摘要：组合优化问题 (COP) 出现在各个领域，例如排班调度、交通路线规划和药物开发。然而，使用传统计算机在实际时间范围内解决这些问题极具挑战性。退火处理器 (AP) 作为专门用于求解 COP 的硬件，已获得广泛关注。它们基于伊辛模型，其中 COP 变量表示为磁自旋

组合优化问题 (COP) 出现在各个领域，例如排班调度、交通路线规划和药物开发。然而，使用传统计算机在实际时间范围内解决这些问题极具挑战性。退火处理器 (AP) 作为专门用于求解 COP 的硬件，已获得广泛关注。它们基于伊辛模型，其中 COP 变量表示为磁自旋，约束表示为自旋之间的相互作用。通过找到使系统能量最小化的自旋状态来获得解。

伊辛模型有两种类型：稀疏耦合模型和全耦合模型。稀疏耦合模型允许更多自旋，从而具有较高的可扩展性，但需要对耦合算子（COP）进行变换以适应模型。另一方面，全耦合模型允许任何COP直接映射而无需变换，因此非常受欢迎。然而，它们的容量（自旋次数）和精度（相互作用位宽）有限。虽然先前的研究已经使用一种可扩展的结构实现了全伊辛模型，该结构可以使用专用集成电路（ASIC）来增加容量，但它们的相互作用位宽是固定的，这使得某些COP难以求解。

在一项开创性的研究中，由日本东京理科大学电气工程系教授川原隆之领导的日本研究团队开发了一种创新的双可扩展退火处理系统（DSAPS），该系统可以使用相同的可扩展结构同时扩展容量和精度。他们的研究于2025年3月21日在线发表在 《IEEE Access》杂志上 ，并于2025年3月31日出版在第13卷上，并在2024年国际微电子会议上发表。

DSAPS 通过操控负责计算系统能量的 ∆E 模块，实现了双重可扩展性。该模块采用两种结构，即传统的高容量结构和新型的高精度结构。每个 ∆E 模块相当于基于 CMOS 的 AP 板上的一块大规模集成电路 (LSI) 芯片，包含相互作用矩阵和自旋。高容量结构将每个 ∆E 模块划分为更小的子模块，这些子模块分别进行计算，然后由 AP 板上的控制模块将这些子模块加在一起。这样，只需将 ∆E 模块细分为更多子模块，即可增加自旋数量。

高精度结构支持多个具有相同自旋数和相互作用的∆E块在不同的比特级别进行计算。然后，控制块通过执行位移位操作合并它们的计算，从而获得更高的整体相互作用位宽。例如，一个包含四个∆E块、以不同比特级别运行且只有一个控制块的系统，可以处理四倍于原始相互作用位宽的计算。

Kawahara 教授强调说：“DSAPS 是一个革命性的系统，它通过使用单个现场可编程门阵列控制块控制多个相同的 LSI 芯片，可以同时扩展自旋数量和相互作用位宽。此外，该系统既可以用于稀疏耦合的 Ising 模型，也可以用于完全耦合的 Ising 模型。”

为了证明该系统的实用性，研究人员在CMOS-AP板上实现了两种使用自旋线程的DSAPS配置：一种配置具有2048个自旋、10位交互和四个线程；另一种配置具有1024个自旋、37位交互和两个线程。这比通常交互位宽仅为4到8位的ASIC有了显著的改进。

对 MAX-CUT 问题的验证测试表明，与最著名的理论结果相比，这两种 DSAPS 的准确率均超过 99%。然而，在 0-1 背包问题中，10 位交互的 DSAPS 的平均偏差高达 99%，而 37 位配置的平均偏差则低得多，仅为 0.73%，接近基于 CPU 的仿真结果。这凸显了选择与目标 COP 特性相符的 DSAPS 配置的重要性。

“该系统对于开发可扩展的AP（用于解决现实世界中复杂的COP）至关重要，”Kawahara教授说道。“过去十年来，我们系一直致力于推动全耦合伊辛机在大规模集成电路（LSI）上的实现研究。从2025年开始，该系统将成为所有三年级学生的实验之一，以加强半导体设计教育。”

总体而言，这项研究标志着可扩展、高精度、全耦合伊辛机的开发迈出了重要一步，在各个领域都有着良好的应用前景。

分层半导体：下一代数据存储的未来

一种在压力下会发生巨大变化的柔软分层材料有朝一日可以帮助计算机以更少的能量存储更多的数据。

这是华盛顿州立大学和北卡罗来纳大学夏洛特分校研究人员的一项新研究的成果。该研究表明，一种混合碲化锌基材料在像分子三明治一样被挤压在一起时，会发生令人惊讶的结构变化。这些变化可能使其成为相变存储器的有力候选材料。相变存储器是一种超快速、持久的数据存储方式，其工作方式与当今设备中的存储器不同，并且不需要恒定电源。

这项研究得益于一台价值超过 100 万美元的 X 射线衍射系统，该系统于 2022 年在默多克慈善信托基金的支持下购置。这台专用设备可以让研究人员在华盛顿州立大学普尔曼校区实时观察材料中微小的结构变化。通常，这类实验需要在大型国家级设施（例如加州伯克利国家实验室的先进光源）上进行。

“能够在校园里进行这些高压实验，让我们能够灵活地深入研究正在发生的事情，”华盛顿州立大学物理学教授、 AIP Advances研究论文合著者马特·麦克拉斯基 (Matt McCluskey) 说。“我们发现，这种材料不仅仅是被压缩了，它实际上在很大程度上改变了其内部结构。”

这种名为β-ZnTe(en)₀.₅的材料由交替排列的碲化锌和一种名为乙二胺的有机分子构成。麦克拉斯基将其结构比作三明治。“想象一下一层又一层的陶瓷和塑料层层叠加，”他说，“当你施加压力时，柔软的部分比坚硬的部分更容易塌陷。”

研究人员利用金刚石压砧（一种能够施加极压的装置）和新的X射线系统，发现该材料在相对较低的压力（2.1和3.3千兆帕）下经历了两次相变。在这两种情况下，结构都发生了显著变化，收缩幅度高达8%。

华盛顿州立大学物理学博士生、该研究的主要作者朱莉·米勒解释说，相变是指材料在原子层面上改变其结构的过程——就像水变成冰或蒸汽一样。在这种情况下，变化发生在两种固态之间，相同的原子重新排列成更致密的结构。这类转变可以显著改变材料的物理性质，包括其导电或发光方式。由于不同的结构相通常具有不同的电学和光学特性，科学家们认为它们可以用来编码数字信息——这正是相变存储器背后的原理。

“大多数这类材料需要巨大的压力才能改变结构，但这种材料在纯碲化锌通常所见压力的十分之一下就开始转变了，”米勒说。“这正是这种材料如此有趣的原因——它在低得多的压力下就能表现出巨大的效应。”

研究人员还发现，这种材料在不同方向的挤压下，其行为表现会截然不同。这种方向敏感性，加上其层状结构，使其更具可调谐性，并为其更多用途打开了大门。

除了存储器之外，这种材料还可以应用于光子学，即利用光而不是电来传输和存储信息。由于这种材料会发出紫外线，研究人员怀疑其光辉可能会根据其相位而变化——这可能使其在光纤或光学计算领域也具有应用前景。

虽然 β-ZnTe(en)₀.₅ 作为潜在的商业存储材料还处于早期阶段，但这一发现标志着向前迈出了一大步。

“我们才刚刚开始了解这些混合材料的作用，”米勒说。“我们能够在校园里用设备观察到这些变化，这让我们更加兴奋。”

接下来，该团队计划研究这种材料如何响应温度变化，并探索在施加压力和热量时会发生什么情况——构建其行为和可能性的更完整图谱。

该项研究 “静水压力下-ZnTe(en)0.5 的相变”由美国能源部资助。

来源：科学新学生