moldyn.h

   1 /*
   2  * moldyn.h - molecular dynamics library header file
   3  *
   4  * author: Frank Zirkelbach <frank.zirkelbach@physik.uni-augsburg.de>
   5  *
   6  */
   7
   8 #ifndef MOLDYN_H
   9 #define MOLDYN_H
  10
  11 #include "math/math.h"
  12 #include "random/random.h"
  13 #include "list/list.h"
  14
  15 /*
  16  *
  17  * datatypes
  18  *
  19  */
  20
  21 /* general */
  22 typedef unsigned char u8;
  23
  24 /* virial */
  25 typedef struct s_virial {
  26         double xx;      /*                      | xx     xy     xz |    */
  27         double yy;      /*      V       =       | yx     yy     yz |    */
  28         double zz;      /*                      | zx     zy     zz |    */
  29         double xy;      /*                                              */
  30         double xz;      /*      with:   xy=yx, xz=zx, yz=zy             */
  31         double yz;      /*                                              */
  32 } t_virial;
  33
  34 /* the atom of the md simulation */
  35 typedef struct s_atom {
  36         t_3dvec r_0;            /* initial position */
  37         t_3dvec r;              /* position */
  38         t_3dvec v;              /* velocity */
  39         t_3dvec f;              /* force */
  40         t_virial virial;        /* virial */
  41         double e;               /* site energy */
  42         double ekin;            /* kinetic energy */
  43         int element;            /* number of element in pse */
  44         double mass;            /* atom mass */
  45         u8 brand;               /* brand id */
  46         int tag;                /* atom unique id (number of atom) */
  47         u8 attr;                /* attributes */
  48 } t_atom;
  49
  50 #define ATOM_ATTR_FP    0x01    /* fixed position (bulk material) */
  51 #define ATOM_ATTR_HB    0x02    /* coupled to heat bath (velocity scaling) */
  52 #define ATOM_ATTR_VA    0x04    /* visualize this atom */ // TODO
  53 #define ATOM_ATTR_VB    0x08    /* visualize the bond of this atom */
  54
  55 #define ATOM_ATTR_1BP   0x10    /* single paricle potential */
  56 #define ATOM_ATTR_2BP   0x20    /* pair potential */
  57 #define ATOM_ATTR_3BP   0x40    /* 3 body potential */
  58
  59 #define DEFAULT_ATOM_ATTR       0x74    // 1,2,3 body interaction + visualize
  60
  61 /* special list structure for low mem approach */
  62 typedef struct s_lowmem_list {
  63         int *head;
  64         int *list;
  65 } t_lowmem_list;
  66
  67 /* cell lists */
  68 typedef struct s_linkcell {
  69         int nx,ny,nz;           /* amount of cells in x, y and z direction */
  70         int cells;              /* total amount of cells */
  71         double len;             /* prefered cell edge length */
  72         double x,y,z;           /* the actual cell lengthes */
  73 #ifdef STATIC_LISTS
  74         int **subcell;          /* pointer to the cell lists */
  75 #elif LOWMEM_LISTS
  76         t_lowmem_list *subcell; /* low mem approach list */
  77 #else
  78         t_list *subcell;        /* pointer to the cell lists */
  79 #endif
  80         int dnlc;               /* direct neighbour lists counter */
  81 } t_linkcell;
  82
  83 #define MAX_ATOMS_PER_LIST      20
  84
  85 /* moldyn schedule structure */
  86 typedef struct s_moldyn_schedule {
  87         int count;
  88         int total_sched;
  89         int *runs;
  90         double *tau;
  91         int (*hook)(void *moldyn,void *hook_params);
  92         void *hook_params;
  93 } t_moldyn_schedule;
  94
  95 /* visualization structure */
  96 typedef struct s_visual {
  97         int fd;                 /* rasmol script file descriptor */
  98         char fb[128];           /* basename of the save files */
  99         t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation cell */
 100 } t_visual;
 101
 102 /* moldyn main structure */
 103 typedef struct s_moldyn {
 104         int argc;               /* number of arguments */
 105         char **args;            /* pointer to arguments */
 106
 107         int count;              /* total amount of atoms */
 108         double mass;            /* total system mass */
 109         t_atom *atom;           /* pointer to the atoms */
 110
 111         t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation volume */
 112         double volume;          /* volume of sim cell (dim.x*dim.y*dim.z) */
 113
 114         /* potential force function and parameter pointers */
 115         int (*func1b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai);
 116         int (*func2b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 117         int (*func3b_j1)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 118         int (*func3b_j2)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 119         int (*func3b_j3)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 120         int (*func3b_k1)(struct s_moldyn *moldyn,
 121                          t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bck);
 122         int (*func3b_k2)(struct s_moldyn *moldyn,
 123                          t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bck);
 124         void *pot_params;
 125         unsigned char run3bp;
 126
 127         double cutoff;          /* cutoff radius */
 128         double cutoff_square;   /* square of the cutoff radius */
 129         double nnd;             /* nearest neighbour distance (optional) */
 130
 131         t_linkcell lc;          /* linked cell list interface */
 132
 133         int avg_skip;           /* amount of steps without average calc */
 134
 135         double t_ref;           /* reference temperature */
 136         double t;               /* actual temperature */
 137         double t_sum;           /* sum over all t */
 138         double t_avg;           /* average value of t */
 139
 140         /* for sale! */
 141         t_virial gvir;          /* global virial (absolute coordinates) */
 142         //double gv;
 143         //double gv_sum;
 144         //double gv_avg;
 145         double sale1;
 146         double sale2;
 147         double sale3;
 148
 149         // gp stuff exchanged by kinetic energies
 150         //double gp;            /* pressure computed from global virial */
 151         //double gp_sum;                /* sum over all gp */
 152         //double gp_avg;                /* average value of gp */
 153         double ekinx;
 154         double ekiny;
 155         double ekinz;
 156
 157         t_virial vir;           /* actual virial */
 158         double virial;
 159         double virial_sum;      /* sum over all calculated virials */
 160         double virial_avg;      /* average of virial */
 161
 162         double p_ref;           /* reference pressure */
 163         double p;               /* actual pressure (computed by virial) */
 164         double px,py,pz;        /* components of pressure */
 165         double p_sum;           /* sum over all p */
 166         double p_avg;           /* average value of p */
 167
 168         double tp;              /* thermodynamic pressure dU/dV */
 169         double tp_sum;          /* sum over dU/dV pressure */
 170         double tp_avg;          /* average value of dU/dV pressure */
 171         int tp_cnt;             /* how often to do thermodynamic p calc */
 172
 173         /* pressure and temperature control (velocity/volume scaling) */
 174         /* (t_tc in units of tau, p_tc in units of tau * isoth. compressib.) */
 175         unsigned char pt_scale; /* type of p and t scaling */
 176         double t_tc;            /* t berendsen control time constant */
 177         double p_tc;            /* p berendsen control time constant */
 178
 179         /* simulation schedule */
 180         t_moldyn_schedule schedule;
 181         int current;            /* current position in schedule */
 182
 183         /* integration function pointer */
 184         int (*integrate)(struct s_moldyn *moldyn);
 185         int time_steps;         /* amount of iterations */
 186         double tau;             /* delta t */
 187         double time;            /* absolute time */
 188         double tau_square;      /* delta t squared */
 189         int total_steps;        /* total steps */
 190
 191         /* energy */
 192         double energy;          /* potential energy */
 193         double ekin;            /* kinetic energy */
 194
 195         /* energy averages & fluctuations */
 196         double k_sum;           /* sum of kinetic energy */
 197         double v_sum;           /* sum of potential energy */
 198         double k_avg;           /* average of kinetic energy */
 199         double v_avg;           /* average of potential energy */
 200         double k2_sum;          /* sum of kinetic energy squared */
 201         double v2_sum;          /* sum of potential energy squared */
 202         double k2_avg;          /* average of kinetic energy squared */
 203         double v2_avg;          /* average of potential energy squared */
 204         double dk2_avg;         /* mean square kinetic energy fluctuations */
 205         double dv2_avg;         /* mean square potential energy fluctuations */
 206
 207         /* response functions */
 208         double c_v_nve;         /* constant volume heat capacity (nve) */
 209         double c_v_nvt;         /* constant volume heat capacity (nvt) */
 210
 211         char vlsdir[128];       /* visualization/log/save directory */
 212         t_visual vis;           /* visualization interface structure */
 213         u8 vlsprop;             /* log/vis/save properties */
 214         unsigned int ewrite;    /* how often to log energy */
 215         int efd;                /* fd for energy log */
 216         unsigned int mwrite;    /* how often to log momentum */
 217         int mfd;                /* fd for momentum log */
 218         unsigned int pwrite;    /* how often to log pressure */
 219         int pfd;                /* fd for pressure log */
 220         unsigned int twrite;    /* how often to log temperature */
 221         int tfd;                /* fd for temperature log */
 222         unsigned int vwrite;    /* how often to log volume */
 223         int vfd;                /* fd for volume log */
 224         unsigned int awrite;    /* how often to visualize atom information */
 225         unsigned int swrite;    /* how often to create a save file */
 226         int rfd;                /* report file descriptor */
 227         char rtitle[64];        /* report title */
 228         char rauthor[64];       /* report author */
 229         int epfd;               /* energy gnuplot script file descriptor */
 230         int ppfd;               /* pressure gnuplot script file descriptor */
 231         int tpfd;               /* temperature gnuplot script file descriptor */
 232
 233         u8 status;              /* general moldyn properties */
 234
 235         t_random random;        /* random interface */
 236
 237         double debug;           /* debugging stuff, ignore */
 238
 239         /* potential 2 body check function */
 240         int (*check_2b_bond)(struct s_moldyn *moldyn,
 241                              t_atom *itom,t_atom *jtom,u8 bc);
 242 } t_moldyn;
 243
 244 typedef struct s_pcc {
 245         int o1;
 246         int o2;
 247         double dr;
 248         double *stat;
 249 } t_pcc;
 250
 251 typedef struct s_ba {
 252         int *acnt;
 253         int *bcnt;
 254         int tcnt;
 255 } t_ba;
 256
 257 typedef struct s_vb {
 258         int fd;
 259 } t_vb;
 260
 261 typedef struct s_part_params {
 262         u8 type;
 263         double r;
 264         t_3dvec p;
 265         t_3dvec d;
 266 } t_part_params;
 267
 268 #define PART_INSIDE_R   1
 269 #define PART_OUTSIDE_R  2
 270 #define PART_INSIDE_D   3
 271 #define PART_OUTSIDE_D  4
 272
 273 typedef struct s_defect_params {
 274         u8 type;
 275         u8 stype;
 276         double od;
 277         double dd;
 278         int element;
 279         u8 brand;
 280         u8 attr;
 281 } t_defect_params;
 282
 283 #define DEFECT_TYPE_0D  1
 284 #define DEFECT_TYPE_1D  2
 285 #define DEFECT_TYPE_2D  3
 286 #define DEFECT_TYPE_3D  4
 287
 288 #define DEFECT_STYPE_DB_X       1
 289 #define DEFECT_STYPE_DB_Y       2
 290 #define DEFECT_STYPE_DB_Z       3
 291 #define DEFECT_STYPE_DB_R       4
 292
 293 /*
 294  *
 295  *  defines
 296  *
 297  */
 298
 299 #define MOLDYN_STAT_PBX                 0x01    /* periodic boudaries in x */
 300 #define MOLDYN_STAT_PBY                 0x02    /* y */
 301 #define MOLDYN_STAT_PBZ                 0x04    /* and z direction */
 302
 303 #define MOLDYN_PSCALE                   0x08    /* size controlled by piston */
 304
 305 #define MOLDYN_1BP                      0x10    /* care about single */
 306 #define MOLDYN_2BP                      0x20    /* 2 body */
 307 #define MOLDYN_3BP                      0x40    /* and 3 body particle pots */
 308
 309 #define T_SCALE_NONE                    0x00
 310 #define T_SCALE_BERENDSEN               0x01    /* berendsen t control */
 311 #define T_SCALE_DIRECT                  0x02    /* direct t control */
 312 #define T_SCALE_MASK                    0x03
 313
 314 #define P_SCALE_NONE                    0x00
 315 #define P_SCALE_BERENDSEN               0x04    /* berendsen p control */
 316 #define P_SCALE_DIRECT                  0x08    /* direct p control */
 317 #define P_SCALE_MASK                    0x0c
 318
 319 /*
 320  * default values & units
 321  *
 322  * - length unit: 1 A (1 A = 1e-10 m)
 323  * - time unit: 1 fs (1 fs = 1e-15 s)
 324  * - mass unit: 1 amu (1 amu = 1.6605388628e-27 kg )
 325  *
 326  * fyi: in the following 1 N = (amu*A)/(fs*fs)
 327  *
 328  */
 329
 330 #define METER                           1e10                    /* A */
 331 #define SECOND                          1e15                    /* fs */
 332 #define AMU                             1.6605388628e-27        /* kg */
 333 #define KILOGRAM                        (1.0/AMU)               /* amu */
 334 #define NEWTON  (METER*KILOGRAM/(SECOND*SECOND))        /* A amu / fs^2 */
 335 #define PASCAL  (NEWTON/(METER*METER))                  /* N / A^2 */
 336 #define GPA     (1e9*PASCAL)                            /* N / A^2 */
 337 #define BAR     ((1.0e5*PASCAL))                        /* N / A^2 */
 338 #define K_BOLTZMANN     (1.380650524e-23*METER*NEWTON)  /* NA/K */
 339 #define K_B2            (K_BOLTZMANN*K_BOLTZMANN)       /* (NA)^2/K^2 */
 340 #define EV              (1.6021765314e-19*METER*NEWTON) /* NA */
 341 #define JOULE           (NEWTON*METER)                  /* NA */
 342
 343 #define MOLDYN_TEMP                     273.0
 344 #define MOLDYN_TAU                      1.0
 345 #define MOLDYN_CUTOFF                   10.0
 346 #define MOLDYN_RUNS                     1000000
 347
 348 #define MOLDYN_INTEGRATE_VERLET         0x00
 349 #define MOLDYN_INTEGRATE_DEFAULT        MOLDYN_INTEGRATE_VERLET
 350
 351 #define MOLDYN_POTENTIAL_HO             0x00
 352 #define MOLDYN_POTENTIAL_LJ             0x01
 353 #define MOLDYN_POTENTIAL_TM             0x02
 354 #define MOLDYN_POTENTIAL_AM             0x03
 355
 356 #define LOG_TOTAL_ENERGY                0x01
 357 #define LOG_TOTAL_MOMENTUM              0x02
 358 #define LOG_PRESSURE                    0x04
 359 #define LOG_TEMPERATURE                 0x08
 360 #define LOG_VOLUME                      0x10
 361 #define SAVE_STEP                       0x20
 362 #define VISUAL_STEP                     0x40
 363 #define CREATE_REPORT                   0x80
 364
 365 #define TRUE                            1
 366 #define FALSE                           0
 367
 368 #define VERBOSE                         1
 369 #define QUIET                           0
 370
 371 #define SCALE_UP                        'u'
 372 #define SCALE_DOWN                      'd'
 373 #define SCALE_DIRECT                    'D'
 374
 375 /*
 376  * usefull constants
 377  */
 378
 379 #define ONE_THIRD               (1.0/3.0)
 380
 381 /*
 382  * element specific defines
 383  */
 384
 385 #define C                       0x06
 386 #define LC_C                    3.567                           /* A */
 387 #define M_C                     12.011                          /* amu */
 388
 389 #define SI                      0x0e
 390 #define LC_SI                   5.43105                         /* A */
 391 #define M_SI                    28.08553                        /* amu */
 392
 393 #define LC_3C_SIC               4.3596                          /* A */
 394
 395 /*
 396  * lattice types
 397  */
 398
 399 #define CUBIC                   0x01
 400 #define FCC                     0x02
 401 #define DIAMOND                 0x04
 402 #define ZINCBLENDE              0x08
 403 #define NONE                    0x80
 404
 405 /*
 406  * more includes
 407  */
 408
 409 //#include "pse.h"
 410
 411 /*
 412  *
 413  * function prototypes
 414  *
 415  */
 416
 417 int moldyn_init(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 418 int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 419
 420 int set_int_alg(t_moldyn *moldyn,u8 algo);
 421 int set_cutoff(t_moldyn *moldyn,double cutoff);
 422 int set_temperature(t_moldyn *moldyn,double t_ref);
 423 int set_pressure(t_moldyn *moldyn,double p_ref);
 424 int set_p_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ptype,double ptc);
 425 int set_t_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ttype,double ttc);
 426 int set_pt_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ptype,double ptc,u8 ttype,double ttc);
 427 int set_dim(t_moldyn *moldyn,double x,double y,double z,u8 visualize);
 428 int set_nn_dist(t_moldyn *moldyn,double dist);
 429 int set_pbc(t_moldyn *moldyn,u8 x,u8 y,u8 z);
 430 int set_potential(t_moldyn *moldyn,u8 type);
 431
 432 int set_avg_skip(t_moldyn *moldyn,int skip);
 433
 434 int moldyn_set_log_dir(t_moldyn *moldyn,char *dir);
 435 int moldyn_set_report(t_moldyn *moldyn,char *author,char *title);
 436 int moldyn_set_log(t_moldyn *moldyn,u8 type,int timer);
 437 int moldyn_log_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 438
 439 int create_lattice(t_moldyn *moldyn,u8 type,double lc,int element,
 440                    u8 attr,u8 brand,int a,int b,int c,t_3dvec *origin,
 441                    t_part_params *p_params,t_defect_params *d_params);
 442 int add_atom(t_moldyn *moldyn,int element,u8 brand,u8 attr,
 443              t_3dvec *r,t_3dvec *v);
 444 int del_atom(t_moldyn *moldyn,int tag);
 445 int cubic_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin,
 446                t_part_params *p_params,t_defect_params *d_params);
 447 int fcc_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin,
 448              t_part_params *p_params,t_defect_params *d_params);
 449 int diamond_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin,
 450                  t_part_params *p_params,t_defect_params *d_params);
 451 int destroy_atoms(t_moldyn *moldyn);
 452
 453 int thermal_init(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
 454 double total_mass_calc(t_moldyn *moldyn);
 455 double temperature_calc(t_moldyn *moldyn);
 456 double get_temperature(t_moldyn *moldyn);
 457 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
 458 double virial_sum(t_moldyn *moldyn);
 459 double pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 460 int average_reset(t_moldyn *moldyn);
 461 int average_and_fluctuation_calc(t_moldyn *moldyn);
 462 int get_heat_capacity(t_moldyn *moldyn);
 463 double thermodynamic_pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 464 double get_pressure(t_moldyn *moldyn);
 465 int scale_volume(t_moldyn *moldyn);
 466 int scale_dim(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 467 int scale_atoms(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 468
 469 double e_kin_calc(t_moldyn *moldyn);
 470 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
 471 t_3dvec get_total_p(t_moldyn *moldyn);
 472
 473 double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist);
 474
 475 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn,u8 vol);
 476 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
 477 #ifdef STATIC_LISTS
 478 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,int **cell);
 479 #elif LOWMEM_LISTS
 480 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,int *cell);
 481 #else
 482 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,t_list *cell);
 483 #endif
 484 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 485
 486 typedef int (*set_hook)(void *,void *);
 487
 488 int moldyn_add_schedule(t_moldyn *moldyn,int runs,double tau);
 489 int moldyn_set_schedule_hook(t_moldyn *moldyn,set_hook hook,void *hook_params);
 490
 491 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 492 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 493
 494 int potential_force_calc(t_moldyn *moldyn);
 495 int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d);
 496 //inline int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d)
 497 //      __attribute__((always_inline));
 498 int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a);
 499 //inline int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a)
 500 //      __attribute__((always_inline));
 501
 502 int moldyn_bc_check(t_moldyn *moldyn);
 503
 504 int moldyn_read_save_file(t_moldyn *moldyn,char *file);
 505 int moldyn_free_save_file(t_moldyn *moldyn);
 506 int moldyn_load(t_moldyn *moldyn);
 507 int process_2b_bonds(t_moldyn *moldyn,void *data,
 508                      int (*process)(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 509                                     void *data,u8 bc));
 510 int process_neighbours(t_moldyn *moldyn,void *data,t_atom *atom,
 511                        int (*process)(t_moldyn *moldyn,t_atom *atom,t_atom *natom,
 512                                       void *data,u8 bc));
 513
 514 int get_line(int fd,char *line,int max);
 515
 516 int pair_correlation_init(t_moldyn *moldyn,double dr);
 517 int calculate_diffusion_coefficient(t_moldyn *moldyn,double *dc);
 518 int calculate_pair_correlation_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,
 519                                        t_atom *jtom,void *data,u8 bc);
 520 int calculate_pair_correlation(t_moldyn *moldyn,double dr,void *ptr);
 521 int bond_analyze_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 522                          void *data,u8 bc);
 523 int bond_analyze(t_moldyn *moldyn,double *quality);
 524
 525 int visual_init(t_moldyn *moldyn,char *filebase);
 526 int visual_bonds_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 527                          void *data,u8 bc);
 528 #ifdef VISUAL_THREAD
 529 void *visual_atoms(void *ptr);
 530 #else
 531 int visual_atoms(t_moldyn *moldyn);
 532 #endif
 533
 534 int fpu_set_rtd(void);
 535
 536 #endif
 537