure and temperature coupling.
 174      * \param[in] fep_state         The current alchemical state we are in.
 175      * \param[in] vir               Total virial.
 176      * \param[in] pres              Pressure.
 177      * \param[in] ekind             Kinetic energy data.
 178      * \param[in] mu_tot            Total dipole.
 179      * \param[in] constr            Constraints object to get RMSD from (for LINCS only).
 180      */
 181     void addDataAtEnergyStep(bool                    bDoDHDL,
 182                              bool                    bSum,
 183                              double                  time,
 184                              real                    tmass,
 185                              const gmx_enerdata_t*   enerd,
 186                              const t_lambda*         fep,
 187                              const t_expanded*       expand,
 188                              const matrix            lastbox,
 189                              PTCouplingArrays        ptCouplingArrays,
 190                              int                     fep_state,
 191                              const tensor            vir,
 192                              const tensor            pres,
 193                              const gmx_ekindata_t*   ekind,
 194                              const rvec              mu_tot,
 195                              const gmx::Constraints* constr);
 196
 197     /*! \brief Update the data averaging structure counts.
 198      *
 199      * Updates the number of steps, the values have not being computed.
 200      */
 201     void recordNonEnergyStep();
 202
 203     /*! \brief Writes current quantites to log and energy files.
 204      *
 205      * Prints current values of energies, pressure, temperature, restraint
 206      * data, etc. to energy output file and to the log file (if not nullptr).
 207      *
 208      * This function only does something useful when bEne || bDR || bOR || log.
 209      *
 210      * \todo Perhaps this responsibility should involve some other
 211      *       object visiting all the contributing objects.
 212      *
 213      * \param[in] fp_ene   Energy file for the output.
 214      * \param[in] bEne     If it is a step for energy output or last step.
 215      * \param[in] bDR      If it is a step of writing distance restraints.
 216      * \param[in] bOR      If it is a step of writing orientation restraints.
 217      * \param[in] log      Pointer to the log file.
 218      * \param[in] step     Current step.
 219      * \param[in] time     Current simulation time.
 220      * \param[in] fcd      Bonded force computation data,
 221      *                     including orientation and distance restraints.
 222      * \param[in] awh      AWH data.
 223      */
 224     void printStepToEnergyFile(ener_file* fp_ene,
 225                                bool       bEne,
 226                                bool       bDR,
 227                                bool       bOR,
 228                                FILE*      log,
 229                                int64_t    step,
 230                                double     time,
 231                                t_fcdata*  fcd,
 232                                gmx::Awh*  awh);
 233
 234     /*! \brief Print reference temperatures for annealing groups.
 235      *
 236      * Nothing is done if log is nullptr.
 237      *
 238      * \param[in] log     Log file to print to.
 239      * \param[in] groups  Information on atom groups.
 240      * \param[in] opts    Atom temperature coupling groups options
 241      *                    (annealing is done by groups).
 242      */
 243     static void printAnnealingTemperatures(FILE* log, const SimulationGroups* groups, const t_grpopts* opts);
 244
 245     /*! \brief Prints average values to log file.
 246      *
 247      * This is called at the end of the simulation run to print accumulated average values.
 248      * Nothing it done if log is nullptr.
 249      *
 250      * \param[in]   log      Where to print.
 251      * \param[in]   groups   Atom groups.
 252      */
 253     void printAverages(FILE* log, const SimulationGroups* groups);
 254
 255     /*! \brief Get the number of thermodynamic terms recorded.
 256      *
 257      * \todo Refactor this to return the expected output size,
 258      *       rather than exposing the implementation details about
 259      *       thermodynamic terms.
 260      *
 261      * \returns Number of thermodynamic terms.
 262      */
 263     int numEnergyTerms() const;
 264
 265     /*! \brief Fill the energyhistory_t data.
 266      *
 267      * Between .edr writes, the averages are history dependent,
 268      * and that history needs to be retained in checkpoints.
 269      * These functions set/read the energyhistory_t class
 270      * that is written to checkpoints.
 271      *
 272      * \param[out] enerhist  Energy history data structure.
 273      */
 274     void fillEnergyHistory(energyhistory_t* enerhist) const;
 275
 276     /*! \brief Restore from energyhistory_t data.
 277      *
 278      * \param[in] enerhist  Energy history data structure.
 279      */
 280     void restoreFromEnergyHistory(const energyhistory_t& enerhist);
 281
 282     //! Print an output header to the log file.
 283     static void printHeader(FILE* log, int64_t steps, double time);
 284
 285     /*! \brief Print conserved energy drift message to \p fplog
 286      *
 287      * Note that this is only over the current run (times are printed),
 288      * this is not from the original start time for runs with continuation.
 289      * This has the advantage that one can find if conservation issues are
 290      * from the current run with the current settings on the current hardware.
 291      */
 292     void printEnergyConservation(FILE* fplog, int simulationPart, bool usingMdIntegrator) const;
 293
 294 private:
 295     //! Timestep
 296     double delta_t_ = 0;
 297
 298     //! Structure to store energy components and their running averages
 299     t_ebin* ebin_ = nullptr;
 300
 301     //! Is the periodic box triclinic
 302     bool bTricl_ = false;
 303     //! NHC trotter is used
 304     bool bNHC_trotter_ = false;
 305     //! If Nose-Hoover chains should be printed
 306     bool bPrintNHChains_ = false;
 307     //! If MTTK integrator was used
 308     bool bMTTK_ = false;
 309
 310     //! Temperature control scheme
 311     TemperatureCoupling etc_ = TemperatureCoupling::No;
 312
 313     //! Which of the main energy terms should be printed
 314     bool bEner_[F_NRE] = { false };
 315     //! Index for main energy terms
 316     int ie_ = 0;
 317     //! Number of energy terms from F_NRE list to be saved (i.e. number of 'true' in bEner)
 318     int f_nre_ = 0;
 319
 320     //! Index for constraints RMSD
 321     int iconrmsd_ = 0;
 322     /* !\brief How many constraints RMSD terms there are.
 323      * Usually 1 if LINCS is used and 0 otherwise)
 324      * nCrmsd > 0 indicates when constraints RMSD is saves, hence no boolean
 325      */
 326     int nCrmsd_ = 0;
 327
 328     //! Is the periodic box dynamic
 329     bool bDynBox_ = false;
 330     //! Index for box dimensions
 331     int ib_ = 0;
 332     //! Index for box volume
 333     int ivol_ = 0;
 334     //! Index for density
 335     int idens_ = 0;
 336     //! Triclinic box and not a rerun
 337     bool bDiagPres_ = false;
 338     //! Reference pressure, averaged over dimensions
 339     real ref_p_ = 0.0;
 340     //! Index for thermodynamic work (pV)
 341     int ipv_ = 0;
 342     //! Index for entalpy (pV + total energy)
 343     int ienthalpy_ = 0;
 344
 345     //! If we have pressure computed
 346     bool bPres_ = false;
 347     //! Index for total virial
 348     int ivir_ = 0;
 349     //! Index for pressure
 350     int ipres_ = 0;
 351     /*! \brief Index for surface tension
 352      * [(pres[ZZ][ZZ]-(pres[XX][XX]+pres[YY][YY])*0.5)*box[ZZ][ZZ]]*/
 353     int isurft_ = 0;
 354
 355     //! Pressure control scheme
 356     PressureCoupling epc_ = PressureCoupling::No;
 357     //! Index for velocity of the box borders
 358     int ipc_ = 0;
 359
 360     //! If dipole was calculated
 361     bool bMu_ = false;
 362     //! Index for the dipole
 363     int imu_ = 0;
 364
 365     //! Index for coseine acceleration used for viscocity calculation
 366     int ivcos_ = 0;
 367     //! Index for viscocity
 368     int ivisc_ = 0;
 369
 370     //! Which energy terms from NonBondedEnergyTerms list should be printed in group-to-group block
 371     gmx::EnumerationArray<NonBondedEnergyTerms, bool> bEInd_;
 372     //! Number of energy terms to be printed (these, for which bEInd[] == true)
 373     int nEc_ = 0;
 374     //! Number of energy output groups
 375     int nEg_ = 0;
 376     //! Number of intergroup energy sets to be printed for each energy term (nE = (nEg*(nEg+1))/2)
 377     int nE_ = 0;
 378     //! Indexes for integroup energy sets (each set with nEc energies)
 379     std::vector<int> igrp_;
 380
 381     //! Number of temperature coupling groups
 382     int nTC_ = 0;
 383     //! Index for temperature
 384     int itemp_ = 0;
 385
 386     //! Number of Nose-Hoover chains
 387     int nNHC_ = 0;
 388     //! Number of temperature coupling coefficients in case of NH Chains
 389     int mde_n_ = 0;
 390     //! Index for temperature coupling coefficient in case of NH chains
 391     int itc_ = 0;
 392
 393     //! Number of temperature coupling terms if the temperature control is dealt by barostat (MTTK case)
 394     int nTCP_ = 0;
 395     //! Scalling factors for temperaturs control in MTTK
 396     int mdeb_n_ = 0;
 397     //! Index for scalling factor of MTTK
 398     int itcb_ = 0;
 399
 400     //! Array to accumulate values during update
 401     std::vector<real> tmp_r_;
 402
 403     //! The dhdl.xvg output file
 404     FILE* fp_dhdl_ = nullptr;
 405     //! Energy components for dhdl.xvg output
 406     std::vector<double> dE_;
 407     //! The delta U components (raw data + histogram)
 408     std::unique_ptr<t_mde_delta_h_coll> dhc_;
 409     //! Temperatures for simulated tempering groups
 410     std::vector<real> temperatures_;
 411
 412     //! For tracking the conserved or total energy
 413     std::unique_ptr<EnergyDriftTracker> conservedEnergyTracker_;
 414 };
 415
 416 } // namespace gmx
 417
 418 //! Open the dhdl file for output
 419 FILE* open_dhdl(const char* filename, const t_inputrec* ir, const gmx_output_env_t* oenv);
 420
 421 #endif