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