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具有量子速度的新型硅芯片

悦智网 John Boyd ·2018-09-12 08:42·半导体行业观察
阅读:3624

 

富士通宣称其数字退火机

将超越当今的商用量子计算机

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富士通设计了一种采用硅材料的新型计算机结构, 称为数字退火机。该公司声称它的功效可以匹敌量子计算机。5月份,富士通开始在日本提供云服务,利用该技术解决优化组合问题,例如寻找分子模式的相似性,加速药物研发。

这项服务出现之时,量子计算机领域的活动正不断兴起。据行业新闻报道,总部位于加拿大英属哥伦比亚省博纳比市的D-Wave 系统公司正在出售最新的2000Q量子退火计算机,并争取在未来2年内推出5000量子位(qubits)模型。量子退火是一种数学工具,相比传统计算,其在执行复杂优化任务时,可以在更多可能解中找到一个优解 。

与此同时,一些公司和研究机构正在创造“通用”量子计算机,它们使用量子门来处理量子位,可以运行比量子退火机更复杂的算法。然而由于这些通用计算机的设计和对超导环境高度控制的要求,目前这些机器实际上能够支持的量子位数量很少,一般仅为50个量子位,比D-Wave的2000个量子位少得多。

IBM和微软公司正在采用量子门方法,谷歌也在研究量子门和量子退火系统。2016年,IBM为研究人员在线提供5量子位的超导量子计算机。此后,IBM陆续提供了16量子位和现在的20量子位的机器。在2018年的消费电子产品展(CES)上,英特尔推出了一款名为Tangle Lake的49量子位超导量子测试芯片。

尽管这些方法都有潜力实现前所未有的计算能力,但量子计算机开销很大并且价格昂贵。它们必须保持接近绝对零度的温度,并避免电磁干扰、热噪声和机械振动的影响,保持量子位处于叠加状态(保持0和1的双状态的能力),这是构成量子计算的基础。

富士通与多伦多大学合作开发了数字退火机,可替代类似D-Wave的量子退火计算机。后者需要严格控制低温环境,而富士通采用可在室温条件运行的传统半导体技术,其小型电路板可以放入数据中心机架中。

数字退火机是一种专用芯片,它使用非冯•诺依曼体系结构来实现组合优化运算的数据移动最小化。富士通的高级研究员广隆田村(Hirotaka Tamura)解释说,它由1024个带有可存储权值和偏差的“位更新块”、执行“位翻转”的逻辑模块以及接口控制电路组成。

与传统计算机不同,数字退火机不需要编程。问题以权重矩阵和偏差矢量的形式上传,从而转换为“能量图景”。富士通已经与位于温哥华的量子计算软件领导者1QB信息技术公司合作,为客户提供系统软件和开发工具包,这样他们就可以编写自己的能量图景。

为解决问题,“每个位块通过存储在存储器中的1023个权重使用其一对多连接。”田村解释说。数字退火机充分利用这种并行性,基于权重矩阵和偏差矢量假设诸多可能的状态。然后,这些位块共同运行随机搜索(一种求数学函数最小值的估算技术)为过程中的下一序列生成候选项。这个程序一直持续,直到求出能量图景中的最低能量状态。

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东京工业大学的物理学教授英寿西森(Hidetoshi Nishimori), 也是首批在论文中提出量子退火思想的一位作者,他用类比的方式解释了这种操作:“在数字退火中,系统从一个状态跳到另一个状态,循序地寻找更优的解决方案,就像一个人徘徊在充满山丘和山谷的复杂景区中,寻找最低点。”与此相反,西森补充说,量子退火的 “系统以大规模并行的方式同步考虑所有状态,以求出最佳解”。

那么,基于互补金属氧化物半导体(CMOS)、具有1024位块的数字退火机能否像富士通宣称的那样,可以匹敌或者超越2000个量子位的D-Wave量子退火系统?

“目前看来,这是很有可能的。”西森说。他指出,富士通机器位块之间的权值可使问题的表达精度比D-Wave系统更高。尽管如此,他还是补充说:“量子退火机从长远来看将超过数字退火机,因为它们具有超大量子平行度。”与此同时,富士通表示,它的目标是在明年推出一款8192位块的数字退火机,之后将推出100万位块机器。

富士通正与多伦多大学合作研究数字退火机的应用。今年晚些时候,该公司将开始销售数字退火机服务器、塔式服务器群和可现场安装的单片机。富士通还计划年底之前在北美、欧洲和亚洲推出云服务,目标是该服务在2022年之前实现1000亿日元(约合9亿美元)的收入。

 

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