No017 专题:探索量子计算机的真实形象

编号017

专题:探索量子计算机的现实

专家访谈专家访谈

带CMOS芯片退火机创造,
组合优化问题解决

2018.04.28

山冈正直
(日立株式会社研究开发组电子创新中心
信息电子研究部高级研究员)

使用 CMOS 芯片创建退火机并解决组合优化问题

传统诺伊曼计算机*1弱于。一个典型的例子是“旅行推销员问题”,它涉及确定到达目的地的最短路线。量子计算机擅长解决这个问题。然而,为了观察量子态,晶格振动必须冷却到接近绝对零(-273℃)。*2的影响,因此大规模的冷却系统是必要的。所以我们想知道是否可以在不使用冷却装置的情况下解决这个问题,我们想到的是日立研发小组开发的CMOS半导体芯片。*3我听说了这款芯片的潜力,该公司将其称为 CMOS 退火。

(采访/文/津田健二摄影/黑泷千里(天名))

先生山冈正直

── 请告诉我们开发新型CMOS退火机的背景。

为了实现智能社会,迄今为止,计算技术一直以云为中心,即网络空间。但实际上,在尝试进行实时处理时,不可能每次都访问云来实现即时响应。为了克服这个问题,需要在靠近这些物联网终端的一侧(边缘)拥有计算能力,例如现实世界中的物联网终端本身、充当称为网关的网络连接点的路由器等设备以及本地移动基站。这需要开发同时使用云和边缘的技术,并且系统优化将成为智能社会的必要条件。例如,在交通系统中,必须优化交通量和出行成本以消除拥堵。因此,有必要有效地解决优化问题,例如使用交通状况和每辆车的目的地作为输入参数来优化信号控制。

组合优化问题的一个典型示例是“旅行推销员问题”,其中涉及确定访问各个城市的最有效路线(图 1)。如果城市少的话,解很容易,但城市越多,计算就越困难。

[图1]解决旅行商问题
由日立有限公司研究与开发小组提供
解决旅行商问题

其他优化问题包括最大限度地降低供应链中的物流成本,以及就电网而言,优化发电量和路线以确保能源的稳定供应。风险投资公司还可以使用它来决定选择投资的顺序。

此外,据说半导体世界的摩尔定律即将结束,感觉计算机架构正在达到其极限。因此,我认为我需要改变解决问题的方式,所以我决定开发一台完全不同的计算机。

换句话说,结合组合优化问题在未来将变得重要的事实,我们开始开发的想法是使用具有不同架构的计算机方法来解决这个问题。

── 美国目前有一场名为“重启计算倡议”的运动,旨在推动后诺伊曼型计算机的发展。

这正是我们的目标。去年11月在美国举行的IEEE国际重启计算会议(ICRC)上,我们提出了一种考虑伪量子效应的技术(参考资料1)。我们的流程遵循这个趋势。量子计算机、人工智能等各种架构都被定位为后诺依曼计算。

[脚注]

*1
诺依曼计算机:今天使用的计算机系统。它基本上由CPU、存储器和总线构成,通过从存储器中取出指令和数据来执行控制和计算功能。
*2
晶格振动:构成所有物质的分子总是由于温度高于绝对零时的热量而振动。特别地,诸如半导体的晶格在原子之间经历晶格振动。除非停止这种情况,否则无法观察到量子态。
*3
CMOS半导体芯片:现在大规模集成电路(LSI)主流的基本电路。在1或0的稳定状态下没有电流流动,只有在从1到0或从0到1的转变时才有电流流动。因此,当工作频率增加时,转变频繁发生,并且有大量电流流动。
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