Bạn đã bao giờ gặp phải một vấn đề khi bạn phải tìm một giải pháp tối ưu trong số nhiều lựa chọn có thể, chẳng hạn như tìm con đường nhanh nhất đến một nơi nhất định, xem xét cả khoảng cách và giao thông? Nếu vậy, vấn đề bạn đang giải quyết là những gì được chính thức gọi là "vấn đề tối ưu hóa kết hợp" Mặc dù được xây dựng về mặt toán tỷ lệ bóng đá kèo nhà cái, những vấn đề này là phổ biến trong thế giới thực và mọc lên trên một số lĩnh vực, bao gồm hậu cần, định tuyến mạng, tỷ lệ bóng đá kèo nhà cái máy và khoa tỷ lệ bóng đá kèo nhà cái vật liệu

Tuy nhiên, các vấn đề tối ưu hóa kết hợp quy mô lớn rất chuyên sâu về mặt tính toán để giải quyết bằng cách sử dụng máy tính tiêu chuẩn, khiến các nhà nghiên cứu chuyển sang các phương pháp khác Một cách tiếp cận như vậy dựa trên "mô hình ISING", trong đó biểu diễn về mặt toán tỷ lệ bóng đá kèo nhà cái định hướng từ tính của các nguyên tử hoặc "spin", trong một vật liệu sắt từ Ở nhiệt độ cao, các spin nguyên tử này được định hướng ngẫu nhiên Nhưng khi nhiệt độ giảm, các spin xếp hàng để đạt đến trạng thái năng lượng tối thiểu nơi định hướng của mỗi vòng quay phụ thuộc vào hàng xóm của nó Nó chỉ ra rằng quá trình này, được gọi là "ủ", có thể được sử dụng để mô hình hóa các vấn đề tối ưu hóa tổ hợp sao cho trạng thái cuối cùng của các spin mang lại giải pháp tối ưu

Các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra các bộ xử lý ủ bắt chước hành vi của các vòng quay bằng các thiết bị lượng tử và đã cố gắng phát triển các thiết bị bán dẫn bằng công nghệ tích hợp quy mô lớn (LSI) nhằm mục đích làm điều tương tự Cụ thể, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Takayuki Kawahara tại Đại tỷ lệ bóng đá kèo nhà cái Khoa tỷ lệ bóng đá kèo nhà cái Tokyo (TUS) tại Nhật Bản đã thực hiện những đột phá quan trọng trong lĩnh vực cụ thể này

Năm 2020, Giáo sư Kawahara và các đồng nghiệp của ông đã trình bày tại Hội nghị quốc tế năm 2020, IEEE SAMI 2020, một trong những kết hợp hoàn toàn đầu tiên (nghĩa là chiếm tất cả các tương tác spin spin có thể thay vì chỉ có các quá trình kết nối Công việc của họ xuất hiện trên tạp chíGiao dịch của IEEE trên các mạch và hệ thống I: Giấy tờ thông thườngCác hệ thống này nổi tiếng là khó thực hiện và cao cấp do số lượng kết nối tuyệt đối giữa các vòng quay cần được xem xét Mặc dù sử dụng nhiều chip được kết nối đầy đủ song song là một giải pháp tiềm năng cho vấn đề khả năng mở rộng, nhưng điều này tạo ra số lượng kết nối (dây) cần thiết giữa các chip bị cấm một cách nghiêm ngặt

Trong một gần đâyNghiên cứu được xuất bản trongBộ vi xử lý và hệ thống vi mô, Giáo sư Kawahara và đồng nghiệp của ông đã trình diễn một giải pháp thông minh cho vấn đề này Họ đã phát triển một phương pháp mới trong đó tính toán trạng thái năng lượng của hệ thống được chia cho nhiều chip được ghép hoàn toàn trước tiên, tạo thành một "máy tính mảng" Một loại chip thứ hai, được gọi là "chip điều khiển", sau đó thu thập các kết quả từ phần còn lại của chip và tính tổng năng lượng, được sử dụng để cập nhật các giá trị của các spin mô phỏng "Ưu điểm của cách tiếp cận của chúng tôi là lượng dữ liệu được truyền giữa các chip là cực kỳ nhỏ,"Giải thích về Giáo sư Kawahara"Mặc dù nguyên tắc của nó rất đơn giản, phương pháp này cho phép chúng ta nhận ra một hệ thống LSI có thể mở rộng, được kết nối đầy đủ để giải quyết các vấn đề tối ưu hóa tổ hợp thông qua ủ mô phỏng"

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện thành công phương pháp của họ bằng cách sử dụng các chip FPGA thương mại, được sử dụng rộng rãi các thiết bị bán dẫn có thể lập trình Họ đã xây dựng một hệ thống ủ được kết nối đầy đủ với 384 spin và sử dụng nó để giải quyết một số vấn đề tối ưu hóa, bao gồm vấn đề tô màu đồ thị 92 nút và vấn đề cắt tối đa 384 nút Quan trọng nhất, các thí nghiệm bằng chứng về khái niệm cho thấy phương pháp được đề xuất mang lại lợi ích hiệu suất thực sự So với mô hình CPU hiện đại tiêu chuẩn cùng một hệ thống ủ, việc triển khai FPGA nhanh hơn 584 và hiệu quả năng lượng gấp 46 lần khi giải quyết vấn đề cắt tối đa

Bây giờ, với việc chứng minh thành công nguyên tắc hoạt động của phương pháp của họ trong FPGA, các nhà nghiên cứu có kế hoạch đưa nó lên cấp độ tiếp theo "Chúng tôi muốn sản xuất chip LSI được thiết kế tùy chỉnh để tăng công suất và cải thiện đáng kể hiệu suất và hiệu quả năng lượng của phương pháp của chúng tôi,"Nhận xét của Giáo sư Kawahara"Điều này sẽ cho phép chúng tôi nhận ra hiệu suất cần thiết trong các lĩnh vực phát triển vật liệu và khám phá thuốc, liên quan đến các vấn đề tối ưu hóa rất phức tạp"

Cuối cùng, Giáo sư Kawahara lưu ý rằng ông muốn thúc đẩy việc thực hiện kết quả của họ để giải quyết các vấn đề thực sự trong xã hội Nhóm của ông hy vọng sẽ tham gia vào nghiên cứu chung với các công ty và đưa cách tiếp cận của họ đến cốt lõi của công nghệ thiết kế bán dẫn, mở cửa cho sự hồi sinh của chất bán dẫn ở Nhật Bản

Đảm bảo coi chừng các bộ xử lý ủ đột phá này trong tương lai!

Tiêu đề hình ảnh: Giải quyết các vấn đề tối ưu hóa tổ hợp với bộ xử lý ủ được ghép hoàn toàn có thể mở rộng

Chú thích hình ảnh: Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu từ TUS, Nhật Bản, đã đề xuất một bộ xử lý ủ có thể mở rộng được kết nối đầy đủ, khi được thực hiện trong FPGA, có thể dễ dàng vượt trội hơn một CPU hiện đại trong việc giải quyết các vấn đề tối ưu hóa kết hợp khác nhau về tiêu thụ tốc độ và năng lượng Phương pháp đề xuất đạt được điều này bằng cách sử dụng "máy tính mảng", bao gồm nhiều chip được ghép nối và "chip điều khiển" Nó có thể được áp dụng để giải quyết các vấn đề tối ưu hóa phức tạp tương tự trong hậu cần, định tuyến mạng, quản lý kho, phân công nhân sự, phân phối thuốc và khoa tỷ lệ bóng đá kèo nhà cái vật liệu

Tín dụng hình ảnh: Takayuki Kawahara từ TUS, Nhật Bản
Loại giấy phép: Nội dung gốc
Hạn chế sử dụng: Không thể được sử dụng lại mà không có sự cho phép