一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路

本发明涉及伊辛模型，尤其涉及一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路。

背景技术：

1、组合优化问题是在一组有限的离散对象中，找出最优对象的一类问题，如旅行商问题、最大割问题、图形着色问题、航班调度问题等，属于典型的非确定性多项式难题。伊辛模型通过一群相互连接的自旋来描述物质相变的随机过程，大多数组合优化问题能够映射到伊辛模型中，即通过求解伊辛模型就能求解组合优化问题的最优解。退火算法源于固体物质退火原理，是一种通用的优化算法，能够有效求解伊辛模型。由于组合优化问题的解空间随着变量数而爆炸式增长且冯-诺伊曼体系结构的处理器具有固有的串行工作机制，因此冯-诺伊曼体系结构的处理器难以快速解决组合优化问题。量子退火处理器利用超导通量量子比特求解组合优化问题，具有卓越的精度和极快的求解速度。然而，量子退火处理器要求一个极低的工作环境，且消耗了高昂的成本。这些缺点限制了其在实际中的使用。随着半导体制造技术的发展，基于cmos工艺的退火处理器被开发出来以克服上述问题。这类处理器采用sram单元存储自旋状态，利用逻辑电路实现自旋之间的相互作用，使用随机数产生器跳出局部极小值。与通用cpu和量子退火处理器相比，这类处理器在执行速度、成本和功耗方面有了很大的改善且在室温下就能工作。然而，当前大多数cmos退火处理器仅仅支持自旋的稀疏互联，如格图、国王图和六方图等,这极大地限制了它们能解决的组合优化问题的种类。虽然目前已经开发出的几个支持全连接自旋的cmos退火处理器能够求解很多组合优化问题，如旅行商问题和最大割问题等，但这些处理器消耗了大量的资源且仅仅实现了少量的全连接自旋，并且在每一迭代步中最多只能选择一个自旋进行状态更新。它们仅仅能够求解小规模的组合优化问题，且扩展性低、收敛速度慢、并行处理能力低。总的来说，对于一种拥有高拓展性、高收敛速度和高并行度，支持大规模全连接自旋且并行更新状态的退火处理架构，目前仍没有较好的设计方案。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路，以解决上述现有技术存在的问题。

2、本发明中所述一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路，包括：全局控制器、控制总线、自旋处理阵列及合并路由器阵列；所述全局控制器对所有自旋处理单元进行并行控制；所有自旋处理单元共享退火温度和随机数，并通过所述合并路由器阵列进行通讯传递和计算。

3、所述全局控制器包括i/o模块、控制逻辑模块、温度调度模块和随机数发生模块；所述i/o模块，负责在用户和处理电路之间交换信息；所述控制逻辑模块负责产生相应的控制信号；所述温度调度模块和随机数发生模块分别负责产生退火温度和随机数；所述控制总线将控制信号、退火温度和随机数发送给所有的自旋处理单元。

4、所述自旋处理阵列包括多个自旋处理单元，每个自旋处理单元再包含256个自旋，每次处理更新一个自旋。

5、自旋处理单元包括一个控制单元、一个状态更新单元和一个生产单元；

6、所述控制单元包括控制逻辑和计数器；所述控制逻辑用于接收全局控制器的指令、相应地产生本自旋处理单元内所有计算元件之间的控制信号；所述计数器用于记录256个自旋中状态为-1的自旋数量；

7、所述状态更新单元由一个部分和数寄存器、一个寄存器、一个寄存器、一个绝对值器、三个加法器、一个比较器、一个乘法器和一个翻转器组成；所述绝对值器和加法器用于接收和累加相关系数，并将累加结果存于寄存器中；所述部分和数寄存器和寄存器用于寄存基本部分和数量和累加得到的；所述比较器用于比较和，决定是否更新本自旋处理单元所处理的单个自旋，若符合更新条件则选择进一步更新自旋状态，否则状态保持不变；

8、所述生产单元由七级流水线组成，包括一个访问控制器、16个j存储器、一个h存储器、16个σ存储器、16个比较器、多个加法器、多个多路复用器和多个非门，用于产生的基本部分和和中的系数，并发送到其它自旋处理单元；所述访问控制器用于专门控制存储或读出相互作用系数和外磁系数；所述第一级流水线之前，一次从16个j存储器中读出16个系数，启动16个比较器判断这些系数是否与所有被选择进行更新的自旋相关，若相关，则将其传送到第一级流水线；所述第二级流水线，由上一级传来的16个系数和存储在σ存储器中的16个自旋产生的16个基本部分和，即当时，直接传给下一级，当时，激活非门对进行按位取反，然后将结果传递到下一级；所述第三级流水线，通过具有 16 个输入的加法器树对基本部分和进行累加；所述第四级流水线，将外磁系数添加到上一阶段的结果中；所述第五级流水线，将控制单元中计数器记录的的数量与前一阶段的结果相加；所述第六级流水线，若累加的部分和与当前自旋处理单元中处理的自旋相关，则直接送入下一级流水线，否则，则等待其它240个部分和，并合并到下一级流水线；所述第七级流水线，将计算的基本部分和或中的系数，打包成部分和或系数包，并转发给其它的自旋处理单元。

9、所述合并路由器包括一个合并模块和一个路由模块，分别负责合并以及转发信息包。

10、本发明中所述一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路，其优点在于：

11、（1）具有高收敛速度、高并行度，能够实现对全连接伊辛模型的高速、高并行退火处理。从算法设计层面到硬件实现层面都支持多自旋并发更新：算法上，动态多线程并行更新退火算法能够动态地调整线程数k和单个线程并行更新自旋数m，在有限的硬件资源下，加速收敛，并且通过回温策略保证精度；硬件上，通过片上网络架构实现并行更新，实现算法功能。

12、（2）具有高拓展性，每个自旋处理单元能够处理256个自旋，仅需增加自旋处理单元的数量，就能够处理更大规模的组合优化问题。

13、（3）设计复杂度低、硬件资源成本低，对电路中的结构采用专门设计：全局控制器中，采用乘法器计算温度倒数避免了高成本除法器的使用，同时所有自旋处理单元共享温度和随机数，极大地降低了硬件成本与功耗。自旋处理阵列中，采用分布式存储、近内存计算结构，简化了自旋处理单元的结构，降低了通信流量负载，减轻了计算复杂度，提高了计算效率。同时自旋处理单元使用了全流水线结构，结合了独特的乘法累加操作，采用一个附有计数器的加法器替代十六个加法器，大大降了了硬件开销。合并路由器采用合并、偏转方案和全流水线设计，能够将多个部分和数据包合并为一个，减少通信流量负载和每次迭代消耗的计算时间，且简化了设计复杂性。

技术特征：

1.一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路，其特征在于，包括：全局控制器、控制总线、自旋处理阵列及合并路由器阵列；所述全局控制器对所有自旋处理单元进行并行控制；所有自旋处理单元共享退火温度和随机数，并通过所述合并路由器阵列进行通讯传递和计算。

2.根据权利要求1所述一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路，其特征在于，所述全局控制器包括i/o模块、控制逻辑模块、温度调度模块和随机数发生模块；所述i/o模块，负责在用户和处理电路之间交换信息；所述控制逻辑模块负责产生相应的控制信号；所述温度调度模块和随机数发生模块分别负责产生退火温度和随机数；所述控制总线将控制信号、退火温度和随机数发送给所有的自旋处理单元。

3.根据权利要求1所述一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路，其特征在于，所述自旋处理阵列包括多个自旋处理单元，每个自旋处理单元再包含256个自旋，每次处理更新一个自旋。

4.根据权利要求3所述一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路，其特征在于，自旋处理单元包括一个控制单元、一个状态更新单元和一个生产单元；

5.根据权利要求1所述一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路，其特征在于，所述合并路由器包括一个合并模块和一个路由模块，分别负责合并以及转发信息包。

技术总结
本发明公开了一种基于片上网络的大规模全连接伊辛模型退火处理电路，涉及伊辛模型技术领域，针对现有技术中的模型电路处理规模小、扩展性低、收敛速度慢、并行处理能力低等问题提出本方案。包括：全局控制器、控制总线、自旋处理阵列及合并路由器阵列；所述全局控制器对所有自旋处理单元进行并行控制；所有自旋处理单元共享退火温度和随机数，并通过所述合并路由器阵列进行通讯传递和计算。优点在于，具有高收敛速度、高并行度、高拓展性以及低设计复杂度、低硬件资源成本，能够实现对全连接伊辛模型的高速、高并行退火处理。

技术研发人员：姚恩义,蒋东,汪祥瑞,黄展鸿
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12