Oscylacje krzemu pokonują ograniczenia

Zespół badawczy KAIST opracował sprzęt obliczeniowy, który można wdrożyć w całości z wykorzystaniem procesów krzemowych, umożliwiając instalację na istniejących liniach produkcyjnych bez potrzeby dodatkowych urządzeń. Umożliwi to szybsze i dokładniejsze podejmowanie decyzji w różnych branżach, w tym w logistyce, finansach i projektowaniu półprzewodników. Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Science Advances.

Zespół badawczy pod kierownictwem profesora Yang-Kyu Choi i profesora Sanghyeon Kima wdrożył oscylacyjną maszynę Isinga, specjalistyczny komputer, w którym wiele elementów oscylacyjnych oddziałuje na siebie w celu znalezienia optymalnych rozwiązań. Wykorzystuje wyłącznie konwencjonalne procesy oparte na krzemowych półprzewodnikach.

Naukowcy skupili się na oscylatorach, które okresowo powtarzają sygnały elektryczne. W miarę procesu, gdy wiele oscylatorów wymienia sygnały i synchronizuje swoje działanie, system w sposób naturalny osiąga stan najbardziej stabilny i znajduje optymalne rozwiązanie.

Konwencjonalne maszyny oscylacyjne Isinga posiadają ograniczenia w rozwiązywaniu złożonych problemów, ponieważ trudno jest precyzyjnie kontrolować niewielkie różnice częstotliwości pomiędzy oscylatorami, a łączność między elementami jest ograniczona.

Aby temu zaradzić, zespół badawczy zaproponował nowe podejście, w ramach którego zarówno oscylatory, jak i systemy sprzęgania są implementowane z wykorzystaniem pojedynczych tranzystorów krzemowych, które są podstawowymi elementami przełączającymi półprzewodników.

Dzięki temu podejściu zmniejszono odchylenia częstotliwości między oscylatorami, umożliwiając stabilną synchronizację, a dzięki zastosowaniu sprzęgaczy wdrożono sprzężenie wielopoziomowe, które pozwala na dokładniejsze odzwierciedlenie wag problemu.

W rezultacie znacznie poprawiono zarówno zdolność do reprezentowania złożonych problemów optymalizacyjnych, jak i wydajność wyszukiwania rozwiązań. Wykorzystując tę ​​technologię, zespół badawczy z powodzeniem rozwiązał reprezentatywne zagadnienie optymalizacji kombinatorycznej, znane jako problem Max-Cut, który polega na podziale sieci na dwie grupy w celu maksymalizacji połączeń. Jego rozwiązanie można bezpośrednio zastosować w różnych aplikacjach, takich jak optymalizacja tras logistycznych, budowa portfela finansowego czy rozmieszczanie układów półprzewodnikowych.

Kluczową zaletą tego podejścia jest wykorzystanie procesu CMOS, który jest obecnie stosowany w przemyśle półprzewodnikowym, a bez konieczności stosowania specjalnych materiałów lub niestandardowych procesów. Dzięki temu technologia nadaje się do masowej produkcji i komercjalizacji na istniejących liniach produkcyjnych półprzewodników bez konieczności dodatkowych inwestycji w infrastrukturę.

Największe znaczenie technologiczne wynalazku polega na zademonstrowaniu oscylatora jako trzeciej fundamentalnej funkcji tranzystora.

(rr)