src/gromacs/mdlib/shellfc.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2008, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include "gromacs/legacyheaders/shellfc.h"
  40
  41 #include <stdlib.h>
  42 #include <string.h>
  43
  44 #include "gromacs/legacyheaders/chargegroup.h"
  45 #include "gromacs/legacyheaders/constr.h"
  46 #include "gromacs/legacyheaders/domdec.h"
  47 #include "gromacs/legacyheaders/force.h"
  48 #include "gromacs/legacyheaders/macros.h"
  49 #include "gromacs/legacyheaders/mdatoms.h"
  50 #include "gromacs/legacyheaders/mdrun.h"
  51 #include "gromacs/legacyheaders/names.h"
  52 #include "gromacs/legacyheaders/network.h"
  53 #include "gromacs/legacyheaders/txtdump.h"
  54 #include "gromacs/legacyheaders/typedefs.h"
  55 #include "gromacs/legacyheaders/vsite.h"
  56 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
  57 #include "gromacs/math/units.h"
  58 #include "gromacs/math/vec.h"
  59 #include "gromacs/pbcutil/mshift.h"
  60 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  61 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  62 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  63 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  64
  65 typedef struct {
  66     int     nnucl;
  67     atom_id shell;               /* The shell id                                */
  68     atom_id nucl1, nucl2, nucl3; /* The nuclei connected to the shell   */
  69     /* gmx_bool    bInterCG; */       /* Coupled to nuclei outside cg?        */
  70     real    k;                   /* force constant                      */
  71     real    k_1;                 /* 1 over force constant               */
  72     rvec    xold;
  73     rvec    fold;
  74     rvec    step;
  75 } t_shell;
  76
  77 typedef struct gmx_shellfc {
  78     int         nshell_gl;      /* The number of shells in the system       */
  79     t_shell    *shell_gl;       /* All the shells (for DD only)             */
  80     int        *shell_index_gl; /* Global shell index (for DD only)         */
  81     gmx_bool    bInterCG;       /* Are there inter charge-group shells?     */
  82     int         nshell;         /* The number of local shells               */
  83     t_shell    *shell;          /* The local shells                         */
  84     int         shell_nalloc;   /* The allocation size of shell             */
  85     gmx_bool    bPredict;       /* Predict shell positions                  */
  86     gmx_bool    bRequireInit;   /* Require initialization of shell positions  */
  87     int         nflexcon;       /* The number of flexible constraints       */
  88     rvec       *x[2];           /* Array for iterative minimization         */
  89     rvec       *f[2];           /* Array for iterative minimization         */
  90     int         x_nalloc;       /* The allocation size of x and f           */
  91     rvec       *acc_dir;        /* Acceleration direction for flexcon       */
  92     rvec       *x_old;          /* Old coordinates for flexcon              */
  93     int         flex_nalloc;    /* The allocation size of acc_dir and x_old */
  94     rvec       *adir_xnold;     /* Work space for init_adir                 */
  95     rvec       *adir_xnew;      /* Work space for init_adir                 */
  96     int         adir_nalloc;    /* Work space for init_adir                 */
  97 } t_gmx_shellfc;
  98
  99
 100 static void pr_shell(FILE *fplog, int ns, t_shell s[])
 101 {
 102     int i;
 103
 104     fprintf(fplog, "SHELL DATA\n");
 105     fprintf(fplog, "%5s  %8s  %5s  %5s  %5s\n",
 106             "Shell", "Force k", "Nucl1", "Nucl2", "Nucl3");
 107     for (i = 0; (i < ns); i++)
 108     {
 109         fprintf(fplog, "%5d  %8.3f  %5d", s[i].shell, 1.0/s[i].k_1, s[i].nucl1);
 110         if (s[i].nnucl == 2)
 111         {
 112             fprintf(fplog, "  %5d\n", s[i].nucl2);
 113         }
 114         else if (s[i].nnucl == 3)
 115         {
 116             fprintf(fplog, "  %5d  %5d\n", s[i].nucl2, s[i].nucl3);
 117         }
 118         else
 119         {
 120             fprintf(fplog, "\n");
 121         }
 122     }
 123 }
 124
 125 static void predict_shells(FILE *fplog, rvec x[], rvec v[], real dt,
 126                            int ns, t_shell s[],
 127                            real mass[], gmx_mtop_t *mtop, gmx_bool bInit)
 128 {
 129     int                   i, m, s1, n1, n2, n3;
 130     real                  dt_1, dt_2, dt_3, fudge, tm, m1, m2, m3;
 131     rvec                 *ptr;
 132     gmx_mtop_atomlookup_t alook = NULL;
 133     t_atom               *atom;
 134
 135     if (mass == NULL)
 136     {
 137         alook = gmx_mtop_atomlookup_init(mtop);
 138     }
 139
 140     /* We introduce a fudge factor for performance reasons: with this choice
 141      * the initial force on the shells is about a factor of two lower than
 142      * without
 143      */
 144     fudge = 1.0;
 145
 146     if (bInit)
 147     {
 148         if (fplog)
 149         {
 150             fprintf(fplog, "RELAX: Using prediction for initial shell placement\n");
 151         }
 152         ptr  = x;
 153         dt_1 = 1;
 154     }
 155     else
 156     {
 157         ptr  = v;
 158         dt_1 = fudge*dt;
 159     }
 160
 161     for (i = 0; (i < ns); i++)
 162     {
 163         s1 = s[i].shell;
 164         if (bInit)
 165         {
 166             clear_rvec(x[s1]);
 167         }
 168         switch (s[i].nnucl)
 169         {
 170             case 1:
 171                 n1 = s[i].nucl1;
 172                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
 173                 {
 174                     x[s1][m] += ptr[n1][m]*dt_1;
 175                 }
 176                 break;
 177             case 2:
 178                 n1 = s[i].nucl1;
 179                 n2 = s[i].nucl2;
 180                 if (mass)
 181                 {
 182                     m1 = mass[n1];
 183                     m2 = mass[n2];
 184                 }
 185                 else
 186                 {
 187                     /* Not the correct masses with FE, but it is just a prediction... */
 188                     m1 = atom[n1].m;
 189                     m2 = atom[n2].m;
 190                 }
 191                 tm = dt_1/(m1+m2);
 192                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
 193                 {
 194                     x[s1][m] += (m1*ptr[n1][m]+m2*ptr[n2][m])*tm;
 195                 }
 196                 break;
 197             case 3:
 198                 n1 = s[i].nucl1;
 199                 n2 = s[i].nucl2;
 200                 n3 = s[i].nucl3;
 201                 if (mass)
 202                 {
 203                     m1 = mass[n1];
 204                     m2 = mass[n2];
 205                     m3 = mass[n3];
 206                 }
 207                 else
 208                 {
 209                     /* Not the correct masses with FE, but it is just a prediction... */
 210                     gmx_mtop_atomnr_to_atom(alook, n1, &atom);
 211                     m1 = atom->m;
 212                     gmx_mtop_atomnr_to_atom(alook, n2, &atom);
 213                     m2 = atom->m;
 214                     gmx_mtop_atomnr_to_atom(alook, n3, &atom);
 215                     m3 = atom->m;
 216                 }
 217                 tm = dt_1/(m1+m2+m3);
 218                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
 219                 {
 220                     x[s1][m] += (m1*ptr[n1][m]+m2*ptr[n2][m]+m3*ptr[n3][m])*tm;
 221                 }
 222                 break;
 223             default:
 224                 gmx_fatal(FARGS, "Shell %d has %d nuclei!", i, s[i].nnucl);
 225         }
 226     }
 227
 228     if (mass == NULL)
 229     {
 230         gmx_mtop_atomlookup_destroy(alook);
 231     }
 232 }
 233
 234 gmx_shellfc_t init_shell_flexcon(FILE *fplog,
 235                                  gmx_mtop_t *mtop, int nflexcon,
 236                                  rvec *x)
 237 {
 238     struct gmx_shellfc       *shfc;
 239     t_shell                  *shell;
 240     int                      *shell_index = NULL, *at2cg;
 241     t_atom                   *atom;
 242     int                       n[eptNR], ns, nshell, nsi;
 243     int                       i, j, nmol, type, mb, mt, a_offset, cg, mol, ftype, nra;
 244     real                      qS, alpha;
 245     int                       aS, aN = 0; /* Shell and nucleus */
 246     int                       bondtypes[] = { F_BONDS, F_HARMONIC, F_CUBICBONDS, F_POLARIZATION, F_ANHARM_POL, F_WATER_POL };
 247 #define NBT asize(bondtypes)
 248     t_iatom                  *ia;
 249     gmx_mtop_atomloop_block_t aloopb;
 250     gmx_mtop_atomloop_all_t   aloop;
 251     gmx_ffparams_t           *ffparams;
 252     gmx_molblock_t           *molb;
 253     gmx_moltype_t            *molt;
 254     t_block                  *cgs;
 255
 256     /* Count number of shells, and find their indices */
 257     for (i = 0; (i < eptNR); i++)
 258     {
 259         n[i] = 0;
 260     }
 261
 262     aloopb = gmx_mtop_atomloop_block_init(mtop);
 263     while (gmx_mtop_atomloop_block_next(aloopb, &atom, &nmol))
 264     {
 265         n[atom->ptype] += nmol;
 266     }
 267
 268     if (fplog)
 269     {
 270         /* Print the number of each particle type */
 271         for (i = 0; (i < eptNR); i++)
 272         {
 273             if (n[i] != 0)
 274             {
 275                 fprintf(fplog, "There are: %d %ss\n", n[i], ptype_str[i]);
 276             }
 277         }
 278     }
 279
 280     nshell = n[eptShell];
 281
 282     if (nshell == 0 && nflexcon == 0)
 283     {
 284         /* We're not doing shells or flexible constraints */
 285         return NULL;
 286     }
 287
 288     snew(shfc, 1);
 289     shfc->nflexcon = nflexcon;
 290
 291     if (nshell == 0)
 292     {
 293         return shfc;
 294     }
 295
 296     /* We have shells: fill the shell data structure */
 297
 298     /* Global system sized array, this should be avoided */
 299     snew(shell_index, mtop->natoms);
 300
 301     aloop  = gmx_mtop_atomloop_all_init(mtop);
 302     nshell = 0;
 303     while (gmx_mtop_atomloop_all_next(aloop, &i, &atom))
 304     {
 305         if (atom->ptype == eptShell)
 306         {
 307             shell_index[i] = nshell++;
 308         }
 309     }
 310
 311     snew(shell, nshell);
 312
 313     /* Initiate the shell structures */
 314     for (i = 0; (i < nshell); i++)
 315     {
 316         shell[i].shell = NO_ATID;
 317         shell[i].nnucl = 0;
 318         shell[i].nucl1 = NO_ATID;
 319         shell[i].nucl2 = NO_ATID;
 320         shell[i].nucl3 = NO_ATID;
 321         /* shell[i].bInterCG=FALSE; */
 322         shell[i].k_1   = 0;
 323         shell[i].k     = 0;
 324     }
 325
 326     ffparams = &mtop->ffparams;
 327
 328     /* Now fill the structures */
 329     shfc->bInterCG = FALSE;
 330     ns             = 0;
 331     a_offset       = 0;
 332     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 333     {
 334         molb = &mtop->molblock[mb];
 335         molt = &mtop->moltype[molb->type];
 336
 337         cgs = &molt->cgs;
 338         snew(at2cg, molt->atoms.nr);
 339         for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 340         {
 341             for (i = cgs->index[cg]; i < cgs->index[cg+1]; i++)
 342             {
 343                 at2cg[i] = cg;
 344             }
 345         }
 346
 347         atom = molt->atoms.atom;
 348         for (mol = 0; mol < molb->nmol; mol++)
 349         {
 350             for (j = 0; (j < NBT); j++)
 351             {
 352                 ia = molt->ilist[bondtypes[j]].iatoms;
 353                 for (i = 0; (i < molt->ilist[bondtypes[j]].nr); )
 354                 {
 355                     type  = ia[0];
 356                     ftype = ffparams->functype[type];
 357                     nra   = interaction_function[ftype].nratoms;
 358
 359                     /* Check whether we have a bond with a shell */
 360                     aS = NO_ATID;
 361
 362                     switch (bondtypes[j])
 363                     {
 364                         case F_BONDS:
 365                         case F_HARMONIC:
 366                         case F_CUBICBONDS:
 367                         case F_POLARIZATION:
 368                         case F_ANHARM_POL:
 369                             if (atom[ia[1]].ptype == eptShell)
 370                             {
 371                                 aS = ia[1];
 372                                 aN = ia[2];
 373                             }
 374                             else if (atom[ia[2]].ptype == eptShell)
 375                             {
 376                                 aS = ia[2];
 377                                 aN = ia[1];
 378                             }
 379                             break;
 380                         case F_WATER_POL:
 381                             aN    = ia[4]; /* Dummy */
 382                             aS    = ia[5]; /* Shell */
 383                             break;
 384                         default:
 385                             gmx_fatal(FARGS, "Death Horror: %s, %d", __FILE__, __LINE__);
 386                     }
 387
 388                     if (aS != NO_ATID)
 389                     {
 390                         qS = atom[aS].q;
 391
 392                         /* Check whether one of the particles is a shell... */
 393                         nsi = shell_index[a_offset+aS];
 394                         if ((nsi < 0) || (nsi >= nshell))
 395                         {
 396                             gmx_fatal(FARGS, "nsi is %d should be within 0 - %d. aS = %d",
 397                                       nsi, nshell, aS);
 398                         }
 399                         if (shell[nsi].shell == NO_ATID)
 400                         {
 401                             shell[nsi].shell = a_offset + aS;
 402                             ns++;
 403                         }
 404                         else if (shell[nsi].shell != a_offset+aS)
 405                         {
 406                             gmx_fatal(FARGS, "Weird stuff in %s, %d", __FILE__, __LINE__);
 407                         }
 408
 409                         if      (shell[nsi].nucl1 == NO_ATID)
 410                         {
 411                             shell[nsi].nucl1 = a_offset + aN;
 412                         }
 413                         else if (shell[nsi].nucl2 == NO_ATID)
 414                         {
 415                             shell[nsi].nucl2 = a_offset + aN;
 416                         }
 417                         else if (shell[nsi].nucl3 == NO_ATID)
 418                         {
 419                             shell[nsi].nucl3 = a_offset + aN;
 420                         }
 421                         else
 422                         {
 423                             if (fplog)
 424                             {
 425                                 pr_shell(fplog, ns, shell);
 426                             }
 427                             gmx_fatal(FARGS, "Can not handle more than three bonds per shell\n");
 428                         }
 429                         if (at2cg[aS] != at2cg[aN])
 430                         {
 431                             /* shell[nsi].bInterCG = TRUE; */
 432                             shfc->bInterCG = TRUE;
 433                         }
 434
 435                         switch (bondtypes[j])
 436                         {
 437                             case F_BONDS:
 438                             case F_HARMONIC:
 439                                 shell[nsi].k    += ffparams->iparams[type].harmonic.krA;
 440                                 break;
 441                             case F_CUBICBONDS:
 442                                 shell[nsi].k    += ffparams->iparams[type].cubic.kb;
 443                                 break;
 444                             case F_POLARIZATION:
 445                             case F_ANHARM_POL:
 446                                 if (!gmx_within_tol(qS, atom[aS].qB, GMX_REAL_EPS*10))
 447                                 {
 448                                     gmx_fatal(FARGS, "polarize can not be used with qA(%e) != qB(%e) for atom %d of molecule block %d", qS, atom[aS].qB, aS+1, mb+1);
 449                                 }
 450                                 shell[nsi].k    += sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/
 451                                     ffparams->iparams[type].polarize.alpha;
 452                                 break;
 453                             case F_WATER_POL:
 454                                 if (!gmx_within_tol(qS, atom[aS].qB, GMX_REAL_EPS*10))
 455                                 {
 456                                     gmx_fatal(FARGS, "water_pol can not be used with qA(%e) != qB(%e) for atom %d of molecule block %d", qS, atom[aS].qB, aS+1, mb+1);
 457                                 }
 458                                 alpha          = (ffparams->iparams[type].wpol.al_x+
 459                                                   ffparams->iparams[type].wpol.al_y+
 460                                                   ffparams->iparams[type].wpol.al_z)/3.0;
 461                                 shell[nsi].k  += sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/alpha;
 462                                 break;
 463                             default:
 464                                 gmx_fatal(FARGS, "Death Horror: %s, %d", __FILE__, __LINE__);
 465                         }
 466                         shell[nsi].nnucl++;
 467                     }
 468                     ia += nra+1;
 469                     i  += nra+1;
 470                 }
 471             }
 472             a_offset += molt->atoms.nr;
 473         }
 474         /* Done with this molecule type */
 475         sfree(at2cg);
 476     }
 477
 478     /* Verify whether it's all correct */
 479     if (ns != nshell)
 480     {
 481         gmx_fatal(FARGS, "Something weird with shells. They may not be bonded to something");
 482     }
 483
 484     for (i = 0; (i < ns); i++)
 485     {
 486         shell[i].k_1 = 1.0/shell[i].k;
 487     }
 488
 489     if (debug)
 490     {
 491         pr_shell(debug, ns, shell);
 492     }
 493
 494
 495     shfc->nshell_gl      = ns;
 496     shfc->shell_gl       = shell;
 497     shfc->shell_index_gl = shell_index;
 498
 499     shfc->bPredict     = (getenv("GMX_NOPREDICT") == NULL);
 500     shfc->bRequireInit = FALSE;
 501     if (!shfc->bPredict)
 502     {
 503         if (fplog)
 504         {
 505             fprintf(fplog, "\nWill never predict shell positions\n");
 506         }
 507     }
 508     else
 509     {
 510         shfc->bRequireInit = (getenv("GMX_REQUIRE_SHELL_INIT") != NULL);
 511         if (shfc->bRequireInit && fplog)
 512         {
 513             fprintf(fplog, "\nWill always initiate shell positions\n");
 514         }
 515     }
 516
 517     if (shfc->bPredict)
 518     {
 519         if (x)
 520         {
 521             predict_shells(fplog, x, NULL, 0, shfc->nshell_gl, shfc->shell_gl,
 522                            NULL, mtop, TRUE);
 523         }
 524
 525         if (shfc->bInterCG)
 526         {
 527             if (fplog)
 528             {
 529                 fprintf(fplog, "\nNOTE: there all shells that are connected to particles outside thier own charge group, will not predict shells positions during the run\n\n");
 530             }
 531             /* Prediction improves performance, so we should implement either:
 532              * 1. communication for the atoms needed for prediction
 533              * 2. prediction using the velocities of shells; currently the
 534              *    shell velocities are zeroed, it's a bit tricky to keep
 535              *    track of the shell displacements and thus the velocity.
 536              */
 537             shfc->bPredict = FALSE;
 538         }
 539     }
 540
 541     return shfc;
 542 }
 543
 544 void make_local_shells(t_commrec *cr, t_mdatoms *md,
 545                        struct gmx_shellfc *shfc)
 546 {
 547     t_shell      *shell;
 548     int           a0, a1, *ind, nshell, i;
 549     gmx_domdec_t *dd = NULL;
 550
 551     if (DOMAINDECOMP(cr))
 552     {
 553         dd = cr->dd;
 554         a0 = 0;
 555         a1 = dd->nat_home;
 556     }
 557     else
 558     {
 559         /* Single node: we need all shells, just copy the pointer */
 560         shfc->nshell = shfc->nshell_gl;
 561         shfc->shell  = shfc->shell_gl;
 562
 563         return;
 564     }
 565
 566     ind = shfc->shell_index_gl;
 567
 568     nshell = 0;
 569     shell  = shfc->shell;
 570     for (i = a0; i < a1; i++)
 571     {
 572         if (md->ptype[i] == eptShell)
 573         {
 574             if (nshell+1 > shfc->shell_nalloc)
 575             {
 576                 shfc->shell_nalloc = over_alloc_dd(nshell+1);
 577                 srenew(shell, shfc->shell_nalloc);
 578             }
 579             if (dd)
 580             {
 581                 shell[nshell] = shfc->shell_gl[ind[dd->gatindex[i]]];
 582             }
 583             else
 584             {
 585                 shell[nshell] = shfc->shell_gl[ind[i]];
 586             }
 587
 588             /* With inter-cg shells we can no do shell prediction,
 589              * so we do not need the nuclei numbers.
 590              */
 591             if (!shfc->bInterCG)
 592             {
 593                 shell[nshell].nucl1   = i + shell[nshell].nucl1 - shell[nshell].shell;
 594                 if (shell[nshell].nnucl > 1)
 595                 {
 596                     shell[nshell].nucl2 = i + shell[nshell].nucl2 - shell[nshell].shell;
 597                 }
 598                 if (shell[nshell].nnucl > 2)
 599                 {
 600                     shell[nshell].nucl3 = i + shell[nshell].nucl3 - shell[nshell].shell;
 601                 }
 602             }
 603             shell[nshell].shell = i;
 604             nshell++;
 605         }
 606     }
 607
 608     shfc->nshell = nshell;
 609     shfc->shell  = shell;
 610 }
 611
 612 static void do_1pos(rvec xnew, rvec xold, rvec f, real step)
 613 {
 614     real xo, yo, zo;
 615     real dx, dy, dz;
 616
 617     xo = xold[XX];
 618     yo = xold[YY];
 619     zo = xold[ZZ];
 620
 621     dx = f[XX]*step;
 622     dy = f[YY]*step;
 623     dz = f[ZZ]*step;
 624
 625     xnew[XX] = xo+dx;
 626     xnew[YY] = yo+dy;
 627     xnew[ZZ] = zo+dz;
 628 }
 629
 630 static void do_1pos3(rvec xnew, rvec xold, rvec f, rvec step)
 631 {
 632     real xo, yo, zo;
 633     real dx, dy, dz;
 634
 635     xo = xold[XX];
 636     yo = xold[YY];
 637     zo = xold[ZZ];
 638
 639     dx = f[XX]*step[XX];
 640     dy = f[YY]*step[YY];
 641     dz = f[ZZ]*step[ZZ];
 642
 643     xnew[XX] = xo+dx;
 644     xnew[YY] = yo+dy;
 645     xnew[ZZ] = zo+dz;
 646 }
 647
 648 static void directional_sd(rvec xold[], rvec xnew[], rvec acc_dir[],
 649                            int start, int homenr, real step)
 650 {
 651     int  i;
 652
 653     for (i = start; i < homenr; i++)
 654     {
 655         do_1pos(xnew[i], xold[i], acc_dir[i], step);
 656     }
 657 }
 658
 659 static void shell_pos_sd(rvec xcur[], rvec xnew[], rvec f[],
 660                          int ns, t_shell s[], int count)
 661 {
 662     const real step_scale_min       = 0.8,
 663                step_scale_increment = 0.2,
 664                step_scale_max       = 1.2,
 665                step_scale_multiple  = (step_scale_max - step_scale_min) / step_scale_increment;
 666     int  i, shell, d;
 667     real dx, df, k_est;
 668 #ifdef PRINT_STEP
 669     real step_min, step_max;
 670
 671     step_min = 1e30;
 672     step_max = 0;
 673 #endif
 674     for (i = 0; (i < ns); i++)
 675     {
 676         shell = s[i].shell;
 677         if (count == 1)
 678         {
 679             for (d = 0; d < DIM; d++)
 680             {
 681                 s[i].step[d] = s[i].k_1;
 682 #ifdef PRINT_STEP
 683                 step_min = min(step_min, s[i].step[d]);
 684                 step_max = max(step_max, s[i].step[d]);
 685 #endif
 686             }
 687         }
 688         else
 689         {
 690             for (d = 0; d < DIM; d++)
 691             {
 692                 dx = xcur[shell][d] - s[i].xold[d];
 693                 df =    f[shell][d] - s[i].fold[d];
 694                 /* -dx/df gets used to generate an interpolated value, but would
 695                  * cause a NaN if df were binary-equal to zero. Values close to
 696                  * zero won't cause problems (because of the min() and max()), so
 697                  * just testing for binary inequality is OK. */
 698                 if (0.0 != df)
 699                 {
 700                     k_est = -dx/df;
 701                     /* Scale the step size by a factor interpolated from
 702                      * step_scale_min to step_scale_max, as k_est goes from 0 to
 703                      * step_scale_multiple * s[i].step[d] */
 704                     s[i].step[d] =
 705                         step_scale_min * s[i].step[d] +
 706                         step_scale_increment * min(step_scale_multiple * s[i].step[d], max(k_est, 0));
 707                 }
 708                 else
 709                 {
 710                     /* Here 0 == df */
 711                     if (gmx_numzero(dx)) /* 0 == dx */
 712                     {
 713                         /* Likely this will never happen, but if it does just
 714                          * don't scale the step. */
 715                     }
 716                     else /* 0 != dx */
 717                     {
 718                         s[i].step[d] *= step_scale_max;
 719                     }
 720                 }
 721 #ifdef PRINT_STEP
 722                 step_min = min(step_min, s[i].step[d]);
 723                 step_max = max(step_max, s[i].step[d]);
 724 #endif
 725             }
 726         }
 727         copy_rvec(xcur[shell], s[i].xold);
 728         copy_rvec(f[shell],   s[i].fold);
 729
 730         do_1pos3(xnew[shell], xcur[shell], f[shell], s[i].step);
 731
 732         if (gmx_debug_at)
 733         {
 734             fprintf(debug, "shell[%d] = %d\n", i, shell);
 735             pr_rvec(debug, 0, "fshell", f[shell], DIM, TRUE);
 736             pr_rvec(debug, 0, "xold", xcur[shell], DIM, TRUE);
 737             pr_rvec(debug, 0, "step", s[i].step, DIM, TRUE);
 738             pr_rvec(debug, 0, "xnew", xnew[shell], DIM, TRUE);
 739         }
 740     }
 741 #ifdef PRINT_STEP
 742     printf("step %.3e %.3e\n", step_min, step_max);
 743 #endif
 744 }
 745
 746 static void decrease_step_size(int nshell, t_shell s[])
 747 {
 748     int i;
 749
 750     for (i = 0; i < nshell; i++)
 751     {
 752         svmul(0.8, s[i].step, s[i].step);
 753     }
 754 }
 755
 756 static void print_epot(FILE *fp, gmx_int64_t mdstep, int count, real epot, real df,
 757                        int ndir, real sf_dir)
 758 {
 759     char buf[22];
 760
 761     fprintf(fp, "MDStep=%5s/%2d EPot: %12.8e, rmsF: %6.2e",
 762             gmx_step_str(mdstep, buf), count, epot, df);
 763     if (ndir)
 764     {
 765         fprintf(fp, ", dir. rmsF: %6.2e\n", sqrt(sf_dir/ndir));
 766     }
 767     else
 768     {
 769         fprintf(fp, "\n");
 770     }
 771 }
 772
 773
 774 static real rms_force(t_commrec *cr, rvec f[], int ns, t_shell s[],
 775                       int ndir, real *sf_dir, real *Epot)
 776 {
 777     int    i, shell, ntot;
 778     double buf[4];
 779
 780     buf[0] = *sf_dir;
 781     for (i = 0; i < ns; i++)
 782     {
 783         shell    = s[i].shell;
 784         buf[0]  += norm2(f[shell]);
 785     }
 786     ntot = ns;
 787
 788     if (PAR(cr))
 789     {
 790         buf[1] = ntot;
 791         buf[2] = *sf_dir;
 792         buf[3] = *Epot;
 793         gmx_sumd(4, buf, cr);
 794         ntot    = (int)(buf[1] + 0.5);
 795         *sf_dir = buf[2];
 796         *Epot   = buf[3];
 797     }
 798     ntot += ndir;
 799
 800     return (ntot ? sqrt(buf[0]/ntot) : 0);
 801 }
 802
 803 static void check_pbc(FILE *fp, rvec x[], int shell)
 804 {
 805     int m, now;
 806
 807     now = shell-4;
 808     for (m = 0; (m < DIM); m++)
 809     {
 810         if (fabs(x[shell][m]-x[now][m]) > 0.3)
 811         {
 812             pr_rvecs(fp, 0, "SHELL-X", x+now, 5);
 813             break;
 814         }
 815     }
 816 }
 817
 818 static void dump_shells(FILE *fp, rvec x[], rvec f[], real ftol, int ns, t_shell s[])
 819 {
 820     int  i, shell;
 821     real ft2, ff2;
 822
 823     ft2 = sqr(ftol);
 824
 825     for (i = 0; (i < ns); i++)
 826     {
 827         shell = s[i].shell;
 828         ff2   = iprod(f[shell], f[shell]);
 829         if (ff2 > ft2)
 830         {
 831             fprintf(fp, "SHELL %5d, force %10.5f  %10.5f  %10.5f, |f| %10.5f\n",
 832                     shell, f[shell][XX], f[shell][YY], f[shell][ZZ], sqrt(ff2));
 833         }
 834         check_pbc(fp, x, shell);
 835     }
 836 }
 837
 838 static void init_adir(FILE *log, gmx_shellfc_t shfc,
 839                       gmx_constr_t constr, t_idef *idef, t_inputrec *ir,
 840                       t_commrec *cr, int dd_ac1,
 841                       gmx_int64_t step, t_mdatoms *md, int start, int end,
 842                       rvec *x_old, rvec *x_init, rvec *x,
 843                       rvec *f, rvec *acc_dir,
 844                       gmx_bool bMolPBC, matrix box,
 845                       real *lambda, real *dvdlambda, t_nrnb *nrnb)
 846 {
 847     rvec           *xnold, *xnew;
 848     double          w_dt;
 849     int             gf, ga, gt;
 850     real            dt, scale;
 851     int             n, d;
 852     unsigned short *ptype;
 853     rvec            p, dx;
 854
 855     if (DOMAINDECOMP(cr))
 856     {
 857         n = dd_ac1;
 858     }
 859     else
 860     {
 861         n = end - start;
 862     }
 863     if (n > shfc->adir_nalloc)
 864     {
 865         shfc->adir_nalloc = over_alloc_dd(n);
 866         srenew(shfc->adir_xnold, shfc->adir_nalloc);
 867         srenew(shfc->adir_xnew, shfc->adir_nalloc);
 868     }
 869     xnold = shfc->adir_xnold;
 870     xnew  = shfc->adir_xnew;
 871
 872     ptype = md->ptype;
 873
 874     dt = ir->delta_t;
 875
 876     /* Does NOT work with freeze or acceleration groups (yet) */
 877     for (n = start; n < end; n++)
 878     {
 879         w_dt = md->invmass[n]*dt;
 880
 881         for (d = 0; d < DIM; d++)
 882         {
 883             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell))
 884             {
 885                 xnold[n-start][d] = x[n][d] - (x_init[n][d] - x_old[n][d]);
 886                 xnew[n-start][d]  = 2*x[n][d] - x_old[n][d] + f[n][d]*w_dt*dt;
 887             }
 888             else
 889             {
 890                 xnold[n-start][d] = x[n][d];
 891                 xnew[n-start][d]  = x[n][d];
 892             }
 893         }
 894     }
 895     constrain(log, FALSE, FALSE, constr, idef, ir, NULL, cr, step, 0, 1.0, md,
 896               x, xnold-start, NULL, bMolPBC, box,
 897               lambda[efptBONDED], &(dvdlambda[efptBONDED]),
 898               NULL, NULL, nrnb, econqCoord, FALSE, 0, 0);
 899     constrain(log, FALSE, FALSE, constr, idef, ir, NULL, cr, step, 0, 1.0, md,
 900               x, xnew-start, NULL, bMolPBC, box,
 901               lambda[efptBONDED], &(dvdlambda[efptBONDED]),
 902               NULL, NULL, nrnb, econqCoord, FALSE, 0, 0);
 903
 904     for (n = start; n < end; n++)
 905     {
 906         for (d = 0; d < DIM; d++)
 907         {
 908             xnew[n-start][d] =
 909                 -(2*x[n][d]-xnold[n-start][d]-xnew[n-start][d])/sqr(dt)
 910                 - f[n][d]*md->invmass[n];
 911         }
 912         clear_rvec(acc_dir[n]);
 913     }
 914
 915     /* Project the acceleration on the old bond directions */
 916     constrain(log, FALSE, FALSE, constr, idef, ir, NULL, cr, step, 0, 1.0, md,
 917               x_old, xnew-start, acc_dir, bMolPBC, box,
 918               lambda[efptBONDED], &(dvdlambda[efptBONDED]),
 919               NULL, NULL, nrnb, econqDeriv_FlexCon, FALSE, 0, 0);
 920 }
 921
 922 int relax_shell_flexcon(FILE *fplog, t_commrec *cr, gmx_bool bVerbose,
 923                         gmx_int64_t mdstep, t_inputrec *inputrec,
 924                         gmx_bool bDoNS, int force_flags,
 925                         gmx_localtop_t *top,
 926                         gmx_constr_t constr,
 927                         gmx_enerdata_t *enerd, t_fcdata *fcd,
 928                         t_state *state, rvec f[],
 929                         tensor force_vir,
 930                         t_mdatoms *md,
 931                         t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 932                         t_graph *graph,
 933                         gmx_groups_t *groups,
 934                         struct gmx_shellfc *shfc,
 935                         t_forcerec *fr,
 936                         gmx_bool bBornRadii,
 937                         double t, rvec mu_tot,
 938                         gmx_bool *bConverged,
 939                         gmx_vsite_t *vsite,
 940                         FILE *fp_field)
 941 {
 942     int        nshell;
 943     t_shell   *shell;
 944     t_idef    *idef;
 945     rvec      *pos[2], *force[2], *acc_dir = NULL, *x_old = NULL;
 946     real       Epot[2], df[2];
 947     rvec       dx;
 948     real       sf_dir, invdt;
 949     real       ftol, xiH, xiS, dum = 0;
 950     char       sbuf[22];
 951     gmx_bool   bCont, bInit;
 952     int        nat, dd_ac0, dd_ac1 = 0, i;
 953     int        start = 0, homenr = md->homenr, end = start+homenr, cg0, cg1;
 954     int        nflexcon, g, number_steps, d, Min = 0, count = 0;
 955 #define  Try (1-Min)             /* At start Try = 1 */
 956
 957     bCont        = (mdstep == inputrec->init_step) && inputrec->bContinuation;
 958     bInit        = (mdstep == inputrec->init_step) || shfc->bRequireInit;
 959     ftol         = inputrec->em_tol;
 960     number_steps = inputrec->niter;
 961     nshell       = shfc->nshell;
 962     shell        = shfc->shell;
 963     nflexcon     = shfc->nflexcon;
 964
 965     idef = &top->idef;
 966
 967     if (DOMAINDECOMP(cr))
 968     {
 969         nat = dd_natoms_vsite(cr->dd);
 970         if (nflexcon > 0)
 971         {
 972             dd_get_constraint_range(cr->dd, &dd_ac0, &dd_ac1);
 973             nat = max(nat, dd_ac1);
 974         }
 975     }
 976     else
 977     {
 978         nat = state->natoms;
 979     }
 980
 981     if (nat > shfc->x_nalloc)
 982     {
 983         /* Allocate local arrays */
 984         shfc->x_nalloc = over_alloc_dd(nat);
 985         for (i = 0; (i < 2); i++)
 986         {
 987             srenew(shfc->x[i], shfc->x_nalloc);
 988             srenew(shfc->f[i], shfc->x_nalloc);
 989         }
 990     }
 991     for (i = 0; (i < 2); i++)
 992     {
 993         pos[i]   = shfc->x[i];
 994         force[i] = shfc->f[i];
 995     }
 996
 997     if (bDoNS && inputrec->ePBC != epbcNONE && !DOMAINDECOMP(cr))
 998     {
 999         /* This is the only time where the coordinates are used
1000          * before do_force is called, which normally puts all
1001          * charge groups in the box.
1002          */
1003         if (inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1004         {
1005             put_atoms_in_box_omp(fr->ePBC, state->box, md->homenr, state->x);
1006         }
1007         else
1008         {
1009             cg0 = 0;
1010             cg1 = top->cgs.nr;
1011             put_charge_groups_in_box(fplog, cg0, cg1, fr->ePBC, state->box,
1012                                      &(top->cgs), state->x, fr->cg_cm);
1013         }
1014
1015         if (graph)
1016         {
1017             mk_mshift(fplog, graph, fr->ePBC, state->box, state->x);
1018         }
1019     }
1020
1021     /* After this all coordinate arrays will contain whole charge groups */
1022     if (graph)
1023     {
1024         shift_self(graph, state->box, state->x);
1025     }
1026
1027     if (nflexcon)
1028     {
1029         if (nat > shfc->flex_nalloc)
1030         {
1031             shfc->flex_nalloc = over_alloc_dd(nat);
1032             srenew(shfc->acc_dir, shfc->flex_nalloc);
1033             srenew(shfc->x_old, shfc->flex_nalloc);
1034         }
1035         acc_dir = shfc->acc_dir;
1036         x_old   = shfc->x_old;
1037         for (i = 0; i < homenr; i++)
1038         {
1039             for (d = 0; d < DIM; d++)
1040             {
1041                 shfc->x_old[i][d] =
1042                     state->x[start+i][d] - state->v[start+i][d]*inputrec->delta_t;
1043             }
1044         }
1045     }
1046
1047     /* Do a prediction of the shell positions */
1048     if (shfc->bPredict && !bCont)
1049     {
1050         predict_shells(fplog, state->x, state->v, inputrec->delta_t, nshell, shell,
1051                        md->massT, NULL, bInit);
1052     }
1053
1054     /* do_force expected the charge groups to be in the box */
1055     if (graph)
1056     {
1057         unshift_self(graph, state->box, state->x);
1058     }
1059
1060     /* Calculate the forces first time around */
1061     if (gmx_debug_at)
1062     {
1063         pr_rvecs(debug, 0, "x b4 do_force", state->x + start, homenr);
1064     }
1065     do_force(fplog, cr, inputrec, mdstep, nrnb, wcycle, top, groups,
1066              state->box, state->x, &state->hist,
1067              force[Min], force_vir, md, enerd, fcd,
1068              state->lambda, graph,
1069              fr, vsite, mu_tot, t, fp_field, NULL, bBornRadii,
1070              (bDoNS ? GMX_FORCE_NS : 0) | force_flags);
1071
1072     sf_dir = 0;
1073     if (nflexcon)
1074     {
1075         init_adir(fplog, shfc,
1076                   constr, idef, inputrec, cr, dd_ac1, mdstep, md, start, end,
1077                   shfc->x_old-start, state->x, state->x, force[Min],
1078                   shfc->acc_dir-start,
1079                   fr->bMolPBC, state->box, state->lambda, &dum, nrnb);
1080
1081         for (i = start; i < end; i++)
1082         {
1083             sf_dir += md->massT[i]*norm2(shfc->acc_dir[i-start]);
1084         }
1085     }
1086
1087     Epot[Min] = enerd->term[F_EPOT];
1088
1089     df[Min] = rms_force(cr, shfc->f[Min], nshell, shell, nflexcon, &sf_dir, &Epot[Min]);
1090     df[Try] = 0;
1091     if (debug)
1092     {
1093         fprintf(debug, "df = %g  %g\n", df[Min], df[Try]);
1094     }
1095
1096     if (gmx_debug_at)
1097     {
1098         pr_rvecs(debug, 0, "force0", force[Min], md->nr);
1099     }
1100
1101     if (nshell+nflexcon > 0)
1102     {
1103         /* Copy x to pos[Min] & pos[Try]: during minimization only the
1104          * shell positions are updated, therefore the other particles must
1105          * be set here.
1106          */
1107         memcpy(pos[Min], state->x, nat*sizeof(state->x[0]));
1108         memcpy(pos[Try], state->x, nat*sizeof(state->x[0]));
1109     }
1110
1111     if (bVerbose && MASTER(cr))
1112     {
1113         print_epot(stdout, mdstep, 0, Epot[Min], df[Min], nflexcon, sf_dir);
1114     }
1115
1116     if (debug)
1117     {
1118         fprintf(debug, "%17s: %14.10e\n",
1119                 interaction_function[F_EKIN].longname, enerd->term[F_EKIN]);
1120         fprintf(debug, "%17s: %14.10e\n",
1121                 interaction_function[F_EPOT].longname, enerd->term[F_EPOT]);
1122         fprintf(debug, "%17s: %14.10e\n",
1123                 interaction_function[F_ETOT].longname, enerd->term[F_ETOT]);
1124         fprintf(debug, "SHELLSTEP %s\n", gmx_step_str(mdstep, sbuf));
1125     }
1126
1127     /* First check whether we should do shells, or whether the force is
1128      * low enough even without minimization.
1129      */
1130     *bConverged = (df[Min] < ftol);
1131
1132     for (count = 1; (!(*bConverged) && (count < number_steps)); count++)
1133     {
1134         if (vsite)
1135         {
1136             construct_vsites(vsite, pos[Min], inputrec->delta_t, state->v,
1137                              idef->iparams, idef->il,
1138                              fr->ePBC, fr->bMolPBC, cr, state->box);
1139         }
1140
1141         if (nflexcon)
1142         {
1143             init_adir(fplog, shfc,
1144                       constr, idef, inputrec, cr, dd_ac1, mdstep, md, start, end,
1145                       x_old-start, state->x, pos[Min], force[Min], acc_dir-start,
1146                       fr->bMolPBC, state->box, state->lambda, &dum, nrnb);
1147
1148             directional_sd(pos[Min], pos[Try], acc_dir-start, start, end,
1149                            fr->fc_stepsize);
1150         }
1151
1152         /* New positions, Steepest descent */
1153         shell_pos_sd(pos[Min], pos[Try], force[Min], nshell, shell, count);
1154
1155         /* do_force expected the charge groups to be in the box */
1156         if (graph)
1157         {
1158             unshift_self(graph, state->box, pos[Try]);
1159         }
1160
1161         if (gmx_debug_at)
1162         {
1163             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: pos[Min]  ", pos[Min] + start, homenr);
1164             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: pos[Try]  ", pos[Try] + start, homenr);
1165         }
1166         /* Try the new positions */
1167         do_force(fplog, cr, inputrec, 1, nrnb, wcycle,
1168                  top, groups, state->box, pos[Try], &state->hist,
1169                  force[Try], force_vir,
1170                  md, enerd, fcd, state->lambda, graph,
1171                  fr, vsite, mu_tot, t, fp_field, NULL, bBornRadii,
1172                  force_flags);
1173
1174         if (gmx_debug_at)
1175         {
1176             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: force[Min]", force[Min] + start, homenr);
1177             pr_rvecs(debug, 0, "RELAX: force[Try]", force[Try] + start, homenr);
1178         }
1179         sf_dir = 0;
1180         if (nflexcon)
1181         {
1182             init_adir(fplog, shfc,
1183                       constr, idef, inputrec, cr, dd_ac1, mdstep, md, start, end,
1184                       x_old-start, state->x, pos[Try], force[Try], acc_dir-start,
1185                       fr->bMolPBC, state->box, state->lambda, &dum, nrnb);
1186
1187             for (i = start; i < end; i++)
1188             {
1189                 sf_dir += md->massT[i]*norm2(acc_dir[i-start]);
1190             }
1191         }
1192
1193         Epot[Try] = enerd->term[F_EPOT];
1194
1195         df[Try] = rms_force(cr, force[Try], nshell, shell, nflexcon, &sf_dir, &Epot[Try]);
1196
1197         if (debug)
1198         {
1199             fprintf(debug, "df = %g  %g\n", df[Min], df[Try]);
1200         }
1201
1202         if (debug)
1203         {
1204             if (gmx_debug_at)
1205             {
1206                 pr_rvecs(debug, 0, "F na do_force", force[Try] + start, homenr);
1207             }
1208             if (gmx_debug_at)
1209             {
1210                 fprintf(debug, "SHELL ITER %d\n", count);
1211                 dump_shells(debug, pos[Try], force[Try], ftol, nshell, shell);
1212             }
1213         }
1214
1215         if (bVerbose && MASTER(cr))
1216         {
1217             print_epot(stdout, mdstep, count, Epot[Try], df[Try], nflexcon, sf_dir);
1218         }
1219
1220         *bConverged = (df[Try] < ftol);
1221
1222         if ((df[Try] < df[Min]))
1223         {
1224             if (debug)
1225             {
1226                 fprintf(debug, "Swapping Min and Try\n");
1227             }
1228             if (nflexcon)
1229             {
1230                 /* Correct the velocities for the flexible constraints */
1231                 invdt = 1/inputrec->delta_t;
1232                 for (i = start; i < end; i++)
1233                 {
1234                     for (d = 0; d < DIM; d++)
1235                     {
1236                         state->v[i][d] += (pos[Try][i][d] - pos[Min][i][d])*invdt;
1237                     }
1238                 }
1239             }
1240             Min  = Try;
1241         }
1242         else
1243         {
1244             decrease_step_size(nshell, shell);
1245         }
1246     }
1247     if (MASTER(cr) && !(*bConverged))
1248     {
1249         /* Note that the energies and virial are incorrect when not converged */
1250         if (fplog)
1251         {
1252             fprintf(fplog,
1253                     "step %s: EM did not converge in %d iterations, RMS force %.3f\n",
1254                     gmx_step_str(mdstep, sbuf), number_steps, df[Min]);
1255         }
1256         fprintf(stderr,
1257                 "step %s: EM did not converge in %d iterations, RMS force %.3f\n",
1258                 gmx_step_str(mdstep, sbuf), number_steps, df[Min]);
1259     }
1260
1261     /* Copy back the coordinates and the forces */
1262     memcpy(state->x, pos[Min], nat*sizeof(state->x[0]));
1263     memcpy(f, force[Min], nat*sizeof(f[0]));
1264
1265     return count;
1266 }