src/gromacs/mdlib/tpi.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) 2001-2004, 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 <math.h>
  40 #include <stdlib.h>
  41 #include <string.h>
  42 #include <time.h>
  43
  44 #include "gromacs/legacyheaders/network.h"
  45 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  46 #include "gromacs/legacyheaders/nrnb.h"
  47 #include "gromacs/legacyheaders/chargegroup.h"
  48 #include "gromacs/legacyheaders/force.h"
  49 #include "gromacs/legacyheaders/macros.h"
  50 #include "gromacs/legacyheaders/names.h"
  51 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  52 #include "gromacs/legacyheaders/txtdump.h"
  53 #include "gromacs/legacyheaders/typedefs.h"
  54 #include "gromacs/legacyheaders/update.h"
  55 #include "gromacs/legacyheaders/constr.h"
  56 #include "gromacs/math/vec.h"
  57 #include "gromacs/legacyheaders/tgroup.h"
  58 #include "gromacs/legacyheaders/mdebin.h"
  59 #include "gromacs/legacyheaders/vsite.h"
  60 #include "gromacs/legacyheaders/force.h"
  61 #include "gromacs/legacyheaders/mdrun.h"
  62 #include "gromacs/legacyheaders/domdec.h"
  63 #include "gromacs/random/random.h"
  64 #include "gromacs/math/units.h"
  65 #include "gromacs/fileio/xvgr.h"
  66 #include "gromacs/legacyheaders/mdatoms.h"
  67 #include "gromacs/legacyheaders/ns.h"
  68 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  69 #include "gromacs/legacyheaders/pme.h"
  70 #include "gromacs/gmxlib/conformation-utilities.h"
  71
  72 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
  73 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  74 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  75 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  76 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
  77 #include "gromacs/timing/walltime_accounting.h"
  78
  79 static void global_max(t_commrec *cr, int *n)
  80 {
  81     int *sum, i;
  82
  83     snew(sum, cr->nnodes);
  84     sum[cr->nodeid] = *n;
  85     gmx_sumi(cr->nnodes, sum, cr);
  86     for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
  87     {
  88         *n = max(*n, sum[i]);
  89     }
  90
  91     sfree(sum);
  92 }
  93
  94 static void realloc_bins(double **bin, int *nbin, int nbin_new)
  95 {
  96     int i;
  97
  98     if (nbin_new != *nbin)
  99     {
 100         srenew(*bin, nbin_new);
 101         for (i = *nbin; i < nbin_new; i++)
 102         {
 103             (*bin)[i] = 0;
 104         }
 105         *nbin = nbin_new;
 106     }
 107 }
 108
 109 double do_tpi(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 110               int nfile, const t_filenm fnm[],
 111               const output_env_t oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
 112               int gmx_unused nstglobalcomm,
 113               gmx_vsite_t gmx_unused *vsite, gmx_constr_t gmx_unused constr,
 114               int gmx_unused stepout,
 115               t_inputrec *inputrec,
 116               gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
 117               t_state *state,
 118               t_mdatoms *mdatoms,
 119               t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 120               gmx_edsam_t gmx_unused ed,
 121               t_forcerec *fr,
 122               int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
 123               gmx_membed_t gmx_unused membed,
 124               real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
 125               const char gmx_unused *deviceOptions,
 126               int gmx_unused imdport,
 127               unsigned long gmx_unused Flags,
 128               gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting)
 129 {
 130     const char     *TPI = "Test Particle Insertion";
 131     gmx_localtop_t *top;
 132     gmx_groups_t   *groups;
 133     gmx_enerdata_t *enerd;
 134     rvec           *f;
 135     real            lambda, t, temp, beta, drmax, epot;
 136     double          embU, sum_embU, *sum_UgembU, V, V_all, VembU_all;
 137     t_trxstatus    *status;
 138     t_trxframe      rerun_fr;
 139     gmx_bool        bDispCorr, bCharge, bRFExcl, bNotLastFrame, bStateChanged, bNS;
 140     tensor          force_vir, shake_vir, vir, pres;
 141     int             cg_tp, a_tp0, a_tp1, ngid, gid_tp, nener, e;
 142     rvec           *x_mol;
 143     rvec            mu_tot, x_init, dx, x_tp;
 144     int             nnodes, frame;
 145     gmx_int64_t     frame_step_prev, frame_step;
 146     gmx_int64_t     nsteps, stepblocksize = 0, step;
 147     gmx_int64_t     rnd_count_stride, rnd_count;
 148     gmx_int64_t     seed;
 149     double          rnd[4];
 150     int             i, start, end;
 151     FILE           *fp_tpi = NULL;
 152     char           *ptr, *dump_pdb, **leg, str[STRLEN], str2[STRLEN];
 153     double          dbl, dump_ener;
 154     gmx_bool        bCavity;
 155     int             nat_cavity  = 0, d;
 156     real           *mass_cavity = NULL, mass_tot;
 157     int             nbin;
 158     double          invbinw, *bin, refvolshift, logV, bUlogV;
 159     real            dvdl, prescorr, enercorr, dvdlcorr;
 160     gmx_bool        bEnergyOutOfBounds;
 161     const char     *tpid_leg[2] = {"direct", "reweighted"};
 162
 163     /* Since there is no upper limit to the insertion energies,
 164      * we need to set an upper limit for the distribution output.
 165      */
 166     real bU_bin_limit      = 50;
 167     real bU_logV_bin_limit = bU_bin_limit + 10;
 168
 169     if (inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
 170     {
 171         gmx_fatal(FARGS, "TPI does not work (yet) with the Verlet cut-off scheme");
 172     }
 173
 174     nnodes = cr->nnodes;
 175
 176     top = gmx_mtop_generate_local_top(top_global, inputrec);
 177
 178     groups = &top_global->groups;
 179
 180     bCavity = (inputrec->eI == eiTPIC);
 181     if (bCavity)
 182     {
 183         ptr = getenv("GMX_TPIC_MASSES");
 184         if (ptr == NULL)
 185         {
 186             nat_cavity = 1;
 187         }
 188         else
 189         {
 190             /* Read (multiple) masses from env var GMX_TPIC_MASSES,
 191              * The center of mass of the last atoms is then used for TPIC.
 192              */
 193             nat_cavity = 0;
 194             while (sscanf(ptr, "%lf%n", &dbl, &i) > 0)
 195             {
 196                 srenew(mass_cavity, nat_cavity+1);
 197                 mass_cavity[nat_cavity] = dbl;
 198                 fprintf(fplog, "mass[%d] = %f\n",
 199                         nat_cavity+1, mass_cavity[nat_cavity]);
 200                 nat_cavity++;
 201                 ptr += i;
 202             }
 203             if (nat_cavity == 0)
 204             {
 205                 gmx_fatal(FARGS, "Found %d masses in GMX_TPIC_MASSES", nat_cavity);
 206             }
 207         }
 208     }
 209
 210     /*
 211        init_em(fplog,TPI,inputrec,&lambda,nrnb,mu_tot,
 212        state->box,fr,mdatoms,top,cr,nfile,fnm,NULL,NULL);*/
 213     /* We never need full pbc for TPI */
 214     fr->ePBC = epbcXYZ;
 215     /* Determine the temperature for the Boltzmann weighting */
 216     temp = inputrec->opts.ref_t[0];
 217     if (fplog)
 218     {
 219         for (i = 1; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
 220         {
 221             if (inputrec->opts.ref_t[i] != temp)
 222             {
 223                 fprintf(fplog, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 224                 fprintf(stderr, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 225             }
 226         }
 227         fprintf(fplog,
 228                 "\n  The temperature for test particle insertion is %.3f K\n\n",
 229                 temp);
 230     }
 231     beta = 1.0/(BOLTZ*temp);
 232
 233     /* Number of insertions per frame */
 234     nsteps = inputrec->nsteps;
 235
 236     /* Use the same neighborlist with more insertions points
 237      * in a sphere of radius drmax around the initial point
 238      */
 239     /* This should be a proper mdp parameter */
 240     drmax = inputrec->rtpi;
 241
 242     /* An environment variable can be set to dump all configurations
 243      * to pdb with an insertion energy <= this value.
 244      */
 245     dump_pdb  = getenv("GMX_TPI_DUMP");
 246     dump_ener = 0;
 247     if (dump_pdb)
 248     {
 249         sscanf(dump_pdb, "%lf", &dump_ener);
 250     }
 251
 252     atoms2md(top_global, inputrec, 0, NULL, top_global->natoms, mdatoms);
 253     update_mdatoms(mdatoms, inputrec->fepvals->init_lambda);
 254
 255     snew(enerd, 1);
 256     init_enerdata(groups->grps[egcENER].nr, inputrec->fepvals->n_lambda, enerd);
 257     snew(f, top_global->natoms);
 258
 259     /* Print to log file  */
 260     walltime_accounting_start(walltime_accounting);
 261     wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
 262     print_start(fplog, cr, walltime_accounting, "Test Particle Insertion");
 263
 264     /* The last charge group is the group to be inserted */
 265     cg_tp = top->cgs.nr - 1;
 266     a_tp0 = top->cgs.index[cg_tp];
 267     a_tp1 = top->cgs.index[cg_tp+1];
 268     if (debug)
 269     {
 270         fprintf(debug, "TPI cg %d, atoms %d-%d\n", cg_tp, a_tp0, a_tp1);
 271     }
 272     if (a_tp1 - a_tp0 > 1 &&
 273         (inputrec->rlist < inputrec->rcoulomb ||
 274          inputrec->rlist < inputrec->rvdw))
 275     {
 276         gmx_fatal(FARGS, "Can not do TPI for multi-atom molecule with a twin-range cut-off");
 277     }
 278     snew(x_mol, a_tp1-a_tp0);
 279
 280     bDispCorr = (inputrec->eDispCorr != edispcNO);
 281     bCharge   = FALSE;
 282     for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 283     {
 284         /* Copy the coordinates of the molecule to be insterted */
 285         copy_rvec(state->x[i], x_mol[i-a_tp0]);
 286         /* Check if we need to print electrostatic energies */
 287         bCharge |= (mdatoms->chargeA[i] != 0 ||
 288                     (mdatoms->chargeB && mdatoms->chargeB[i] != 0));
 289     }
 290     bRFExcl = (bCharge && EEL_RF(fr->eeltype) && fr->eeltype != eelRF_NEC);
 291
 292     calc_cgcm(fplog, cg_tp, cg_tp+1, &(top->cgs), state->x, fr->cg_cm);
 293     if (bCavity)
 294     {
 295         if (norm(fr->cg_cm[cg_tp]) > 0.5*inputrec->rlist && fplog)
 296         {
 297             fprintf(fplog, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 298             fprintf(stderr, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 299         }
 300     }
 301     else
 302     {
 303         /* Center the molecule to be inserted at zero */
 304         for (i = 0; i < a_tp1-a_tp0; i++)
 305         {
 306             rvec_dec(x_mol[i], fr->cg_cm[cg_tp]);
 307         }
 308     }
 309
 310     if (fplog)
 311     {
 312         fprintf(fplog, "\nWill insert %d atoms %s partial charges\n",
 313                 a_tp1-a_tp0, bCharge ? "with" : "without");
 314
 315         fprintf(fplog, "\nWill insert %d times in each frame of %s\n",
 316                 (int)nsteps, opt2fn("-rerun", nfile, fnm));
 317     }
 318
 319     if (!bCavity)
 320     {
 321         if (inputrec->nstlist > 1)
 322         {
 323             if (drmax == 0 && a_tp1-a_tp0 == 1)
 324             {
 325                 gmx_fatal(FARGS, "Re-using the neighborlist %d times for insertions of a single atom in a sphere of radius %f does not make sense", inputrec->nstlist, drmax);
 326             }
 327             if (fplog)
 328             {
 329                 fprintf(fplog, "Will use the same neighborlist for %d insertions in a sphere of radius %f\n", inputrec->nstlist, drmax);
 330             }
 331         }
 332     }
 333     else
 334     {
 335         if (fplog)
 336         {
 337             fprintf(fplog, "Will insert randomly in a sphere of radius %f around the center of the cavity\n", drmax);
 338         }
 339     }
 340
 341     ngid   = groups->grps[egcENER].nr;
 342     gid_tp = GET_CGINFO_GID(fr->cginfo[cg_tp]);
 343     nener  = 1 + ngid;
 344     if (bDispCorr)
 345     {
 346         nener += 1;
 347     }
 348     if (bCharge)
 349     {
 350         nener += ngid;
 351         if (bRFExcl)
 352         {
 353             nener += 1;
 354         }
 355         if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 356         {
 357             nener += 1;
 358         }
 359     }
 360     snew(sum_UgembU, nener);
 361
 362     /* Copy the random seed set by the user */
 363     seed = inputrec->ld_seed;
 364     /* We use the frame step number as one random counter.
 365      * The second counter use the insertion (step) count. But we
 366      * need multiple random numbers per insertion. This number is
 367      * not fixed, since we generate random locations in a sphere
 368      * by putting locations in a cube and some of these fail.
 369      * A count of 20 is already extremely unlikely, so 10000 is
 370      * a safe margin for random numbers per insertion.
 371      */
 372     rnd_count_stride = 10000;
 373
 374     if (MASTER(cr))
 375     {
 376         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpi", nfile, fnm),
 377                           "TPI energies", "Time (ps)",
 378                           "(kJ mol\\S-1\\N) / (nm\\S3\\N)", oenv);
 379         xvgr_subtitle(fp_tpi, "f. are averages over one frame", oenv);
 380         snew(leg, 4+nener);
 381         e = 0;
 382         sprintf(str, "-kT log(<Ve\\S-\\betaU\\N>/<V>)");
 383         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 384         sprintf(str, "f. -kT log<e\\S-\\betaU\\N>");
 385         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 386         sprintf(str, "f. <e\\S-\\betaU\\N>");
 387         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 388         sprintf(str, "f. V");
 389         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 390         sprintf(str, "f. <Ue\\S-\\betaU\\N>");
 391         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 392         for (i = 0; i < ngid; i++)
 393         {
 394             sprintf(str, "f. <U\\sVdW %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 395                     *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 396             leg[e++] = gmx_strdup(str);
 397         }
 398         if (bDispCorr)
 399         {
 400             sprintf(str, "f. <U\\sdisp c\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 401             leg[e++] = gmx_strdup(str);
 402         }
 403         if (bCharge)
 404         {
 405             for (i = 0; i < ngid; i++)
 406             {
 407                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 408                         *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 409                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
 410             }
 411             if (bRFExcl)
 412             {
 413                 sprintf(str, "f. <U\\sRF excl\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 414                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
 415             }
 416             if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 417             {
 418                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul recip\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 419                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
 420             }
 421         }
 422         xvgr_legend(fp_tpi, 4+nener, (const char**)leg, oenv);
 423         for (i = 0; i < 4+nener; i++)
 424         {
 425             sfree(leg[i]);
 426         }
 427         sfree(leg);
 428     }
 429     clear_rvec(x_init);
 430     V_all     = 0;
 431     VembU_all = 0;
 432
 433     invbinw = 10;
 434     nbin    = 10;
 435     snew(bin, nbin);
 436
 437     /* Avoid frame step numbers <= -1 */
 438     frame_step_prev = -1;
 439
 440     bNotLastFrame = read_first_frame(oenv, &status, opt2fn("-rerun", nfile, fnm),
 441                                      &rerun_fr, TRX_NEED_X);
 442     frame = 0;
 443
 444     if (rerun_fr.natoms - (bCavity ? nat_cavity : 0) !=
 445         mdatoms->nr - (a_tp1 - a_tp0))
 446     {
 447         gmx_fatal(FARGS, "Number of atoms in trajectory (%d)%s "
 448                   "is not equal the number in the run input file (%d) "
 449                   "minus the number of atoms to insert (%d)\n",
 450                   rerun_fr.natoms, bCavity ? " minus one" : "",
 451                   mdatoms->nr, a_tp1-a_tp0);
 452     }
 453
 454     refvolshift = log(det(rerun_fr.box));
 455
 456     switch (inputrec->eI)
 457     {
 458         case eiTPI:
 459             stepblocksize = inputrec->nstlist;
 460             break;
 461         case eiTPIC:
 462             stepblocksize = 1;
 463             break;
 464         default:
 465             gmx_fatal(FARGS, "Unknown integrator %s", ei_names[inputrec->eI]);
 466     }
 467
 468 #ifdef GMX_SIMD
 469     /* Make sure we don't detect SIMD overflow generated before this point */
 470     gmx_simd_check_and_reset_overflow();
 471 #endif
 472
 473     while (bNotLastFrame)
 474     {
 475         frame_step      = rerun_fr.step;
 476         if (frame_step <= frame_step_prev)
 477         {
 478             /* We don't have step number in the trajectory file,
 479              * or we have constant or decreasing step numbers.
 480              * Ensure we have increasing step numbers, since we use
 481              * the step numbers as a counter for random numbers.
 482              */
 483             frame_step  = frame_step_prev + 1;
 484         }
 485         frame_step_prev = frame_step;
 486
 487         lambda = rerun_fr.lambda;
 488         t      = rerun_fr.time;
 489
 490         sum_embU = 0;
 491         for (e = 0; e < nener; e++)
 492         {
 493             sum_UgembU[e] = 0;
 494         }
 495
 496         /* Copy the coordinates from the input trajectory */
 497         for (i = 0; i < rerun_fr.natoms; i++)
 498         {
 499             copy_rvec(rerun_fr.x[i], state->x[i]);
 500         }
 501         copy_mat(rerun_fr.box, state->box);
 502
 503         V    = det(state->box);
 504         logV = log(V);
 505
 506         bStateChanged = TRUE;
 507         bNS           = TRUE;
 508
 509         step = cr->nodeid*stepblocksize;
 510         while (step < nsteps)
 511         {
 512             /* Initialize the second counter for random numbers using
 513              * the insertion step index. This ensures that we get
 514              * the same random numbers independently of how many
 515              * MPI ranks we use. Also for the same seed, we get
 516              * the same initial random sequence for different nsteps.
 517              */
 518             rnd_count = step*rnd_count_stride;
 519
 520             if (!bCavity)
 521             {
 522                 /* Random insertion in the whole volume */
 523                 bNS = (step % inputrec->nstlist == 0);
 524                 if (bNS)
 525                 {
 526                     /* Generate a random position in the box */
 527                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 528                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 529                     for (d = 0; d < DIM; d++)
 530                     {
 531                         x_init[d] = rnd[d]*state->box[d][d];
 532                     }
 533                 }
 534                 if (inputrec->nstlist == 1)
 535                 {
 536                     copy_rvec(x_init, x_tp);
 537                 }
 538                 else
 539                 {
 540                     /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 541                     do
 542                     {
 543                         gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 544                         gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 545                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 546                         {
 547                             dx[d] = (2*rnd[d] - 1)*drmax;
 548                         }
 549                     }
 550                     while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 551                     rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 552                 }
 553             }
 554             else
 555             {
 556                 /* Random insertion around a cavity location
 557                  * given by the last coordinate of the trajectory.
 558                  */
 559                 if (step == 0)
 560                 {
 561                     if (nat_cavity == 1)
 562                     {
 563                         /* Copy the location of the cavity */
 564                         copy_rvec(rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-1], x_init);
 565                     }
 566                     else
 567                     {
 568                         /* Determine the center of mass of the last molecule */
 569                         clear_rvec(x_init);
 570                         mass_tot = 0;
 571                         for (i = 0; i < nat_cavity; i++)
 572                         {
 573                             for (d = 0; d < DIM; d++)
 574                             {
 575                                 x_init[d] +=
 576                                     mass_cavity[i]*rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-nat_cavity+i][d];
 577                             }
 578                             mass_tot += mass_cavity[i];
 579                         }
 580                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 581                         {
 582                             x_init[d] /= mass_tot;
 583                         }
 584                     }
 585                 }
 586                 /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 587                 do
 588                 {
 589                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 590                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 591                     for (d = 0; d < DIM; d++)
 592                     {
 593                         dx[d] = (2*rnd[d] - 1)*drmax;
 594                     }
 595                 }
 596                 while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 597                 rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 598             }
 599
 600             if (a_tp1 - a_tp0 == 1)
 601             {
 602                 /* Insert a single atom, just copy the insertion location */
 603                 copy_rvec(x_tp, state->x[a_tp0]);
 604             }
 605             else
 606             {
 607                 /* Copy the coordinates from the top file */
 608                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 609                 {
 610                     copy_rvec(x_mol[i-a_tp0], state->x[i]);
 611                 }
 612                 /* Rotate the molecule randomly */
 613                 gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 614                 gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 615                 rotate_conf(a_tp1-a_tp0, state->x+a_tp0, NULL,
 616                             2*M_PI*rnd[0],
 617                             2*M_PI*rnd[1],
 618                             2*M_PI*rnd[2]);
 619                 /* Shift to the insertion location */
 620                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 621                 {
 622                     rvec_inc(state->x[i], x_tp);
 623                 }
 624             }
 625
 626             /* Clear some matrix variables  */
 627             clear_mat(force_vir);
 628             clear_mat(shake_vir);
 629             clear_mat(vir);
 630             clear_mat(pres);
 631
 632             /* Set the charge group center of mass of the test particle */
 633             copy_rvec(x_init, fr->cg_cm[top->cgs.nr-1]);
 634
 635             /* Calc energy (no forces) on new positions.
 636              * Since we only need the intermolecular energy
 637              * and the RF exclusion terms of the inserted molecule occur
 638              * within a single charge group we can pass NULL for the graph.
 639              * This also avoids shifts that would move charge groups
 640              * out of the box.
 641              *
 642              * Some checks above ensure than we can not have
 643              * twin-range interactions together with nstlist > 1,
 644              * therefore we do not need to remember the LR energies.
 645              */
 646             /* Make do_force do a single node force calculation */
 647             cr->nnodes = 1;
 648             do_force(fplog, cr, inputrec,
 649                      step, nrnb, wcycle, top, &top_global->groups,
 650                      state->box, state->x, &state->hist,
 651                      f, force_vir, mdatoms, enerd, fcd,
 652                      state->lambda,
 653                      NULL, fr, NULL, mu_tot, t, NULL, NULL, FALSE,
 654                      GMX_FORCE_NONBONDED | GMX_FORCE_ENERGY |
 655                      (bNS ? GMX_FORCE_DYNAMICBOX | GMX_FORCE_NS | GMX_FORCE_DO_LR : 0) |
 656                      (bStateChanged ? GMX_FORCE_STATECHANGED : 0));
 657             cr->nnodes    = nnodes;
 658             bStateChanged = FALSE;
 659             bNS           = FALSE;
 660
 661             /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
 662             calc_dispcorr(inputrec, fr, top_global->natoms, state->box,
 663                           lambda, pres, vir, &prescorr, &enercorr, &dvdlcorr);
 664             /* figure out how to rearrange the next 4 lines MRS 8/4/2009 */
 665             enerd->term[F_DISPCORR]  = enercorr;
 666             enerd->term[F_EPOT]     += enercorr;
 667             enerd->term[F_PRES]     += prescorr;
 668             enerd->term[F_DVDL_VDW] += dvdlcorr;
 669
 670             epot               = enerd->term[F_EPOT];
 671             bEnergyOutOfBounds = FALSE;
 672 #ifdef GMX_SIMD_X86_SSE2_OR_HIGHER
 673             /* With SSE the energy can overflow, check for this */
 674             if (gmx_mm_check_and_reset_overflow())
 675             {
 676                 if (debug)
 677                 {
 678                     fprintf(debug, "Found an SSE overflow, assuming the energy is out of bounds\n");
 679                 }
 680                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 681             }
 682 #endif
 683             /* If the compiler doesn't optimize this check away
 684              * we catch the NAN energies.
 685              * The epot>GMX_REAL_MAX check catches inf values,
 686              * which should nicely result in embU=0 through the exp below,
 687              * but it does not hurt to check anyhow.
 688              */
 689             /* Non-bonded Interaction usually diverge at r=0.
 690              * With tabulated interaction functions the first few entries
 691              * should be capped in a consistent fashion between
 692              * repulsion, dispersion and Coulomb to avoid accidental
 693              * negative values in the total energy.
 694              * The table generation code in tables.c does this.
 695              * With user tbales the user should take care of this.
 696              */
 697             if (epot != epot || epot > GMX_REAL_MAX)
 698             {
 699                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 700             }
 701             if (bEnergyOutOfBounds)
 702             {
 703                 if (debug)
 704                 {
 705                     fprintf(debug, "\n  time %.3f, step %d: non-finite energy %f, using exp(-bU)=0\n", t, (int)step, epot);
 706                 }
 707                 embU = 0;
 708             }
 709             else
 710             {
 711                 embU      = exp(-beta*epot);
 712                 sum_embU += embU;
 713                 /* Determine the weighted energy contributions of each energy group */
 714                 e                = 0;
 715                 sum_UgembU[e++] += epot*embU;
 716                 if (fr->bBHAM)
 717                 {
 718                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 719                     {
 720                         sum_UgembU[e++] +=
 721                             (enerd->grpp.ener[egBHAMSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 722                              enerd->grpp.ener[egBHAMLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 723                     }
 724                 }
 725                 else
 726                 {
 727                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 728                     {
 729                         sum_UgembU[e++] +=
 730                             (enerd->grpp.ener[egLJSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 731                              enerd->grpp.ener[egLJLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 732                     }
 733                 }
 734                 if (bDispCorr)
 735                 {
 736                     sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_DISPCORR]*embU;
 737                 }
 738                 if (bCharge)
 739                 {
 740                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 741                     {
 742                         sum_UgembU[e++] +=
 743                             (enerd->grpp.ener[egCOULSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 744                              enerd->grpp.ener[egCOULLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 745                     }
 746                     if (bRFExcl)
 747                     {
 748                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_RF_EXCL]*embU;
 749                     }
 750                     if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 751                     {
 752                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_COUL_RECIP]*embU;
 753                     }
 754                 }
 755             }
 756
 757             if (embU == 0 || beta*epot > bU_bin_limit)
 758             {
 759                 bin[0]++;
 760             }
 761             else
 762             {
 763                 i = (int)((bU_logV_bin_limit
 764                            - (beta*epot - logV + refvolshift))*invbinw
 765                           + 0.5);
 766                 if (i < 0)
 767                 {
 768                     i = 0;
 769                 }
 770                 if (i >= nbin)
 771                 {
 772                     realloc_bins(&bin, &nbin, i+10);
 773                 }
 774                 bin[i]++;
 775             }
 776
 777             if (debug)
 778             {
 779                 fprintf(debug, "TPI %7d %12.5e %12.5f %12.5f %12.5f\n",
 780                         (int)step, epot, x_tp[XX], x_tp[YY], x_tp[ZZ]);
 781             }
 782
 783             if (dump_pdb && epot <= dump_ener)
 784             {
 785                 sprintf(str, "t%g_step%d.pdb", t, (int)step);
 786                 sprintf(str2, "t: %f step %d ener: %f", t, (int)step, epot);
 787                 write_sto_conf_mtop(str, str2, top_global, state->x, state->v,
 788                                     inputrec->ePBC, state->box);
 789             }
 790
 791             step++;
 792             if ((step/stepblocksize) % cr->nnodes != cr->nodeid)
 793             {
 794                 /* Skip all steps assigned to the other MPI ranks */
 795                 step += (cr->nnodes - 1)*stepblocksize;
 796             }
 797         }
 798
 799         if (PAR(cr))
 800         {
 801             /* When running in parallel sum the energies over the processes */
 802             gmx_sumd(1,    &sum_embU, cr);
 803             gmx_sumd(nener, sum_UgembU, cr);
 804         }
 805
 806         frame++;
 807         V_all     += V;
 808         VembU_all += V*sum_embU/nsteps;
 809
 810         if (fp_tpi)
 811         {
 812             if (bVerbose || frame%10 == 0 || frame < 10)
 813             {
 814                 fprintf(stderr, "mu %10.3e <mu> %10.3e\n",
 815                         -log(sum_embU/nsteps)/beta, -log(VembU_all/V_all)/beta);
 816             }
 817
 818             fprintf(fp_tpi, "%10.3f %12.5e %12.5e %12.5e %12.5e",
 819                     t,
 820                     VembU_all == 0 ? 20/beta : -log(VembU_all/V_all)/beta,
 821                     sum_embU == 0  ? 20/beta : -log(sum_embU/nsteps)/beta,
 822                     sum_embU/nsteps, V);
 823             for (e = 0; e < nener; e++)
 824             {
 825                 fprintf(fp_tpi, " %12.5e", sum_UgembU[e]/nsteps);
 826             }
 827             fprintf(fp_tpi, "\n");
 828             fflush(fp_tpi);
 829         }
 830
 831         bNotLastFrame = read_next_frame(oenv, status, &rerun_fr);
 832     } /* End of the loop  */
 833     walltime_accounting_end(walltime_accounting);
 834
 835     close_trj(status);
 836
 837     if (fp_tpi != NULL)
 838     {
 839         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 840     }
 841
 842     if (fplog != NULL)
 843     {
 844         fprintf(fplog, "\n");
 845         fprintf(fplog, "  <V>  = %12.5e nm^3\n", V_all/frame);
 846         fprintf(fplog, "  <mu> = %12.5e kJ/mol\n", -log(VembU_all/V_all)/beta);
 847     }
 848
 849     /* Write the Boltzmann factor histogram */
 850     if (PAR(cr))
 851     {
 852         /* When running in parallel sum the bins over the processes */
 853         i = nbin;
 854         global_max(cr, &i);
 855         realloc_bins(&bin, &nbin, i);
 856         gmx_sumd(nbin, bin, cr);
 857     }
 858     if (MASTER(cr))
 859     {
 860         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpid", nfile, fnm),
 861                           "TPI energy distribution",
 862                           "\\betaU - log(V/<V>)", "count", oenv);
 863         sprintf(str, "number \\betaU > %g: %9.3e", bU_bin_limit, bin[0]);
 864         xvgr_subtitle(fp_tpi, str, oenv);
 865         xvgr_legend(fp_tpi, 2, (const char **)tpid_leg, oenv);
 866         for (i = nbin-1; i > 0; i--)
 867         {
 868             bUlogV = -i/invbinw + bU_logV_bin_limit - refvolshift + log(V_all/frame);
 869             fprintf(fp_tpi, "%6.2f %10d %12.5e\n",
 870                     bUlogV,
 871                     (int)(bin[i]+0.5),
 872                     bin[i]*exp(-bUlogV)*V_all/VembU_all);
 873         }
 874         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 875     }
 876     sfree(bin);
 877
 878     sfree(sum_UgembU);
 879
 880     walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, frame*inputrec->nsteps);
 881
 882     return 0;
 883 }