來源：半導體芯科技編譯

點之間的連接迅速發展成密集的交織鏈接網，這是一種非常適合組合和優化問題的電路的特殊功能，稱為伊辛機。——明尼蘇達大學

優化問題----例如安排全國橄欖球聯盟的數百場比賽，同時試圖遵守聯盟的眾多規則--可能會耗費巨大的計算資源。有些問題甚至對當今的超級計算機來說都是不切實際的。受量子現象和其他基于物理學的計算方式的啟發，研究人員一直在努力開發能夠更快、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，明尼蘇達大學的工程師們提出了一種方法，將這些問題編碼到使用標準CMOS電路構建的芯片上。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絡。但與其他旋轉不同的是，它設法將所有 48 個旋轉相互連接。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

伊辛模型（Ising models）將優化問題轉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，在這種狀態下，所有的自旋都能得到它們想要的東西；系統的總能量最小，這就是優化問題的答案。

在軟件中，甚至在專為加速伊辛算法而設計的數字硬件中實現這一點，已經取得了一些成功，但還很有限。領導這項研究的明尼蘇達大學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："大自然希望穩定在較低的能量狀態。

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 希望能用更先進的 FinFET 技術制作一個版本，以證明即使縮小規模也能正常工作。

他的團隊還計劃開發一個電路塊，用于快速檢查伊辛電路提出的解決方案的質量。優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，質量檢查器會對解決方案進行擾動，再次運行模型，比較答案，并可能再次循環該過程。這些微小的擾動最終會帶來最佳答案。

這項研究發表在上個月的《自然-電子學》（Nature Electronics）雜志上，是美國國防部高級研究計劃局（DARPA）量子啟發經典計算（QuICC）計劃撥款680萬美元開展的首項研究。該計劃的目標是為解決與美國國防部相關的大型優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。明尼蘇達小組與英特爾公司的研究人員合作進行了測試。

優化問題的規模

Kim 認為，Ising 芯片產生巨大影響的最大障礙是，這項技術不太可能提供工業相關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，利用數百甚至數千個這樣的陣列來解決大型問題，就像許多 GPU 被用來訓練大型人工智能一樣。

不過，即使達到 48 個也是一項成就。

康奈爾大學應用工程與物理學助理教授彼得-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）尋求伊辛技術競爭團隊的一員。"標題結果聽起來確實令人印象深刻，他們實現這一目標的方式確實有一些新穎之處"。

麥克馬洪McMahon是光脈沖的光學伊辛機的先驅，微軟研究院一直在開發這項技術。但在 DARPA 計劃中，他所在的團隊正在開發一種基于超導電路的 Ising 芯片。

McMahon同意Kim的觀點，認為這些技術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、藍色和黑色正方形，頂點上有數字。

但是，普林斯頓大學的研究人員發現了一個問題。5G 和未來的 6G 無線技術依賴于大規模多輸入多輸出（MIMO）天線系統的使用。這種系統通過多個天線同時發送和接收信號，以提高數據傳輸速率。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完成。

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

審核編輯：湯梓紅