一种基于并行回火的全连接伊辛模型退火处理电路

本发明涉及伊辛模型，尤其涉及一种基于并行回火的全连接伊辛模型退火处理电路。

背景技术：

1、组合优化问题是寻找组合问题最优解的一类问题，涉及经济管理、工业工程、通信网络等各个领域，如路径规划问题、图像分割问题、资源分配问题等。由于这些问题大多数都是非确定性多项式问题，相应的解空间将随着问题规模的增长而呈指数式增长。因此，现代冯-诺伊曼计算机在处理组合优化问题时资源开销巨大，且难以快速高效地获得组合优化问题的最优解。

2、伊辛模型是统计物理学最经典的模型之一，采用点阵描述铁磁性物质的相变现象，其中，每个格点位置都被一个处于向上或向下状态的自旋占据，而系统总能量由自旋间的相互作用以及外部场作用共同组成。由于伊辛模型的高度抽象性，它能够模拟出广泛的复杂现象，因此，可以将组合优化问题映射到伊辛模型进行求解。基于量子计算的伊辛量子退火处理架构在求解组合优化问题上, 能在保持高精度的同时，以很快的速度找到问题的最优解。然而由于对工作环境的温度有着严格的要求，并受限于解决问题的规模，其实际应用面临着难以克服的挑战。相比之下，随着半导体技术的成熟和发展，基于cmos的伊辛退火处理器为组合优化问题提供了巨大的潜力，并具有较强的适应性、低成本和高稳定性。然而，大多数伊辛处理器更侧重于局部连接的伊辛模型，由于自旋连接的稀疏性，在应用场景上受到很大的限制。尽管全连接伊辛模型能够通过某种算法映射到局部连接伊辛模型上，但代价是使用更多的自旋，增加了硬件资源的消耗，降低了硬件实现效率。此外，基于全连接伊辛模型的退火处理架构可以有效解决许多组合优化问题。然而，由于该架构使用传统模拟退火算法，它每次迭代只能更新单个自旋，大大增加了时间成本。另外，当系统处于局部最小值且能量势垒相对较大时，此时模拟退火算法会大大降低系统逃离局部最小值的可能，这将使系统难以接近问题最优解。

3、并行回火算法，也称为副本交换马尔可夫链蒙特卡罗（mcmc）采样，是一种动态改进蒙特卡罗方法的模拟算法，被用于统计学、生物学和材料科学等众多学科领域。并行回火算法可以同时运行m组副本，每个副本对应一个温度t，温度需要依次升高。并行回火算法通过副本交换，高温下的副本将有更高的概率跳出局部极小值，以探索更多的能量状态，而低温下的副本将有更高的可能性接近全局最小值。但目前还没有一种将并行回火算法可以实现于电路架构。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于并行回火的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并行回火的全连接伊辛模型退火处理电路，包括：

3、全局控制器、温度交换模块，和八个依次编制索引序号的副本；

4、所述全局控制器在参数交换状态中，根据此时完成副本温度交换的迭代次数nswap的奇偶性，选择需要判断是否进行温度交换的相邻副本；并控制所述温度交换模块完成相邻副本间所需的温度交换。

5、当为迭代次数nswap奇数时：第一副本的温度t0不判断是否交换，第二副本的温度t1与第三副本的温度t2判断是否交换，第四副本的温度t3与第五副本的温度t4判断是否交换，第六副本的温度t5与第七副本的温度t6判断是否交换，第八副本的温度t7不判断是否交换；

6、当为迭代次数nswap偶数时：第一副本的温度t0与第二副本的温度t1判断是否交换，第三副本的温度t2与第四副本的温度t3判断是否交换，第五副本的温度t4与第六副本的温度t5判断是否交换，第七副本的温度t6与第八副本的温度t7判断是否交换。

7、副本温度交换的概率计算公式为：

8、，

9、其中，

10、为相邻两副本能量变化，为副本能量，；

11、 q为温度相关参数，，且；为副本索引序号。

12、所述全局控制器包括：i/o接口、迭代计数器、随机数选择单元和控制信号生成器；

13、所述i/o接口，用于用户和处理器之间的信息交互；

14、所述迭代计数器，用于产生副本间温度交换的信号；

15、所述随机数选择单元，用于产生各功能模块所需的随机数；

16、所述控制信号生成器，用于产生控制信号，协调各个功能模块的正常运行。

17、所述全局控制器包括四种工作状态：初始化状态、自旋更新状态、局部场更新状态和参数交换状态。

18、每个副本包含一个sram单元、一个自旋更新单元、n个局部场累积单元和一个能量累积单元，其中n是自旋的数量；

19、所述sram单元，用于存储大小为n×n的自旋间的权重矩阵；

20、所述自旋更新单元，用于更新自旋状态；

21、所述n个局部场累积单元，一一对应于n个自旋，用于累加计算并输出每个自旋的初始局部场或自旋更新后的局部场；

22、所述能量累积单元，用于计算每个副本的能量变化量。

23、本发明中所述一种基于并行回火的全连接伊辛模型退火处理电路，其优点在于，通过将每次选择一组相邻温度下的副本交换替换为同时进行多组相邻温度下的副本间的温度交换，从而提高了工作效率。在解决组合优化问题上，能有效避免伊辛模型陷入局部最小值，并快速收敛到问题的最优解。

24、结构精简，具有硬件资源消耗少，设计复杂度低的优点。对局部场和能量的计算方法进行了实用性修改：在计算自旋局部场时只考虑因自旋翻转引起的局部场变化的影响，在原始局部场的基础上增加变化量。在计算副本能量时只考虑因自旋翻转导致副本能量的变化量，无需计算系统总能量，大大减少了硬件资源的消耗并提高了计算效率。为了平衡硬件设计的复杂性和计算精度，对翻转自旋和交换温度判断公式进行线性近似，在保证了计算精度的前提下，降低了设计复杂度，节省了硬件资源。

技术特征：

1.一种基于并行回火的全连接伊辛模型退火处理电路，包括：

2.根据权利要求1所述一种基于并行回火的全连接伊辛模型退火处理电路，其特征在于，

3.根据权利要求2所述一种基于并行回火的全连接伊辛模型退火处理电路，其特征在于，副本温度交换的概率计算公式为：

4.根据权利要求3所述一种基于并行回火的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接口、迭代计数器、随机数选择单元和控制信号生成器；

5.根据权利要求4所述一种基于并行回火的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四种工作状态：初始化状态、自旋更新状态、局部场更新状态和参数交换状态。

6.根据权利要求3所述一种基于并行回火的全连接伊辛模型退火处理电路，其特征在于，每个副本包含一个sram单元、一个自旋更新单元、n个局部场累积单元和一个能量累积单元，其中n是自旋的数量；

技术总结
本发明公开了一种基于并行回火的全连接伊辛模型退火处理电路，针对现有技术中并行回火算法没有合适电路架构可实现的问题提出本方案。包括：全局控制器、温度交换模块，和八个依次编制索引序号的副本。所述全局控制器在参数交换状态中，根据此时完成副本温度交换的迭代次数N<subgt;swap</subgt;的奇偶性，选择需要判断是否进行温度交换的相邻副本；并控制所述温度交换模块完成相邻副本间所需的温度交换。优点在于，通过将每次选择一组相邻温度下的副本交换替换为同时进行多组相邻温度下的副本间的温度交换，从而提高了工作效率。在解决组合优化问题上，能有效避免伊辛模型陷入局部最小值，并快速收敛到问题的最优解。

技术研发人员：姚恩义,樊高鹏,张洋,汪祥瑞
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