連接機器加入多對多連接 優(yōu)化CMOS芯片通過眾多磁自旋加速優(yōu)化任務(wù)

來源：半導(dǎo)體芯科技編譯

點之間的連接迅速發(fā)展成密集的交織鏈接網(wǎng)，這是一種非常適合組合和優(yōu)化問題的電路的特殊功能，稱為伊辛機?！髂崽K達(dá)大學(xué)

優(yōu)化問題----例如安排全國橄欖球聯(lián)盟的數(shù)百場比賽，同時試圖遵守聯(lián)盟的眾多規(guī)則--可能會耗費巨大的計算資源。有些問題甚至對當(dāng)今的超級計算機來說都是不切實際的。受量子現(xiàn)象和其他基于物理學(xué)的計算方式的啟發(fā)，研究人員一直在努力開發(fā)能夠更快、更高效地解決這些棘手問題的專用計算機。

在最新的研究中，明尼蘇達(dá)大學(xué)的工程師們提出了一種方法，將這些問題編碼到使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路構(gòu)建的芯片上。像其他“伊辛機器（Ising machines）”一樣，它模擬了一個相互連接的磁自旋網(wǎng)絡(luò)。但與其他旋轉(zhuǎn)不同的是，它設(shè)法將所有 48 個旋轉(zhuǎn)相互連接。在過去的幾年中，這種all-to-all的連接已被證明是快速解決許多問題的關(guān)鍵。

"48 個多對多的連接是一個非同小可的里程碑"——彼得-麥克馬洪（PETER MCMAHON），康奈爾大學(xué)

伊辛模型（Ising models）將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為相互連接的磁矩或自旋的集合，這些磁矩或自旋可以是 "向上 "或 "向下 "的。這些自旋相互連接，相鄰的自旋方向相反。優(yōu)化問題被映射到這些連接的強度和極性上。然后，讓整個集合放松到一種狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，所有的自旋都能得到它們想要的東西；系統(tǒng)的總能量最小，這就是優(yōu)化問題的答案。

在軟件中，甚至在專為加速伊辛算法而設(shè)計的數(shù)字硬件中實現(xiàn)這一點，已經(jīng)取得了一些成功，但還很有限。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣工程教授克里斯-金（Chris Kim）說，新方法 "利用自然來解決問題"。"他說："大自然希望穩(wěn)定在較低的能量狀態(tài)。

芯片的核心是一系列相互連接的反相電路。將一個反相電路與另一個反相電路連鎖，就能產(chǎn)生一個振蕩電路。該陣列在水平和垂直方向上基本上有 48 個振蕩器。每個水平和垂直振蕩器的交匯處都有一個加權(quán)連接，代表兩個自旋之間的連接強度。這樣，每個自旋都與其他自旋相連。這些振蕩以模仿伊辛模型（Ising models）向低能狀態(tài)移動的方式相互作用。幾微秒后，電路會讀取不同點的振蕩相位，從而得出答案。

伊辛加速器只有鉛筆尖那么寬，耗電量在 16 毫瓦到 105 毫瓦之間，在微秒內(nèi)即可得到答案。

第一款芯片采用 65 納米工藝制造，使用的是平面晶體管。Kim 希望能用更先進(jìn)的 FinFET 技術(shù)制作一個版本，以證明即使縮小規(guī)模也能正常工作。

他的團隊還計劃開發(fā)一個電路塊，用于快速檢查伊辛電路提出的解決方案的質(zhì)量。優(yōu)化加速器可能會卡在一個可行但并非最佳的解決方案上。為了解決這個問題，質(zhì)量檢查器會對解決方案進(jìn)行擾動，再次運行模型，比較答案，并可能再次循環(huán)該過程。這些微小的擾動最終會帶來最佳答案。

這項研究發(fā)表在上個月的《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）雜志上，是美國國防部高級研究計劃局（DARPA）量子啟發(fā)經(jīng)典計算（QuICC）計劃撥款680萬美元開展的首項研究。該計劃的目標(biāo)是為解決與美國國防部相關(guān)的大型優(yōu)化問題所需的能量提高500倍指明一條道路。Kim 的測試芯片在解決連接最密集的問題時消耗了 105 毫瓦，但解決連接稀疏的問題時只需 16 毫瓦。明尼蘇達(dá)小組與英特爾公司的研究人員合作進(jìn)行了測試。

優(yōu)化問題的規(guī)模

Kim 認(rèn)為，Ising 芯片產(chǎn)生巨大影響的最大障礙是，這項技術(shù)不太可能提供工業(yè)相關(guān)問題所需的更大的多對多連接。研究人員必須找到一種方法，利用數(shù)百甚至數(shù)千個這樣的陣列來解決大型問題，就像許多 GPU 被用來訓(xùn)練大型人工智能一樣。

不過，即使達(dá)到 48 個也是一項成就。

康奈爾大學(xué)應(yīng)用工程與物理學(xué)助理教授彼得-麥克馬洪（Peter McMahon）說："48個多對多連接是一個非同小可的里程碑。"他是DARPA（美國國防部高級研究計劃局）尋求伊辛技術(shù)競爭團隊的一員。"標(biāo)題結(jié)果聽起來確實令人印象深刻，他們實現(xiàn)這一目標(biāo)的方式確實有一些新穎之處"。

麥克馬洪McMahon是光脈沖的光學(xué)伊辛機的先驅(qū)，微軟研究院一直在開發(fā)這項技術(shù)。但在 DARPA 計劃中，他所在的團隊正在開發(fā)一種基于超導(dǎo)電路的 Ising 芯片。

McMahon同意Kim的觀點，認(rèn)為這些技術(shù)面臨的一個大問題是，很少有有趣的問題能在 48 個自旋中解決，而這些問題在中央處理器上是無法有效解決的。

手繪的紅色、藍(lán)色和黑色正方形，頂點上有數(shù)字。

但是，普林斯頓大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個問題。5G 和未來的 6G 無線技術(shù)依賴于大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）天線系統(tǒng)的使用。這種系統(tǒng)通過多個天線同時發(fā)送和接收信號，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。然而，在如此多的天線同時工作的情況下，干擾是不可避免的。有一些算法可以解開信號，但這些算法目前過于繁瑣，基站計算機無法在僅有的幾毫秒時間內(nèi)完成。

目前的解決方案是在基站安裝比該地區(qū)蜂窩用戶數(shù)量多得多的天線，這至少可以說是低效的。包括麥克馬洪（McMahon）在內(nèi)、由凱爾-賈米森（Kyle Jamieson）領(lǐng)導(dǎo)的普林斯頓團隊提出了一種伊辛模型解決方案，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，吞吐量提高了一倍，而且可以應(yīng)用于 DARPA 正在開發(fā)的芯片級系統(tǒng)。Kim的研究小組已經(jīng)開始與賈米森（Jamieson）團隊合作。

審核編輯：湯梓紅