湖南大學科研團隊研制出高能效退火處理器芯片

組合優化問題廣泛存在于社會生活和工業生產中，如自動駕駛、智慧物流、通信組網等。這類問題通常具有非確定性多項式時間困難的特點，為經典計算帶來巨大挑戰。量子退火計算機雖已在特定領域取得突破，但極低溫的工作環境和尚未成熟的超導工藝嚴重制約了其大規模應用。

在難以實現完全量子的情況下，將量子與經典結合是一條極具潛力的技術路線。近日，湖南大學半導體學院副教授陳卓俊團隊成功研制出一款超低功耗全數字退火處理器芯片，采用存算一體新型計算架構實現量子啟發式退火算法。

該研究把實際的組合優化問題映射到King’s Graph自旋網絡拓撲結構，然后把自旋耦合系數部署到退火處理器芯片中，經過若干個退火周期后可獲得組合優化問題的最優解。研究團隊創新性提出了稀疏感知自旋運算、耦合系數復用技術以及概率翻轉函數近似電路，大幅度提高了系統能效和面積效率。

該處理器在中芯國際55nm CMOS工藝流片，具有900個自旋節點，支持4bit的自旋耦合系數位寬。每個自旋更新所需能量僅為2.4飛焦，每個自旋的面積僅為402平方微米。測試結果表明，該處理器在解決最大割集、圖像分割等組合優化問題時，速度比先進CPU快3至4個數量級，功耗低2至3個數量級。

相關研究成果近日發表在IEEE Journal of Solid-State Circuits上。論文第一作者為湖南大學物理與微電子科學學院博士研究生周毅峰，通訊作者為陳卓俊和湖南大學半導體學院教授廖蕾，湖南大學為唯一單位。

論文審稿人認為，研究提出的電路設計方法為量子啟發經典計算提供了重要技術支撐，退火處理器芯片功能展示充分，為高效解決組合優化問題開辟了新路徑。