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 /* cell lists */
  62 typedef struct s_linkcell {
  63         int nx,ny,nz;           /* amount of cells in x, y and z direction */
  64         int cells;              /* total amount of cells */
  65         double len;             /* prefered cell edge length */
  66         double x,y,z;           /* the actual cell lengthes */
  67 #ifdef STATIC_LISTS
  68         int **subcell;          /* pointer to the cell lists */
  69 #else
  70         t_list *subcell;        /* pointer to the cell lists */
  71 #endif
  72         int dnlc;               /* direct neighbour lists counter */
  73 } t_linkcell;
  74
  75 #define MAX_ATOMS_PER_LIST      20
  76
  77 /* moldyn schedule structure */
  78 typedef struct s_moldyn_schedule {
  79         int count;
  80         int total_sched;
  81         int *runs;
  82         double *tau;
  83         int (*hook)(void *moldyn,void *hook_params);
  84         void *hook_params;
  85 } t_moldyn_schedule;
  86
  87 /* visualization structure */
  88 typedef struct s_visual {
  89         int fd;                 /* rasmol script file descriptor */
  90         char fb[128];           /* basename of the save files */
  91         t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation cell */
  92 } t_visual;
  93
  94 /* moldyn main structure */
  95 typedef struct s_moldyn {
  96         int argc;               /* number of arguments */
  97         char **args;            /* pointer to arguments */
  98
  99         int count;              /* total amount of atoms */
 100         double mass;            /* total system mass */
 101         t_atom *atom;           /* pointer to the atoms */
 102
 103         t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation volume */
 104         double volume;          /* volume of sim cell (dim.x*dim.y*dim.z) */
 105
 106         /* potential force function and parameter pointers */
 107         int (*func1b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai);
 108         int (*func2b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 109         int (*func3b_j1)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 110         int (*func3b_j2)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 111         int (*func3b_j3)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 112         int (*func3b_k1)(struct s_moldyn *moldyn,
 113                          t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bck);
 114         int (*func3b_k2)(struct s_moldyn *moldyn,
 115                          t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bck);
 116         void *pot_params;
 117         unsigned char run3bp;
 118
 119         double cutoff;          /* cutoff radius */
 120         double cutoff_square;   /* square of the cutoff radius */
 121         double nnd;             /* nearest neighbour distance (optional) */
 122
 123         t_linkcell lc;          /* linked cell list interface */
 124
 125         int avg_skip;           /* amount of steps without average calc */
 126
 127         double t_ref;           /* reference temperature */
 128         double t;               /* actual temperature */
 129         double t_sum;           /* sum over all t */
 130         double t_avg;           /* average value of t */
 131
 132         t_virial gvir;          /* global virial (absolute coordinates) */
 133         double gv;
 134         double gv_sum;
 135         double gv_avg;
 136
 137         double gp;              /* pressure computed from global virial */
 138         double gp_sum;          /* sum over all gp */
 139         double gp_avg;          /* average value of gp */
 140
 141         t_virial vir;           /* actual virial */
 142         double virial;
 143         double virial_sum;      /* sum over all calculated virials */
 144         double virial_avg;      /* average of virial */
 145
 146         double p_ref;           /* reference pressure */
 147         double p;               /* actual pressure (computed by virial) */
 148         double p_sum;           /* sum over all p */
 149         double p_avg;           /* average value of p */
 150
 151         double tp;              /* thermodynamic pressure dU/dV */
 152         double tp_sum;          /* sum over dU/dV pressure */
 153         double tp_avg;          /* average value of dU/dV pressure */
 154         int tp_cnt;             /* how often to do thermodynamic p calc */
 155
 156         /* pressure and temperature control (velocity/volume scaling) */
 157         /* (t_tc in units of tau, p_tc in units of tau * isoth. compressib.) */
 158         unsigned char pt_scale; /* type of p and t scaling */
 159         double t_tc;            /* t berendsen control time constant */
 160         double p_tc;            /* p berendsen control time constant */
 161
 162         /* simulation schedule */
 163         t_moldyn_schedule schedule;
 164         int current;            /* current position in schedule */
 165
 166         /* integration function pointer */
 167         int (*integrate)(struct s_moldyn *moldyn);
 168         int time_steps;         /* amount of iterations */
 169         double tau;             /* delta t */
 170         double time;            /* absolute time */
 171         double tau_square;      /* delta t squared */
 172         int total_steps;        /* total steps */
 173
 174         /* energy */
 175         double energy;          /* potential energy */
 176         double ekin;            /* kinetic energy */
 177
 178         /* energy averages & fluctuations */
 179         double k_sum;           /* sum of kinetic energy */
 180         double v_sum;           /* sum of potential energy */
 181         double k_avg;           /* average of kinetic energy */
 182         double v_avg;           /* average of potential energy */
 183         double k2_sum;          /* sum of kinetic energy squared */
 184         double v2_sum;          /* sum of potential energy squared */
 185         double k2_avg;          /* average of kinetic energy squared */
 186         double v2_avg;          /* average of potential energy squared */
 187         double dk2_avg;         /* mean square kinetic energy fluctuations */
 188         double dv2_avg;         /* mean square potential energy fluctuations */
 189
 190         /* response functions */
 191         double c_v_nve;         /* constant volume heat capacity (nve) */
 192         double c_v_nvt;         /* constant volume heat capacity (nvt) */
 193
 194         char vlsdir[128];       /* visualization/log/save directory */
 195         t_visual vis;           /* visualization interface structure */
 196         u8 vlsprop;             /* log/vis/save properties */
 197         unsigned int ewrite;    /* how often to log energy */
 198         int efd;                /* fd for energy log */
 199         unsigned int mwrite;    /* how often to log momentum */
 200         int mfd;                /* fd for momentum log */
 201         unsigned int pwrite;    /* how often to log pressure */
 202         int pfd;                /* fd for pressure log */
 203         unsigned int twrite;    /* how often to log temperature */
 204         int tfd;                /* fd for temperature log */
 205         unsigned int vwrite;    /* how often to log volume */
 206         int vfd;                /* fd for volume log */
 207         unsigned int awrite;    /* how often to visualize atom information */
 208         unsigned int swrite;    /* how often to create a save file */
 209         int rfd;                /* report file descriptor */
 210         char rtitle[64];        /* report title */
 211         char rauthor[64];       /* report author */
 212         int epfd;               /* energy gnuplot script file descriptor */
 213         int ppfd;               /* pressure gnuplot script file descriptor */
 214         int tpfd;               /* temperature gnuplot script file descriptor */
 215
 216         u8 status;              /* general moldyn properties */
 217
 218         t_random random;        /* random interface */
 219
 220         double debug;           /* debugging stuff, ignore */
 221
 222         /* potential 2 body check function */
 223         int (*check_2b_bond)(struct s_moldyn *moldyn,
 224                              t_atom *itom,t_atom *jtom,u8 bc);
 225 } t_moldyn;
 226
 227 typedef struct s_pcc {
 228         int o1;
 229         int o2;
 230         double dr;
 231         double *stat;
 232 } t_pcc;
 233
 234 typedef struct s_ba {
 235         int *acnt;
 236         int *bcnt;
 237         int tcnt;
 238 } t_ba;
 239
 240 typedef struct s_vb {
 241         int fd;
 242 } t_vb;
 243
 244 /*
 245  *
 246  *  defines
 247  *
 248  */
 249
 250 #define MOLDYN_STAT_PBX                 0x01    /* periodic boudaries in x */
 251 #define MOLDYN_STAT_PBY                 0x02    /* y */
 252 #define MOLDYN_STAT_PBZ                 0x04    /* and z direction */
 253
 254 #define MOLDYN_PSCALE                   0x08    /* size controlled by piston */
 255
 256 #define MOLDYN_1BP                      0x10    /* care about single */
 257 #define MOLDYN_2BP                      0x20    /* 2 body */
 258 #define MOLDYN_3BP                      0x40    /* and 3 body particle pots */
 259
 260 #define T_SCALE_NONE                    0x00
 261 #define T_SCALE_BERENDSEN               0x01    /* berendsen t control */
 262 #define T_SCALE_DIRECT                  0x02    /* direct t control */
 263 #define T_SCALE_MASK                    0x03
 264
 265 #define P_SCALE_NONE                    0x00
 266 #define P_SCALE_BERENDSEN               0x04    /* berendsen p control */
 267 #define P_SCALE_DIRECT                  0x08    /* direct p control */
 268 #define P_SCALE_MASK                    0x0c
 269
 270 /*
 271  * default values & units
 272  *
 273  * - length unit: 1 A (1 A = 1e-10 m)
 274  * - time unit: 1 fs (1 fs = 1e-15 s)
 275  * - mass unit: 1 amu (1 amu = 1.6605388628e-27 kg )
 276  *
 277  * fyi: in the following 1 N = (amu*A)/(fs*fs)
 278  *
 279  */
 280
 281 #define METER                           1e10                    /* A */
 282 #define SECOND                          1e15                    /* fs */
 283 #define AMU                             1.6605388628e-27        /* kg */
 284 #define KILOGRAM                        (1.0/AMU)               /* amu */
 285 #define NEWTON  (METER*KILOGRAM/(SECOND*SECOND))        /* A amu / fs^2 */
 286 #define PASCAL  (NEWTON/(METER*METER))                  /* N / A^2 */
 287 #define GPA     (1e9*PASCAL)                            /* N / A^2 */
 288 #define BAR     ((1.0e5*PASCAL))                        /* N / A^2 */
 289 #define K_BOLTZMANN     (1.380650524e-23*METER*NEWTON)  /* NA/K */
 290 #define K_B2            (K_BOLTZMANN*K_BOLTZMANN)       /* (NA)^2/K^2 */
 291 #define EV              (1.6021765314e-19*METER*NEWTON) /* NA */
 292 #define JOULE           (NEWTON*METER)                  /* NA */
 293
 294 #define MOLDYN_TEMP                     273.0
 295 #define MOLDYN_TAU                      1.0
 296 #define MOLDYN_CUTOFF                   10.0
 297 #define MOLDYN_RUNS                     1000000
 298
 299 #define MOLDYN_INTEGRATE_VERLET         0x00
 300 #define MOLDYN_INTEGRATE_DEFAULT        MOLDYN_INTEGRATE_VERLET
 301
 302 #define MOLDYN_POTENTIAL_HO             0x00
 303 #define MOLDYN_POTENTIAL_LJ             0x01
 304 #define MOLDYN_POTENTIAL_TM             0x02
 305 #define MOLDYN_POTENTIAL_AM             0x03
 306
 307 #define LOG_TOTAL_ENERGY                0x01
 308 #define LOG_TOTAL_MOMENTUM              0x02
 309 #define LOG_PRESSURE                    0x04
 310 #define LOG_TEMPERATURE                 0x08
 311 #define LOG_VOLUME                      0x10
 312 #define SAVE_STEP                       0x20
 313 #define VISUAL_STEP                     0x40
 314 #define CREATE_REPORT                   0x80
 315
 316 #define TRUE                            1
 317 #define FALSE                           0
 318
 319 #define VERBOSE                         1
 320 #define QUIET                           0
 321
 322 #define SCALE_UP                        'u'
 323 #define SCALE_DOWN                      'd'
 324 #define SCALE_DIRECT                    'D'
 325
 326 /*
 327  * usefull constants
 328  */
 329
 330 #define ONE_THIRD               (1.0/3.0)
 331
 332 /*
 333  * element specific defines
 334  */
 335
 336 #define C                       0x06
 337 #define LC_C                    3.567                           /* A */
 338 #define M_C                     12.011                          /* amu */
 339
 340 #define SI                      0x0e
 341 #define LC_SI                   5.43105                         /* A */
 342 #define M_SI                    28.08553                        /* amu */
 343
 344 #define LC_3C_SIC               4.3596                          /* A */
 345
 346 /*
 347  * lattice types
 348  */
 349
 350 #define CUBIC                   0x01
 351 #define FCC                     0x02
 352 #define DIAMOND                 0x04
 353 #define ZINCBLENDE              0x08
 354
 355 /*
 356  *
 357  * function prototypes
 358  *
 359  */
 360
 361 int moldyn_init(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 362 int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 363
 364 int set_int_alg(t_moldyn *moldyn,u8 algo);
 365 int set_cutoff(t_moldyn *moldyn,double cutoff);
 366 int set_temperature(t_moldyn *moldyn,double t_ref);
 367 int set_pressure(t_moldyn *moldyn,double p_ref);
 368 int set_p_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ptype,double ptc);
 369 int set_t_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ttype,double ttc);
 370 int set_pt_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ptype,double ptc,u8 ttype,double ttc);
 371 int set_dim(t_moldyn *moldyn,double x,double y,double z,u8 visualize);
 372 int set_nn_dist(t_moldyn *moldyn,double dist);
 373 int set_pbc(t_moldyn *moldyn,u8 x,u8 y,u8 z);
 374 int set_potential(t_moldyn *moldyn,u8 type);
 375
 376 int set_avg_skip(t_moldyn *moldyn,int skip);
 377
 378 int moldyn_set_log_dir(t_moldyn *moldyn,char *dir);
 379 int moldyn_set_report(t_moldyn *moldyn,char *author,char *title);
 380 int moldyn_set_log(t_moldyn *moldyn,u8 type,int timer);
 381 int moldyn_log_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 382
 383 int create_lattice(t_moldyn *moldyn,u8 type,double lc,int element,double mass,
 384                    u8 attr,u8 brand,int a,int b,int c,t_3dvec *origin);
 385 int add_atom(t_moldyn *moldyn,int element,double mass,u8 brand,u8 attr,
 386              t_3dvec *r,t_3dvec *v);
 387 int del_atom(t_moldyn *moldyn,int tag);
 388 int cubic_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 389 int fcc_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 390 int diamond_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 391 int destroy_atoms(t_moldyn *moldyn);
 392
 393 int thermal_init(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
 394 double total_mass_calc(t_moldyn *moldyn);
 395 double temperature_calc(t_moldyn *moldyn);
 396 double get_temperature(t_moldyn *moldyn);
 397 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
 398 double virial_sum(t_moldyn *moldyn);
 399 double pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 400 int average_reset(t_moldyn *moldyn);
 401 int average_and_fluctuation_calc(t_moldyn *moldyn);
 402 int get_heat_capacity(t_moldyn *moldyn);
 403 double thermodynamic_pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 404 double get_pressure(t_moldyn *moldyn);
 405 int scale_volume(t_moldyn *moldyn);
 406 int scale_dim(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 407 int scale_atoms(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 408
 409 double e_kin_calc(t_moldyn *moldyn);
 410 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
 411 t_3dvec get_total_p(t_moldyn *moldyn);
 412
 413 double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist);
 414
 415 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn,u8 vol);
 416 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
 417 #ifdef STATIC_LISTS
 418 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,int **cell);
 419 #else
 420 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,t_list *cell);
 421 #endif
 422 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 423
 424 typedef int (*set_hook)(void *,void *);
 425
 426 int moldyn_add_schedule(t_moldyn *moldyn,int runs,double tau);
 427 int moldyn_set_schedule_hook(t_moldyn *moldyn,set_hook hook,void *hook_params);
 428
 429 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 430 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 431
 432 int potential_force_calc(t_moldyn *moldyn);
 433 int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d);
 434 //inline int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d)
 435 //      __attribute__((always_inline));
 436 int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a);
 437 //inline int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a)
 438 //      __attribute__((always_inline));
 439
 440 int moldyn_bc_check(t_moldyn *moldyn);
 441
 442 int moldyn_read_save_file(t_moldyn *moldyn,char *file);
 443 int moldyn_free_save_file(t_moldyn *moldyn);
 444 int moldyn_load(t_moldyn *moldyn);
 445 int process_2b_bonds(t_moldyn *moldyn,void *data,
 446                      int (*process)(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 447                                     void *data,u8 bc));
 448 int get_line(int fd,char *line,int max);
 449
 450 int pair_correlation_init(t_moldyn *moldyn,double dr);
 451 int calculate_diffusion_coefficient(t_moldyn *moldyn,double *dc);
 452 int calculate_pair_correlation_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,
 453                                        t_atom *jtom,void *data,u8 bc);
 454 int calculate_pair_correlation(t_moldyn *moldyn,double dr,void *ptr);
 455 int bond_analyze_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 456                          void *data,u8 bc);
 457 int bond_analyze(t_moldyn *moldyn,double *quality);
 458
 459 int visual_init(t_moldyn *moldyn,char *filebase);
 460 int visual_bonds_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 461                          void *data,u8 bc);
 462 int visual_atoms(t_moldyn *moldyn);
 463
 464 #endif
 465