近日，上海理工大學鄭其斌副教授聯(lián)合華東師范大學鄒海源研究員在《自然》（Nature）旗下期刊《通信物理》（Communications Physics）上發(fā)表了題為“基于現(xiàn)場可編程門陣列的多體計算”（“Many-body computing on Field Programmable Gate Arrays”）的研究成果。利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field-Programmable Gate Array，簡稱FPGA）技術(shù)，構(gòu)建了面向多體系統(tǒng)的專用硬件加速架構(gòu)，顯著提升了計算效率，為復雜物理系統(tǒng)的高效模擬開辟了新路徑。該論文的第一作者為華東師范大學的呂松泰博士生和上海理工大學的梁洋碩士生，通訊作者為鄭其斌副教授和鄒海源研究員。
多體系統(tǒng)數(shù)值模擬的核心挑戰(zhàn)源于其希爾伯特空間維度隨粒子數(shù)增加呈現(xiàn)指數(shù)級擴張。然而，傳統(tǒng)基于CPU/GPU的數(shù)值計算方法面臨三重局限：首先，計算復雜度隨系統(tǒng)規(guī)模急劇攀升導致運算效率顯著下降；其次，存儲需求呈超線性增長，嚴重制約可計算規(guī)模；再者，能耗效率比隨維度增加快速惡化。這些固有缺陷使傳統(tǒng)計算方法在求解大規(guī)模多體系統(tǒng)時遭遇維數(shù)災難。為此，該研究團隊創(chuàng)新性提出基于硬件加速的多體計算架構(gòu)，通過優(yōu)化并行計算和充分挖掘現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的可編程特性，在多體系統(tǒng)數(shù)值模擬中實現(xiàn)了計算效率的顯著提升，為解決高自由度量子多體問題提供了新范式。
該研究選取蒙特卡洛算法和無限時間演化塊消減算法作為典型算例，分別構(gòu)建了針對二維XY模型和一維海森堡自旋鏈的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列硬件加速架構(gòu)。實驗數(shù)據(jù)表明，經(jīng)現(xiàn)場可編程邏輯門陣列硬件優(yōu)化后，蒙特卡洛算法的計算性能較傳統(tǒng)CPU實現(xiàn)提升了10倍以上；同時，無限時間演化塊消減算法算法在現(xiàn)場可編程邏輯門陣列平臺上的運算速率較CPU實現(xiàn)也有顯著提升，展現(xiàn)出優(yōu)異的加速效果。
該研究探索了多體計算的硬件加速新方法，開創(chuàng)了高性能計算的新范式。這一突破性進展為復雜量子多體系統(tǒng)的數(shù)值模擬提供了新的高效解決方案，對推動統(tǒng)計物理與凝聚態(tài)物理的理論研究具有重要科學意義。該研究應用前景廣闊：在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域，該研究可以加速模擬蛋白質(zhì)折疊過程，幫助研發(fā)阿爾茨海默癥等疾病的靶向藥物；在量子材料研究方面，該研究可以應用于新型超導材料的模擬計算，更精準設計新型量子材料；在醫(yī)學人工智能方面，該研究可提升大型神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練效率，有望促進精準醫(yī)療與生物信息學的發(fā)展。
反應原理圖
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42005-025-02050-z
https://doi.org/10.1038/s42005-025-02050-z
供稿：健康學院
