Numerical simulations of models and theories that describe complex experimental systems $\unicode{x2014}$in fields like high-energy and condensed-matter physics$\unicode{x2014}$ are becoming increasingly important. Examples include lattice gauge theories, which can describe, among others, quantum chromodynamics (the Standard Model description of strong interactions between elementary particles), and spin-glass systems. Beyond fundamental research, these computational methods also find practical applications, among many others, in optimization, finance, and complex biological problems. However, Monte Carlo simulations, an important subcategory of these methods, are plagued by a major drawback: they are extremely greedy for (pseudo) random numbers. The total fraction of computer time dedicated to random-number generation increases as the hardware grows more sophisticated, and can get prohibitive for special-purpose computing platforms. We propose here a general-purpose microcanonical simulated annealing (MicSA) formalism that dramatically reduces such a burden. The algorithm is fully adapted to a massively parallel computation, as we show in the particularly demanding benchmark of the three-dimensional Ising spin glass. We carry out very stringent numerical tests of the new algorithm by comparing our results, obtained on GPUs, with high-precision standard (i.e., random-number-greedy) simulations performed on the Janus II custom-built supercomputer. In those cases where thermal equilibrium is reachable (i.e., in the paramagnetic phase), both simulations reach compatible values. More significantly, barring short-time corrections, a simple time rescaling suffices to map the MicSA off-equilibrium dynamics onto the results obtained with standard simulations.


翻译:描述复杂实验系统的模型与理论的数值模拟——涵盖高能物理和凝聚态物理等领域——正变得日益重要。例如,晶格规范理论可以描述量子色动力学(标准模型中对基本粒子间强相互作用的理论描述)以及自旋玻璃系统等。除基础研究外,这些计算方法还在优化、金融和复杂生物问题等众多领域具有实际应用。然而,蒙特卡洛模拟作为这类方法的重要分支,存在一个主要缺陷:其对(伪)随机数的需求极为贪婪。随着硬件日益复杂,用于随机数生成的计算机时间占比持续增加,在专用计算平台上可能达到难以承受的程度。本文提出一种通用型微正则模拟退火(MicSA)形式体系,可显著减轻此类负担。该算法完全适应大规模并行计算,我们在三维伊辛自旋玻璃这一计算密集型基准测试中展示了其性能。我们通过将GPU上的计算结果与Janus II定制超级计算机上执行的高精度标准(即随机数贪婪型)模拟结果进行对比,对新算法进行了严格的数值测试。在热平衡可达的情况下(即顺磁相),两种模拟均获得相容的结果。更重要的是,除短时修正外,仅需简单的时间重标度即可将MicSA的非平衡动力学映射至标准模拟所得结果。

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