단일 노드, 10억 스핀 규모의 원자론적 프레임워크를 통한 다채널 자기 호프니온(magnetic hopfion) 소멸의 규명

현대의 원자론적 스핀 시뮬레이션(atomistic spin simulations)은 긴 확률론적 궤적(stochastic trajectories), 열역학적 샘플링(thermodynamic sampling), 정적 최적화(static optimization) 및 다중 이미지 전이 경로(multi-image transition-path) 워크플로우를 결합합니다. 이 모든 과정은 스핀 해밀토니안(spin Hamiltonians)의 반복적인 평가에 의존하며, 3차원 자기 텍스처(magnetic textures)에 필요한 대규모 격자(lattices)에서는 계산 비용이 매우 높게 발생합니다. 우리는 통합된 해밀토니안 인터페이스와 사용자가 선택 가능한 다중 계산 백엔드를 중심으로 구축된 GPU 네이티브 원자론적 스핀 시뮬레이션 프레임워크인 SpinX를 소개합니다. SpinX의 핵심은 결정학적 부격자 분해(crystallographic sublattice decomposition)로, 병진 불변(translationally invariant) 스핀 상호작용을 다채널 텐서 컨볼루션(multi-channel tensor convolutions)으로 재구성하여 밀집(dense), 희소(sparse) 및 FFT 기반 컨볼루션 백엔드를 가능하게 합니다. 반면 불규칙한 시스템은 쌍 목록 평가(pair-list evaluation)로 처리하며, 장거리 쌍극자장(long-range dipolar fields)은 역격자 공간 FFT(reciprocal-space FFT)를 통해 처리합니다. JAX로 구현된 SpinX는 이기종 가속기 플랫폼에서 결정론적 및 확률론적 Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 역학, 몬테카를로 샘플링(Monte Carlo sampling), 정적 최적화, 동역학적 분광학(dynamical spectroscopy), 그리고 string 및 geodesic nudged elastic band (NEB) 전이 경로 계산을 지원합니다. 검증된 혼합 정밀도(mixed-precision) 모드는 fp32 필드 평가와 fp64 스핀 상태 전파를 결합합니다. 우리는 분석적인 단일 스핀 역학, bcc Fe의 유한 크기 열역학, 그리고 횡방향 동적 구조 인자(transverse dynamic structure factors)를 통해 SpinX를 검증했습니다. 성능 벤치마크 결과, 단일 가속기에서 초당 100억 개 이상의 스핀 사이트 연산을 초과하는 피크 처리량과 단일 노드 총 워크로드 10억 개 이상의 원자 스핀을 보여주었습니다. 이 프레임워크를 교환 상호작용으로 안정화된 자기 호프니온(magnetic hopfion)에 적용하여, 우리는 100만 스핀 규모의 원자론적 격자에서 두 개의 경쟁하는 소멸 채널을 발견했습니다: 이전에 보고된 축 방향 붕괴(axial-collapse) 경로와, 서로 다른 전이 형태 및 활성화 장벽을 가진 별개의 측면 파열(lateral-rupture) 경로입니다. (arXiv의 제한으로 인해 여기에 표시된 초록은 축약된 버전입니다)