Monte Carlo particle transport problems play a vital role in scientific computing, but solving them on exiting von Neumann architectures suffers from random branching and irregular memory access, causing computing inefficiency due to a fundamental mismatch between stochastic algorithms and deterministic hardware. To bridge this gap, we propose MCPT-Solver, a spin-based hardware true random number generator (TRNG) with tunable output probability enabled by a Bayesian inference network architecture. It is dedicated for efficiently solving stochastic applications including Monte Carlo particle transport problems. First, we leverage the stochastic switching property of spin devices to provide a high-quality entropy source for the TRNG and achieve high generating throughput and process-voltage-temperature tolerance through optimized control logic and write mechanism designs. Next, we propose a hardware Bayesian inference network to enable probability-tunable random number outputs. Finally, we present a system-level simulation framework to evaluate MCPT-Solver. Experimental results show that MCPT-Solver achieves a mean squared error of 7.6e-6 for solving transport problems while demonstrating a dramatic acceleration effect over general-purpose processors. Additionally, the MCPT-Solver's throughput reaches 185 Mb/s with an area of 27.8 um2/bit and energy consumption of 8.6 pJ/bit, making it the first spin-based TRNG that offers both process-voltage-temperature tolerance and adjustable probability.


翻译:蒙特卡洛粒子输运问题在科学计算中扮演着重要角色,但在现有冯·诺依曼架构上求解此类问题时,随机分支与非规则内存访问导致计算效率低下,根本原因在于随机算法与确定性硬件之间存在本质失配。为弥合这一差距,我们提出MCPT-Solver——一种基于自旋器件的硬件真随机数生成器(TRNG),通过贝叶斯推理网络架构实现输出概率可调,专用于高效求解包括蒙特卡洛粒子输运问题在内的随机应用。首先,我们利用自旋器件的随机翻转特性为TRNG提供高质量熵源,并通过优化控制逻辑与写入机制设计,实现高生成吞吐量及工艺-电压-温度容限。其次,提出硬件贝叶斯推理网络以实现概率可调随机数输出。最后,构建系统级仿真框架评估MCPT-Solver。实验结果表明,MCPT-Solver在求解输运问题时均方误差达到7.6e-6,同时相对通用处理器展现出显著加速效果。此外,MCPT-Solver的吞吐量达185 Mb/s,面积为27.8 μm²/bit,能耗为8.6 pJ/bit,成为首个兼具工艺-电压-温度容限与概率可调特性的自旋基TRNG。

0
下载
关闭预览

相关内容

GPT-4在97轮对话中探索世界难题,给出P≠NP结论
专知会员服务
27+阅读 · 2023年9月15日
论文笔记:多任务相关粒子滤波跟踪器
统计学习与视觉计算组
10+阅读 · 2017年7月7日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 4月19日
VIP会员
最新内容
ICML 2026 | CFPO:用反事实策略优化提升多模态推理
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:43
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:31
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:11
《人工智能生成的零日漏洞:对未来作战的影响》
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
8+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22日
相关VIP内容
GPT-4在97轮对话中探索世界难题,给出P≠NP结论
专知会员服务
27+阅读 · 2023年9月15日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员