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凝聚态物理 > 强关联电子

arXiv:2402.06415 (cond-mat)
[提交于 2024年2月9日 (v1) ,最后修订 2025年1月25日 (此版本, v2)]

标题: 基于现场可编程门阵列的多体计算

标题: Many-body computing on Field Programmable Gate Arrays

Authors:Songtai Lv, Yang Liang, Yuchen Meng, Xiaochen Yao, Jincheng Xu, Yang Liu, Qibin Zheng, Haiyuan Zou
摘要: 一种新的多体计算实现对于计算物理领域具有至关重要的意义。 在本研究中,我们利用现场可编程门阵列(FPGAs)的能力来进行量子多体计算。 通过设计适用于蒙特卡洛和张量网络方法的适当方案,我们有效地利用了FPGAs提供的并行处理能力。 这使得蒙特卡洛算法的计算速度相比基于CPU的计算提高了十倍。 通过使用超晶胞结构并在CPU上使用高级综合技术模拟FPGA架构,我们实现了$O(1)$的缩放,无论整体系统大小如何,单次扫描的时间都保持线性增长。 我们首次展示了利用FPGA加速典型张量网络算法用于多体基态计算的可行性。 此外,我们表明当前的FPGA计算加速能力与多线程GPU并行处理相当。 我们的研究结果明确突显了硬件实现的重要优势,并为多体计算的新方法铺平了道路。
摘要: A new implementation of many-body calculations is of paramount importance in the field of computational physics. In this study, we leverage the capabilities of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) for conducting quantum many-body calculations. Through the design of appropriate schemes for Monte Carlo and tensor network methods, we effectively utilize the parallel processing capabilities provided by FPGAs. This has resulted in a tenfold speedup compared to CPU-based computation for a Monte Carlo algorithm. By using a supercell structure and simulating the FPGA architecture on a CPU with High-Level Synthesis, we achieve $O(1)$ scaling for the time of one sweep, regardless of the overall system size. We also demonstrate, for the first time, the utilization of FPGA to accelerate a typical tensor network algorithm for many-body ground state calculations. Additionally, we show that the current FPGA computing acceleration is on par with that of multi-threaded GPU parallel processing. Our findings unambiguously highlight the significant advantages of hardware implementation and pave the way for novel approaches to many-body calculations.
评论: 10+8页,5+7图。第四轮
主题: 强关联电子 (cond-mat.str-el) ; 统计力学 (cond-mat.stat-mech); 高能物理 - 格点 (hep-lat); 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2402.06415 [cond-mat.str-el]
  (或者 arXiv:2402.06415v2 [cond-mat.str-el] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2402.06415
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Communications Physics 8, 117 (2025)
相关 DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-025-02050-z
链接到相关资源的 DOI

提交历史

来自: Haiyuan Zou [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2024 年 2 月 9 日 14:01:02 UTC (2,234 KB)
[v2] 星期六, 2025 年 1 月 25 日 13:40:00 UTC (2,076 KB)
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