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 "config.h"
  40
  41 #include <math.h>
  42 #include <stdlib.h>
  43 #include <string.h>
  44 #include <time.h>
  45
  46 #include "gromacs/legacyheaders/network.h"
  47 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  48 #include "gromacs/legacyheaders/nrnb.h"
  49 #include "gromacs/legacyheaders/chargegroup.h"
  50 #include "gromacs/legacyheaders/force.h"
  51 #include "gromacs/legacyheaders/macros.h"
  52 #include "gromacs/legacyheaders/names.h"
  53 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  54 #include "gromacs/legacyheaders/txtdump.h"
  55 #include "gromacs/legacyheaders/typedefs.h"
  56 #include "gromacs/legacyheaders/update.h"
  57 #include "gromacs/legacyheaders/constr.h"
  58 #include "gromacs/math/vec.h"
  59 #include "gromacs/legacyheaders/tgroup.h"
  60 #include "gromacs/legacyheaders/mdebin.h"
  61 #include "gromacs/legacyheaders/vsite.h"
  62 #include "gromacs/legacyheaders/force.h"
  63 #include "gromacs/legacyheaders/mdrun.h"
  64 #include "gromacs/legacyheaders/domdec.h"
  65 #include "gromacs/random/random.h"
  66 #include "gromacs/math/units.h"
  67 #include "gromacs/fileio/xvgr.h"
  68 #include "gromacs/legacyheaders/mdatoms.h"
  69 #include "gromacs/legacyheaders/ns.h"
  70 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  71 #include "gromacs/legacyheaders/pme.h"
  72 #include "gromacs/gmxlib/conformation-utilities.h"
  73
  74 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
  75 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  76 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  77 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  78 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
  79 #include "gromacs/timing/walltime_accounting.h"
  80
  81 static void global_max(t_commrec *cr, int *n)
  82 {
  83     int *sum, i;
  84
  85     snew(sum, cr->nnodes);
  86     sum[cr->nodeid] = *n;
  87     gmx_sumi(cr->nnodes, sum, cr);
  88     for (i = 0; i < cr->nnodes; i++)
  89     {
  90         *n = max(*n, sum[i]);
  91     }
  92
  93     sfree(sum);
  94 }
  95
  96 static void realloc_bins(double **bin, int *nbin, int nbin_new)
  97 {
  98     int i;
  99
 100     if (nbin_new != *nbin)
 101     {
 102         srenew(*bin, nbin_new);
 103         for (i = *nbin; i < nbin_new; i++)
 104         {
 105             (*bin)[i] = 0;
 106         }
 107         *nbin = nbin_new;
 108     }
 109 }
 110
 111 double do_tpi(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 112               int nfile, const t_filenm fnm[],
 113               const output_env_t oenv, gmx_bool bVerbose, gmx_bool gmx_unused bCompact,
 114               int gmx_unused nstglobalcomm,
 115               gmx_vsite_t gmx_unused *vsite, gmx_constr_t gmx_unused constr,
 116               int gmx_unused stepout,
 117               t_inputrec *inputrec,
 118               gmx_mtop_t *top_global, t_fcdata *fcd,
 119               t_state *state,
 120               t_mdatoms *mdatoms,
 121               t_nrnb *nrnb, gmx_wallcycle_t wcycle,
 122               gmx_edsam_t gmx_unused ed,
 123               t_forcerec *fr,
 124               int gmx_unused repl_ex_nst, int gmx_unused repl_ex_nex, int gmx_unused repl_ex_seed,
 125               gmx_membed_t gmx_unused membed,
 126               real gmx_unused cpt_period, real gmx_unused max_hours,
 127               const char gmx_unused *deviceOptions,
 128               int gmx_unused imdport,
 129               unsigned long gmx_unused Flags,
 130               gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting)
 131 {
 132     const char     *TPI = "Test Particle Insertion";
 133     gmx_localtop_t *top;
 134     gmx_groups_t   *groups;
 135     gmx_enerdata_t *enerd;
 136     rvec           *f;
 137     real            lambda, t, temp, beta, drmax, epot;
 138     double          embU, sum_embU, *sum_UgembU, V, V_all, VembU_all;
 139     t_trxstatus    *status;
 140     t_trxframe      rerun_fr;
 141     gmx_bool        bDispCorr, bCharge, bRFExcl, bNotLastFrame, bStateChanged, bNS;
 142     tensor          force_vir, shake_vir, vir, pres;
 143     int             cg_tp, a_tp0, a_tp1, ngid, gid_tp, nener, e;
 144     rvec           *x_mol;
 145     rvec            mu_tot, x_init, dx, x_tp;
 146     int             nnodes, frame;
 147     gmx_int64_t     frame_step_prev, frame_step;
 148     gmx_int64_t     nsteps, stepblocksize = 0, step;
 149     gmx_int64_t     rnd_count_stride, rnd_count;
 150     gmx_int64_t     seed;
 151     double          rnd[4];
 152     int             i, start, end;
 153     FILE           *fp_tpi = NULL;
 154     char           *ptr, *dump_pdb, **leg, str[STRLEN], str2[STRLEN];
 155     double          dbl, dump_ener;
 156     gmx_bool        bCavity;
 157     int             nat_cavity  = 0, d;
 158     real           *mass_cavity = NULL, mass_tot;
 159     int             nbin;
 160     double          invbinw, *bin, refvolshift, logV, bUlogV;
 161     real            dvdl, prescorr, enercorr, dvdlcorr;
 162     gmx_bool        bEnergyOutOfBounds;
 163     const char     *tpid_leg[2] = {"direct", "reweighted"};
 164
 165     /* Since there is no upper limit to the insertion energies,
 166      * we need to set an upper limit for the distribution output.
 167      */
 168     real bU_bin_limit      = 50;
 169     real bU_logV_bin_limit = bU_bin_limit + 10;
 170
 171     if (inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
 172     {
 173         gmx_fatal(FARGS, "TPI does not work (yet) with the Verlet cut-off scheme");
 174     }
 175
 176     nnodes = cr->nnodes;
 177
 178     top = gmx_mtop_generate_local_top(top_global, inputrec);
 179
 180     groups = &top_global->groups;
 181
 182     bCavity = (inputrec->eI == eiTPIC);
 183     if (bCavity)
 184     {
 185         ptr = getenv("GMX_TPIC_MASSES");
 186         if (ptr == NULL)
 187         {
 188             nat_cavity = 1;
 189         }
 190         else
 191         {
 192             /* Read (multiple) masses from env var GMX_TPIC_MASSES,
 193              * The center of mass of the last atoms is then used for TPIC.
 194              */
 195             nat_cavity = 0;
 196             while (sscanf(ptr, "%lf%n", &dbl, &i) > 0)
 197             {
 198                 srenew(mass_cavity, nat_cavity+1);
 199                 mass_cavity[nat_cavity] = dbl;
 200                 fprintf(fplog, "mass[%d] = %f\n",
 201                         nat_cavity+1, mass_cavity[nat_cavity]);
 202                 nat_cavity++;
 203                 ptr += i;
 204             }
 205             if (nat_cavity == 0)
 206             {
 207                 gmx_fatal(FARGS, "Found %d masses in GMX_TPIC_MASSES", nat_cavity);
 208             }
 209         }
 210     }
 211
 212     /*
 213        init_em(fplog,TPI,inputrec,&lambda,nrnb,mu_tot,
 214        state->box,fr,mdatoms,top,cr,nfile,fnm,NULL,NULL);*/
 215     /* We never need full pbc for TPI */
 216     fr->ePBC = epbcXYZ;
 217     /* Determine the temperature for the Boltzmann weighting */
 218     temp = inputrec->opts.ref_t[0];
 219     if (fplog)
 220     {
 221         for (i = 1; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
 222         {
 223             if (inputrec->opts.ref_t[i] != temp)
 224             {
 225                 fprintf(fplog, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 226                 fprintf(stderr, "\nWARNING: The temperatures of the different temperature coupling groups are not identical\n\n");
 227             }
 228         }
 229         fprintf(fplog,
 230                 "\n  The temperature for test particle insertion is %.3f K\n\n",
 231                 temp);
 232     }
 233     beta = 1.0/(BOLTZ*temp);
 234
 235     /* Number of insertions per frame */
 236     nsteps = inputrec->nsteps;
 237
 238     /* Use the same neighborlist with more insertions points
 239      * in a sphere of radius drmax around the initial point
 240      */
 241     /* This should be a proper mdp parameter */
 242     drmax = inputrec->rtpi;
 243
 244     /* An environment variable can be set to dump all configurations
 245      * to pdb with an insertion energy <= this value.
 246      */
 247     dump_pdb  = getenv("GMX_TPI_DUMP");
 248     dump_ener = 0;
 249     if (dump_pdb)
 250     {
 251         sscanf(dump_pdb, "%lf", &dump_ener);
 252     }
 253
 254     atoms2md(top_global, inputrec, 0, NULL, top_global->natoms, mdatoms);
 255     update_mdatoms(mdatoms, inputrec->fepvals->init_lambda);
 256
 257     snew(enerd, 1);
 258     init_enerdata(groups->grps[egcENER].nr, inputrec->fepvals->n_lambda, enerd);
 259     snew(f, top_global->natoms);
 260
 261     /* Print to log file  */
 262     walltime_accounting_start(walltime_accounting);
 263     wallcycle_start(wcycle, ewcRUN);
 264     print_start(fplog, cr, walltime_accounting, "Test Particle Insertion");
 265
 266     /* The last charge group is the group to be inserted */
 267     cg_tp = top->cgs.nr - 1;
 268     a_tp0 = top->cgs.index[cg_tp];
 269     a_tp1 = top->cgs.index[cg_tp+1];
 270     if (debug)
 271     {
 272         fprintf(debug, "TPI cg %d, atoms %d-%d\n", cg_tp, a_tp0, a_tp1);
 273     }
 274     if (a_tp1 - a_tp0 > 1 &&
 275         (inputrec->rlist < inputrec->rcoulomb ||
 276          inputrec->rlist < inputrec->rvdw))
 277     {
 278         gmx_fatal(FARGS, "Can not do TPI for multi-atom molecule with a twin-range cut-off");
 279     }
 280     snew(x_mol, a_tp1-a_tp0);
 281
 282     bDispCorr = (inputrec->eDispCorr != edispcNO);
 283     bCharge   = FALSE;
 284     for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 285     {
 286         /* Copy the coordinates of the molecule to be insterted */
 287         copy_rvec(state->x[i], x_mol[i-a_tp0]);
 288         /* Check if we need to print electrostatic energies */
 289         bCharge |= (mdatoms->chargeA[i] != 0 ||
 290                     (mdatoms->chargeB && mdatoms->chargeB[i] != 0));
 291     }
 292     bRFExcl = (bCharge && EEL_RF(fr->eeltype) && fr->eeltype != eelRF_NEC);
 293
 294     calc_cgcm(fplog, cg_tp, cg_tp+1, &(top->cgs), state->x, fr->cg_cm);
 295     if (bCavity)
 296     {
 297         if (norm(fr->cg_cm[cg_tp]) > 0.5*inputrec->rlist && fplog)
 298         {
 299             fprintf(fplog, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 300             fprintf(stderr, "WARNING: Your TPI molecule is not centered at 0,0,0\n");
 301         }
 302     }
 303     else
 304     {
 305         /* Center the molecule to be inserted at zero */
 306         for (i = 0; i < a_tp1-a_tp0; i++)
 307         {
 308             rvec_dec(x_mol[i], fr->cg_cm[cg_tp]);
 309         }
 310     }
 311
 312     if (fplog)
 313     {
 314         fprintf(fplog, "\nWill insert %d atoms %s partial charges\n",
 315                 a_tp1-a_tp0, bCharge ? "with" : "without");
 316
 317         fprintf(fplog, "\nWill insert %d times in each frame of %s\n",
 318                 (int)nsteps, opt2fn("-rerun", nfile, fnm));
 319     }
 320
 321     if (!bCavity)
 322     {
 323         if (inputrec->nstlist > 1)
 324         {
 325             if (drmax == 0 && a_tp1-a_tp0 == 1)
 326             {
 327                 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);
 328             }
 329             if (fplog)
 330             {
 331                 fprintf(fplog, "Will use the same neighborlist for %d insertions in a sphere of radius %f\n", inputrec->nstlist, drmax);
 332             }
 333         }
 334     }
 335     else
 336     {
 337         if (fplog)
 338         {
 339             fprintf(fplog, "Will insert randomly in a sphere of radius %f around the center of the cavity\n", drmax);
 340         }
 341     }
 342
 343     ngid   = groups->grps[egcENER].nr;
 344     gid_tp = GET_CGINFO_GID(fr->cginfo[cg_tp]);
 345     nener  = 1 + ngid;
 346     if (bDispCorr)
 347     {
 348         nener += 1;
 349     }
 350     if (bCharge)
 351     {
 352         nener += ngid;
 353         if (bRFExcl)
 354         {
 355             nener += 1;
 356         }
 357         if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 358         {
 359             nener += 1;
 360         }
 361     }
 362     snew(sum_UgembU, nener);
 363
 364     /* Copy the random seed set by the user */
 365     seed = inputrec->ld_seed;
 366     /* We use the frame step number as one random counter.
 367      * The second counter use the insertion (step) count. But we
 368      * need multiple random numbers per insertion. This number is
 369      * not fixed, since we generate random locations in a sphere
 370      * by putting locations in a cube and some of these fail.
 371      * A count of 20 is already extremely unlikely, so 10000 is
 372      * a safe margin for random numbers per insertion.
 373      */
 374     rnd_count_stride = 10000;
 375
 376     if (MASTER(cr))
 377     {
 378         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpi", nfile, fnm),
 379                           "TPI energies", "Time (ps)",
 380                           "(kJ mol\\S-1\\N) / (nm\\S3\\N)", oenv);
 381         xvgr_subtitle(fp_tpi, "f. are averages over one frame", oenv);
 382         snew(leg, 4+nener);
 383         e = 0;
 384         sprintf(str, "-kT log(<Ve\\S-\\betaU\\N>/<V>)");
 385         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 386         sprintf(str, "f. -kT log<e\\S-\\betaU\\N>");
 387         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 388         sprintf(str, "f. <e\\S-\\betaU\\N>");
 389         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 390         sprintf(str, "f. V");
 391         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 392         sprintf(str, "f. <Ue\\S-\\betaU\\N>");
 393         leg[e++] = gmx_strdup(str);
 394         for (i = 0; i < ngid; i++)
 395         {
 396             sprintf(str, "f. <U\\sVdW %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 397                     *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 398             leg[e++] = gmx_strdup(str);
 399         }
 400         if (bDispCorr)
 401         {
 402             sprintf(str, "f. <U\\sdisp c\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 403             leg[e++] = gmx_strdup(str);
 404         }
 405         if (bCharge)
 406         {
 407             for (i = 0; i < ngid; i++)
 408             {
 409                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul %s\\Ne\\S-\\betaU\\N>",
 410                         *(groups->grpname[groups->grps[egcENER].nm_ind[i]]));
 411                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
 412             }
 413             if (bRFExcl)
 414             {
 415                 sprintf(str, "f. <U\\sRF excl\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 416                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
 417             }
 418             if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 419             {
 420                 sprintf(str, "f. <U\\sCoul recip\\Ne\\S-\\betaU\\N>");
 421                 leg[e++] = gmx_strdup(str);
 422             }
 423         }
 424         xvgr_legend(fp_tpi, 4+nener, (const char**)leg, oenv);
 425         for (i = 0; i < 4+nener; i++)
 426         {
 427             sfree(leg[i]);
 428         }
 429         sfree(leg);
 430     }
 431     clear_rvec(x_init);
 432     V_all     = 0;
 433     VembU_all = 0;
 434
 435     invbinw = 10;
 436     nbin    = 10;
 437     snew(bin, nbin);
 438
 439     /* Avoid frame step numbers <= -1 */
 440     frame_step_prev = -1;
 441
 442     bNotLastFrame = read_first_frame(oenv, &status, opt2fn("-rerun", nfile, fnm),
 443                                      &rerun_fr, TRX_NEED_X);
 444     frame = 0;
 445
 446     if (rerun_fr.natoms - (bCavity ? nat_cavity : 0) !=
 447         mdatoms->nr - (a_tp1 - a_tp0))
 448     {
 449         gmx_fatal(FARGS, "Number of atoms in trajectory (%d)%s "
 450                   "is not equal the number in the run input file (%d) "
 451                   "minus the number of atoms to insert (%d)\n",
 452                   rerun_fr.natoms, bCavity ? " minus one" : "",
 453                   mdatoms->nr, a_tp1-a_tp0);
 454     }
 455
 456     refvolshift = log(det(rerun_fr.box));
 457
 458     switch (inputrec->eI)
 459     {
 460         case eiTPI:
 461             stepblocksize = inputrec->nstlist;
 462             break;
 463         case eiTPIC:
 464             stepblocksize = 1;
 465             break;
 466         default:
 467             gmx_fatal(FARGS, "Unknown integrator %s", ei_names[inputrec->eI]);
 468     }
 469
 470 #ifdef GMX_SIMD
 471     /* Make sure we don't detect SIMD overflow generated before this point */
 472     gmx_simd_check_and_reset_overflow();
 473 #endif
 474
 475     while (bNotLastFrame)
 476     {
 477         frame_step      = rerun_fr.step;
 478         if (frame_step <= frame_step_prev)
 479         {
 480             /* We don't have step number in the trajectory file,
 481              * or we have constant or decreasing step numbers.
 482              * Ensure we have increasing step numbers, since we use
 483              * the step numbers as a counter for random numbers.
 484              */
 485             frame_step  = frame_step_prev + 1;
 486         }
 487         frame_step_prev = frame_step;
 488
 489         lambda = rerun_fr.lambda;
 490         t      = rerun_fr.time;
 491
 492         sum_embU = 0;
 493         for (e = 0; e < nener; e++)
 494         {
 495             sum_UgembU[e] = 0;
 496         }
 497
 498         /* Copy the coordinates from the input trajectory */
 499         for (i = 0; i < rerun_fr.natoms; i++)
 500         {
 501             copy_rvec(rerun_fr.x[i], state->x[i]);
 502         }
 503         copy_mat(rerun_fr.box, state->box);
 504
 505         V    = det(state->box);
 506         logV = log(V);
 507
 508         bStateChanged = TRUE;
 509         bNS           = TRUE;
 510
 511         step = cr->nodeid*stepblocksize;
 512         while (step < nsteps)
 513         {
 514             /* Initialize the second counter for random numbers using
 515              * the insertion step index. This ensures that we get
 516              * the same random numbers independently of how many
 517              * MPI ranks we use. Also for the same seed, we get
 518              * the same initial random sequence for different nsteps.
 519              */
 520             rnd_count = step*rnd_count_stride;
 521
 522             if (!bCavity)
 523             {
 524                 /* Random insertion in the whole volume */
 525                 bNS = (step % inputrec->nstlist == 0);
 526                 if (bNS)
 527                 {
 528                     /* Generate a random position in the box */
 529                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 530                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 531                     for (d = 0; d < DIM; d++)
 532                     {
 533                         x_init[d] = rnd[d]*state->box[d][d];
 534                     }
 535                 }
 536                 if (inputrec->nstlist == 1)
 537                 {
 538                     copy_rvec(x_init, x_tp);
 539                 }
 540                 else
 541                 {
 542                     /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 543                     do
 544                     {
 545                         gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 546                         gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 547                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 548                         {
 549                             dx[d] = (2*rnd[d] - 1)*drmax;
 550                         }
 551                     }
 552                     while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 553                     rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 554                 }
 555             }
 556             else
 557             {
 558                 /* Random insertion around a cavity location
 559                  * given by the last coordinate of the trajectory.
 560                  */
 561                 if (step == 0)
 562                 {
 563                     if (nat_cavity == 1)
 564                     {
 565                         /* Copy the location of the cavity */
 566                         copy_rvec(rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-1], x_init);
 567                     }
 568                     else
 569                     {
 570                         /* Determine the center of mass of the last molecule */
 571                         clear_rvec(x_init);
 572                         mass_tot = 0;
 573                         for (i = 0; i < nat_cavity; i++)
 574                         {
 575                             for (d = 0; d < DIM; d++)
 576                             {
 577                                 x_init[d] +=
 578                                     mass_cavity[i]*rerun_fr.x[rerun_fr.natoms-nat_cavity+i][d];
 579                             }
 580                             mass_tot += mass_cavity[i];
 581                         }
 582                         for (d = 0; d < DIM; d++)
 583                         {
 584                             x_init[d] /= mass_tot;
 585                         }
 586                     }
 587                 }
 588                 /* Generate coordinates within |dx|=drmax of x_init */
 589                 do
 590                 {
 591                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 592                     gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 593                     for (d = 0; d < DIM; d++)
 594                     {
 595                         dx[d] = (2*rnd[d] - 1)*drmax;
 596                     }
 597                 }
 598                 while (norm2(dx) > drmax*drmax);
 599                 rvec_add(x_init, dx, x_tp);
 600             }
 601
 602             if (a_tp1 - a_tp0 == 1)
 603             {
 604                 /* Insert a single atom, just copy the insertion location */
 605                 copy_rvec(x_tp, state->x[a_tp0]);
 606             }
 607             else
 608             {
 609                 /* Copy the coordinates from the top file */
 610                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 611                 {
 612                     copy_rvec(x_mol[i-a_tp0], state->x[i]);
 613                 }
 614                 /* Rotate the molecule randomly */
 615                 gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd);
 616                 gmx_rng_cycle_2uniform(frame_step, rnd_count++, seed, RND_SEED_TPI, rnd+2);
 617                 rotate_conf(a_tp1-a_tp0, state->x+a_tp0, NULL,
 618                             2*M_PI*rnd[0],
 619                             2*M_PI*rnd[1],
 620                             2*M_PI*rnd[2]);
 621                 /* Shift to the insertion location */
 622                 for (i = a_tp0; i < a_tp1; i++)
 623                 {
 624                     rvec_inc(state->x[i], x_tp);
 625                 }
 626             }
 627
 628             /* Clear some matrix variables  */
 629             clear_mat(force_vir);
 630             clear_mat(shake_vir);
 631             clear_mat(vir);
 632             clear_mat(pres);
 633
 634             /* Set the charge group center of mass of the test particle */
 635             copy_rvec(x_init, fr->cg_cm[top->cgs.nr-1]);
 636
 637             /* Calc energy (no forces) on new positions.
 638              * Since we only need the intermolecular energy
 639              * and the RF exclusion terms of the inserted molecule occur
 640              * within a single charge group we can pass NULL for the graph.
 641              * This also avoids shifts that would move charge groups
 642              * out of the box.
 643              *
 644              * Some checks above ensure than we can not have
 645              * twin-range interactions together with nstlist > 1,
 646              * therefore we do not need to remember the LR energies.
 647              */
 648             /* Make do_force do a single node force calculation */
 649             cr->nnodes = 1;
 650             do_force(fplog, cr, inputrec,
 651                      step, nrnb, wcycle, top, &top_global->groups,
 652                      state->box, state->x, &state->hist,
 653                      f, force_vir, mdatoms, enerd, fcd,
 654                      state->lambda,
 655                      NULL, fr, NULL, mu_tot, t, NULL, NULL, FALSE,
 656                      GMX_FORCE_NONBONDED | GMX_FORCE_ENERGY |
 657                      (bNS ? GMX_FORCE_DYNAMICBOX | GMX_FORCE_NS | GMX_FORCE_DO_LR : 0) |
 658                      (bStateChanged ? GMX_FORCE_STATECHANGED : 0));
 659             cr->nnodes    = nnodes;
 660             bStateChanged = FALSE;
 661             bNS           = FALSE;
 662
 663             /* Calculate long range corrections to pressure and energy */
 664             calc_dispcorr(inputrec, fr, top_global->natoms, state->box,
 665                           lambda, pres, vir, &prescorr, &enercorr, &dvdlcorr);
 666             /* figure out how to rearrange the next 4 lines MRS 8/4/2009 */
 667             enerd->term[F_DISPCORR]  = enercorr;
 668             enerd->term[F_EPOT]     += enercorr;
 669             enerd->term[F_PRES]     += prescorr;
 670             enerd->term[F_DVDL_VDW] += dvdlcorr;
 671
 672             epot               = enerd->term[F_EPOT];
 673             bEnergyOutOfBounds = FALSE;
 674 #ifdef GMX_SIMD_X86_SSE2_OR_HIGHER
 675             /* With SSE the energy can overflow, check for this */
 676             if (gmx_mm_check_and_reset_overflow())
 677             {
 678                 if (debug)
 679                 {
 680                     fprintf(debug, "Found an SSE overflow, assuming the energy is out of bounds\n");
 681                 }
 682                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 683             }
 684 #endif
 685             /* If the compiler doesn't optimize this check away
 686              * we catch the NAN energies.
 687              * The epot>GMX_REAL_MAX check catches inf values,
 688              * which should nicely result in embU=0 through the exp below,
 689              * but it does not hurt to check anyhow.
 690              */
 691             /* Non-bonded Interaction usually diverge at r=0.
 692              * With tabulated interaction functions the first few entries
 693              * should be capped in a consistent fashion between
 694              * repulsion, dispersion and Coulomb to avoid accidental
 695              * negative values in the total energy.
 696              * The table generation code in tables.c does this.
 697              * With user tbales the user should take care of this.
 698              */
 699             if (epot != epot || epot > GMX_REAL_MAX)
 700             {
 701                 bEnergyOutOfBounds = TRUE;
 702             }
 703             if (bEnergyOutOfBounds)
 704             {
 705                 if (debug)
 706                 {
 707                     fprintf(debug, "\n  time %.3f, step %d: non-finite energy %f, using exp(-bU)=0\n", t, (int)step, epot);
 708                 }
 709                 embU = 0;
 710             }
 711             else
 712             {
 713                 embU      = exp(-beta*epot);
 714                 sum_embU += embU;
 715                 /* Determine the weighted energy contributions of each energy group */
 716                 e                = 0;
 717                 sum_UgembU[e++] += epot*embU;
 718                 if (fr->bBHAM)
 719                 {
 720                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 721                     {
 722                         sum_UgembU[e++] +=
 723                             (enerd->grpp.ener[egBHAMSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 724                              enerd->grpp.ener[egBHAMLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 725                     }
 726                 }
 727                 else
 728                 {
 729                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 730                     {
 731                         sum_UgembU[e++] +=
 732                             (enerd->grpp.ener[egLJSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 733                              enerd->grpp.ener[egLJLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 734                     }
 735                 }
 736                 if (bDispCorr)
 737                 {
 738                     sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_DISPCORR]*embU;
 739                 }
 740                 if (bCharge)
 741                 {
 742                     for (i = 0; i < ngid; i++)
 743                     {
 744                         sum_UgembU[e++] +=
 745                             (enerd->grpp.ener[egCOULSR][GID(i, gid_tp, ngid)] +
 746                              enerd->grpp.ener[egCOULLR][GID(i, gid_tp, ngid)])*embU;
 747                     }
 748                     if (bRFExcl)
 749                     {
 750                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_RF_EXCL]*embU;
 751                     }
 752                     if (EEL_FULL(fr->eeltype))
 753                     {
 754                         sum_UgembU[e++] += enerd->term[F_COUL_RECIP]*embU;
 755                     }
 756                 }
 757             }
 758
 759             if (embU == 0 || beta*epot > bU_bin_limit)
 760             {
 761                 bin[0]++;
 762             }
 763             else
 764             {
 765                 i = (int)((bU_logV_bin_limit
 766                            - (beta*epot - logV + refvolshift))*invbinw
 767                           + 0.5);
 768                 if (i < 0)
 769                 {
 770                     i = 0;
 771                 }
 772                 if (i >= nbin)
 773                 {
 774                     realloc_bins(&bin, &nbin, i+10);
 775                 }
 776                 bin[i]++;
 777             }
 778
 779             if (debug)
 780             {
 781                 fprintf(debug, "TPI %7d %12.5e %12.5f %12.5f %12.5f\n",
 782                         (int)step, epot, x_tp[XX], x_tp[YY], x_tp[ZZ]);
 783             }
 784
 785             if (dump_pdb && epot <= dump_ener)
 786             {
 787                 sprintf(str, "t%g_step%d.pdb", t, (int)step);
 788                 sprintf(str2, "t: %f step %d ener: %f", t, (int)step, epot);
 789                 write_sto_conf_mtop(str, str2, top_global, state->x, state->v,
 790                                     inputrec->ePBC, state->box);
 791             }
 792
 793             step++;
 794             if ((step/stepblocksize) % cr->nnodes != cr->nodeid)
 795             {
 796                 /* Skip all steps assigned to the other MPI ranks */
 797                 step += (cr->nnodes - 1)*stepblocksize;
 798             }
 799         }
 800
 801         if (PAR(cr))
 802         {
 803             /* When running in parallel sum the energies over the processes */
 804             gmx_sumd(1,    &sum_embU, cr);
 805             gmx_sumd(nener, sum_UgembU, cr);
 806         }
 807
 808         frame++;
 809         V_all     += V;
 810         VembU_all += V*sum_embU/nsteps;
 811
 812         if (fp_tpi)
 813         {
 814             if (bVerbose || frame%10 == 0 || frame < 10)
 815             {
 816                 fprintf(stderr, "mu %10.3e <mu> %10.3e\n",
 817                         -log(sum_embU/nsteps)/beta, -log(VembU_all/V_all)/beta);
 818             }
 819
 820             fprintf(fp_tpi, "%10.3f %12.5e %12.5e %12.5e %12.5e",
 821                     t,
 822                     VembU_all == 0 ? 20/beta : -log(VembU_all/V_all)/beta,
 823                     sum_embU == 0  ? 20/beta : -log(sum_embU/nsteps)/beta,
 824                     sum_embU/nsteps, V);
 825             for (e = 0; e < nener; e++)
 826             {
 827                 fprintf(fp_tpi, " %12.5e", sum_UgembU[e]/nsteps);
 828             }
 829             fprintf(fp_tpi, "\n");
 830             fflush(fp_tpi);
 831         }
 832
 833         bNotLastFrame = read_next_frame(oenv, status, &rerun_fr);
 834     } /* End of the loop  */
 835     walltime_accounting_end(walltime_accounting);
 836
 837     close_trj(status);
 838
 839     if (fp_tpi != NULL)
 840     {
 841         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 842     }
 843
 844     if (fplog != NULL)
 845     {
 846         fprintf(fplog, "\n");
 847         fprintf(fplog, "  <V>  = %12.5e nm^3\n", V_all/frame);
 848         fprintf(fplog, "  <mu> = %12.5e kJ/mol\n", -log(VembU_all/V_all)/beta);
 849     }
 850
 851     /* Write the Boltzmann factor histogram */
 852     if (PAR(cr))
 853     {
 854         /* When running in parallel sum the bins over the processes */
 855         i = nbin;
 856         global_max(cr, &i);
 857         realloc_bins(&bin, &nbin, i);
 858         gmx_sumd(nbin, bin, cr);
 859     }
 860     if (MASTER(cr))
 861     {
 862         fp_tpi = xvgropen(opt2fn("-tpid", nfile, fnm),
 863                           "TPI energy distribution",
 864                           "\\betaU - log(V/<V>)", "count", oenv);
 865         sprintf(str, "number \\betaU > %g: %9.3e", bU_bin_limit, bin[0]);
 866         xvgr_subtitle(fp_tpi, str, oenv);
 867         xvgr_legend(fp_tpi, 2, (const char **)tpid_leg, oenv);
 868         for (i = nbin-1; i > 0; i--)
 869         {
 870             bUlogV = -i/invbinw + bU_logV_bin_limit - refvolshift + log(V_all/frame);
 871             fprintf(fp_tpi, "%6.2f %10d %12.5e\n",
 872                     bUlogV,
 873                     (int)(bin[i]+0.5),
 874                     bin[i]*exp(-bUlogV)*V_all/VembU_all);
 875         }
 876         gmx_fio_fclose(fp_tpi);
 877     }
 878     sfree(bin);
 879
 880     sfree(sum_UgembU);
 881
 882     walltime_accounting_set_nsteps_done(walltime_accounting, frame*inputrec->nsteps);
 883
 884     return 0;
 885 }