一种可配置连接的尹辛机求解器

本发明涉及新型存储与计算，具体涉及一种可配置连接的尹辛机求解器设计。

背景技术：

1、组合优化问题普遍存在于资源配置、量化金融、人工智能和电路设计等众多领域。这些问题通常属于非确定性多项式难题，求解所需的计算资源和时间随问题的规模增加呈指数级增长。而真实场景中的组合优化问题通常具有千万级的参数规模，基于传统冯·诺依曼计算架构需要串行式穷举解空间，找到优化解需要耗费极长甚至不可接受的时间。基于尹辛模型的新型计算系统(尹辛机)将组合优化问题映射为一组自旋的互连网络，通过自旋之间的相互作用，更新自旋使得系统能量降低到最小值，进而得到优化解，为快速高效地求解组合优化问题提供了一种有效途径。

2、尹辛机是基于尹辛模型的新型计算架构，其两个核心要素是自旋的映射以及退火机制。自旋的映射是将组合优化问题抽象为图问题(尹辛图)，尹辛图的节点表示自旋，代表待求解的变量；尹辛图的边表示自旋之间的相互作用，代表求解变量之间的两个状态，在求解过程中保持不变。退火过程是找到系统能量最低的过程，其对应的自旋状态即为优化解。尹辛机硬件系统主要包括物理尹辛机和迭代尹辛机两种，分别通过物理规律或数学方法模拟自然界的能量最小化过程。物理尹辛机通过模拟真实物理系统的自旋相互作用，利用其本征过程自发退火，主要实现方式有量子系统、光子系统以及耦合振荡器等。物理尹辛机的优势在于自发退火，求解速度快；但是需要的硬件开销较高，并且求解条件苛刻，例如量子尹辛机需要工作在超低温的条件。迭代伊辛机通过将自旋动力学抽象为哈密顿函数，通过迭代计算并更新自旋得到优化解。基于互补金属氧化物半导体(cmos)的迭代尹辛机相较于物理尹辛机具有更好的可微缩性和大规模集成能力，但是仍然存在硬件开销较高的问题。自旋和连接的存储大部分采用静态随机存取存储器(sram)，在进行自旋连接的多值扩展时只能通过数字的方式按位扩展，此外，哈密顿能量的计算还需要额外的硬件开销。另一方面，目前基于cmos的迭代尹辛机大部分只能配置为固定的尹辛图，而实际组合优化问题通常是不规则的图结构；，少数可以实现部分可配置连接的尹辛图，并且还需要额外的硬件开销。

技术实现思路

1、针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种可配置连接的尹辛机求解器，降低了硬件开销，支持原位精度扩展，并且可以配置为任意连接的尹辛图。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种可配置连接的尹辛机求解器，其特征在于，尹辛机求解器的核心组成部分包括非易失性存储阵列和存储电容，非易失性存储阵列可以采用铁电晶体管fefet阵列或1t1r忆阻器阵列，用于存储自旋(σ)的相互作用系数(j)，配置自旋的连接关系以及计算每个σ的哈密顿能量(hσj＝∑ijij·σi)。

4、1)每个j由两个n型fefet(nfefet)并联组成，fefet阵列中每一列nfefet的栅极连接一存储电容，用于存储并更新σ。通过在nfefet的栅极施加相对较大的写电压脉冲，使得fefet被编程，对于nfefet，其阈值电压可以被调制，voff(漏极电流最小时对应的栅电压)也会同样被调制，voff_-1和voff_+1分别表示低阈值状态和高阈值状态，将并联连接的两个nfefet的voff分别编程为voff_-1/voff_+1或voff_+1/voff_-1，表示j为-1或+1；预充两个存储电容到vσ_-1/vσ_+1或vσ_+1/vσ_-1分别代表σ为-1或+1，每一列j共享一个σ，表示该σ对其他σ的作用系数。

5、尹辛机求解器工作时，首先将由待求解问题抽象出来的j存储在fefet/忆阻器阵列中，其在迭代求解过程中是保持不变的。接下来，初始化一组解并预充σ，利用fefet的三端结构/1t1r进行j和σ的有符号乘法计算，计算结果由上述并联连接的两个nfefet的漏电流之和表示，当计算结果为+1时，两个nfefet均截止均为高组态，该漏电流之和为较低；当计算结果为-1时，会有一个nfefet导通为低阻态，一个nfefet关断为高阻态，该漏电流之和较高。每一行并联连接的nfefet的漏电流之和表示所有σ对该σ的作用累计结果，即hσ。此外，通过将上述并联连接的两个nfefet全部编程为voff-1，表示j为m状态，其对于σ为+1和-1，均为低电流，表示σ之间没有相互作用。因此可以通过将相应的j编程为m状态，配置任意σ连接关系，实现任意尹辛图而不需要额外的硬件开销。在每次迭代过程中，根据每个σ的连接度以及hσ的计算结果更新σ，使得hσ减小，最后得到一组σ优化解。

6、2)与基于nfefet的实现方案相比，将两个nfefet替换为一个nfefet和一个pfefet，fefet阵列中一列nfefet和一列pfefet的栅极共同连接一存储电容，用于存储并更新σ。将上述并联连接的nfefet和pfefet编程到相同的voff_-1或voff_+1，即可表示j为-1或+1；将存储电容预充到vσ_-1或vσ_+1分别代表σ为-1或+1，利用上述并联连接的nfefet和pfefet的相反单调性，只需要一存储电容即可实现σ的存储与输入，以及j和σ的有符号乘法计算。计算结果由上述并联连接的nfefet和pfefet的漏电流之和表示，当计算结果为+1时，nfefet和pfefet均截止，漏电流之和为关态电流ioff；当计算结果为-1时，nfefet或pfefet导通，漏电流之和为开态电流ion，计算结果的表现形式和基于nfefet的设计相同。进一步，利用多畴铁电的部分极化翻转，通过施加适当的写电压脉冲，可以使得铁电层的极化以及fefet的阈值电压连续变化，进而可以得到连续变化的voff，可以实现j的原位多值扩展，进一步提高计算精度。此外，分别将pfefet和nfefet编程为voff_-1和voff_+1，即可以表示m状态，对于σ为+1和-1，均为关态电流，用于配置σ的连接度。

7、3)所述基于可配置连接的尹辛机求解器基于1t1r忆阻器阵列实现，忆阻器阵列用于存储自旋σ的相互作用系数j，配置自旋的σ连接关系以及计算每个σ的哈密顿能量；其中每个j由两个1t1r并联组成，将上述两个1t1r分别编程为高阻态/低阻态或低阻态/高阻态，表示j为-1或+1，忆阻器阵列中每一列的1t1r的栅极连接一存储电容，用于存储并更新σ，预充两存储电容到vσ_-1/vσ_+1或vσ_+1/vσ_-1，分别代表σ为-1或+1，每一列j共享一个σ，表示该σ对其他σ的作用系数，尹辛机求解器工作时，首先将由待求解问题抽象出来的j存储在忆阻器阵列中，其在迭代求解过程中是保持不变，初始化一组解并预充σ，利用1t1r进行j和σ的有符号乘法计算，计算结果由上述并联连接的两个1t1r的漏电流之和表示，当计算结果为+1时，两个1t1r的漏电流之和均为高组态，两个1t1r的漏电流之和较低；当计算结果为-1时，一个1t1r为低阻态，另一个1t1r为高阻态，两个1t1r的漏电流之和较高，每一行并联连接的两个1t1r的漏电流之和表示所有σ对该σ的作用累计结果，即hσ，通过将上述并联连接的两个忆阻器全部编程为高阻态，表示j为m状态，其对于σ为+1和-1，均为低电流，表示σ之间没有相互作用，通过将相应的j编程为m状态，配置任意σ连接关系，在每次迭代过程中，根据每个σ的连接度以及hσ的计算结果更新σ，使得hσ减小，最后得到一组σ优化解。

8、综上所述，本发明提出的可配置连接的尹辛机求解器，可以基于nfefet，忆阻器或者互补fefet实现，利用铁电极化/忆阻器实现j的存储，根据fefet的三端结构或1t1r结合σ的输入实现有符号乘法，利用fefet阵列或忆阻器阵列实现hσ的乘累加计算；本发明支持原位多值扩展，并且可以配置为任意连接的尹辛图结构，而不需要额外的硬件开销，为尹辛机求解器的硬件化提供一种有效实现方案。

9、本发明提出的可配置连接的的尹辛机求解器设计，其中的铁电材料需要采用hfo2掺zr(hzo)、hfo2掺al(hfalo)等各类hfo2掺杂型多畴铁电材料，器件栅叠层可以基于mfmis、mfis、mfs等多种结构，忆阻器可以采用taox，hfox等非易失性忆阻器。

10、本发明的技术效果如下：

11、1、本发明提出的可配置连接的尹辛机求解器利用fefet的铁电极化或忆阻器实现存储，利用fefet的三端结构或1t1r实现计算，相比于传统基于cmos的尹辛机求解器极大的降低了硬件开销，并且利用铁电多畴极化/多值忆阻器可以实现原位多值扩展，进一步提高存储密度和计算精度。

12、2、本发明提出的可配置连接的尹辛机求解器可以进一步基于互补fefet实现，利用nfefet和pfefet的相反单调性，每个σ只需要一存储电容进行存储和输入，进一步降低硬件开销，提升计算能效。

13、3、本发明提出的可配置连接的尹辛机求解器可以将fefet/忆阻器编程到特殊的m状态，其表示两个σ之间没有相互作用关系，进而可以实现任意结构尹辛图的配置。