Double processeurs de recuit évolutifs surmontent la capacité et les limites de précision

Les problèmes d’optimisation combinatoire (COP) surviennent dans divers domaines tels que la planification des quart, le routage du trafic et le développement de médicaments. Cependant, ils sont difficiles à résoudre en utilisant des ordinateurs traditionnels dans un délai pratique.

Alternativement, les processeurs de recuit (AP), qui sont du matériel spécialisé pour résoudre les COP, ont attiré une attention significative. Ils sont basés sur le modèle ISING, dans lequel les variables COP sont présentées sous forme de spins magnétiques et de contraintes comme des interactions entre les spins. Les solutions sont obtenues en trouvant l’état de spin qui minimise l’énergie du système.

Il existe deux types de modèles ISING, le modèle à couplage peu coupable et le modèle entièrement couplé. Les modèles à couplage clairsemé offrent une grande évolutivité en permettant à plus de tours, mais nécessitent que les flics soient transformés pour s’adapter au modèle. Les modèles entièrement couplés, en revanche, permettent à n’importe quel flic d’être mappé directement sans transformation, ce qui les rend hautement souhaitables.

Cependant, ils sont limités en capacité (nombre de spins) et en précision (largeur du bit d’interaction). Bien que les études précédentes aient mis en œuvre des modèles entièrement en isse en utilisant une structure évolutive qui peut augmenter la capacité à l’aide de circuits intégrés spécifiques à l’application (ASIC), leur largeur de bits d’interaction est fixe, ce qui rend certains flics difficiles à résoudre.

Dans une nouvelle étude, une équipe de recherche du Japon, dirigée par le professeur Takayuki Kawahara du Département de génie électrique de l’Université des Sciences de Tokyo, a développé un système de traitement de recuit évolutif à double évolution (DSAPS) innovant qui peut simultanément à la fois la capacité et la précision en utilisant la même structure évolutive. Leur étude apparaît dans la revue Accès IEEE et a été présenté à la Conférence internationale de 2024 sur la microélectronique.

DSAPS réalise la double évolutivité en manipulant les blocs ∆E, responsables de la calcul de l’énergie du système, en utilisant deux structures. c’est-à-dire la structure conventionnelle à haute capacité et une nouvelle structure de haute précision. Chaque bloc ∆E équivaut à une puce intégrée (LSI) à grande échelle sur une carte AP basée sur CMOS et comprend la matrice d’interaction et les spins.

La structure à haute capacité divise chaque bloc ∆E en sous-blocs plus petits qui sont calculés séparément puis additionnés par un bloc de commande sur la carte AP. Cela permet d’augmenter le nombre de spins en subdivisant simplement le bloc ∆E en plus de sous-blocs.

La structure de haute précision permet de calculer plusieurs blocs ∆E, avec les mêmes nombres et interactions de spin, à être calculés à différents niveaux de bit. Le bloc de commande combine ensuite leurs calculs en effectuant des changements de bits, ce qui entraîne une largeur de bits d’interaction globale plus élevée. Par exemple, un système avec quatre blocs ∆E fonctionnant à différents niveaux de bits avec un seul bloc de commande peut gérer quatre fois la largeur du bit d’interaction d’origine.

“DSAPS est un système révolutionnaire qui permet une expansion simultanée du nombre de spins et de largeur de bit d’interaction en contrôlant plusieurs puces LSI identiques avec un bloc de contrôle de tableau de porte programmable à champ”, explique le professeur Kawahara. “De plus, ce système peut être utilisé pour les modèles ISING à couplage peu couplés et entièrement couplés.”

Pour démontrer l’aspect pratique du système, les chercheurs ont mis en œuvre deux configurations DSAPS sur une carte CMOS-AP en utilisant des threads de spin: l’un avec 2 048 tours, avec des interactions 10 bits et quatre threads, et une autre avec 1024 spins, des interactions 37 bits et deux threads. Il s’agit d’une amélioration considérable par rapport aux ASIC, qui ont généralement des largeurs de bits d’interaction de seulement 4 à 8 bits.

Les tests de validation sur les problèmes de coupe maximale ont montré que les deux DSAP ont atteint une précision de plus de 99% par rapport aux résultats théoriques les plus connus. Cependant, dans le problème de sac à dos 0-1, les DSAP avec interaction 10 bits ont montré un grand écart moyen de 99%, tandis que la configuration 37 bits a montré un écart moyen beaucoup plus faible de seulement 0,73%, près de celui observé dans les émulations basées sur le processeur. Cela met en évidence l’importance de sélectionner une configuration DSAPS qui s’aligne sur les caractéristiques du COP cible.

“Ce système s’avérera crucial pour développer des AP évolutifs pour résoudre des flics complexes du monde réel”, remarque le professeur Kawahara. “Notre département a promu des recherches sur la mise en œuvre du LSI de machines ISING entièrement couplées depuis 10 ans. À partir de 2025, ce système sera intégré comme l’une des expériences étudiantes pour tous les étudiants de troisième année, améliorant l’éducation à la conception de semi-conducteurs.”

Dans l’ensemble, cette étude marque un pas en avant significatif pour le développement de machines ISING évolutives, de haute précision et entièrement couplées, avec des applications prometteuses dans divers domaines.