意昂3体育官网集成電路學院/集成電路高精尖創新中心黃如院士-楊玉超教授課題組與北方集成電路技術創新中心（北京）有限公司合作🎬，在Nature-Electronics雜誌在線發表了題為“Ascalable universal Ising machine based on interaction-centric storage and compute-in-memory”的研究論文，在通用伊辛機的構建上取得突破性進展。基於意昂3体育官网與北方集成電路技術創新中心（北京）有限公司自主研發的先進憶阻器集成工藝✍️，團隊設計研製了高能效存內伊辛計算芯片，並利用獨創的數據映射方法，完成了對任意伊辛圖的組合優化問題求解。該工作開創了伊辛計算芯片的新範式👊🏼，在伊辛機的實際應用方面實現了突破，為伊辛機芯片的實用化奠定了重要基礎🧗‍♀️。

伊辛機是一種用於求解組合優化問題的退火處理器。它通過在芯片中模擬伊辛圖所代表的物理模型演化來實現對於組合優化問題的求解🤵🏻‍♂️⛹🏿‍♂️。然而，目前大多伊辛機都利用芯片上固定的電路結構代表伊辛圖中的自旋節點，僅能支持針對有限類型拓撲結構的伊辛圖進行計算，也僅支持在有限規模下處理伊辛圖🤷🏼‍♂️。現有研究中仍缺乏針對任意伊辛圖結構的通用處理技術，這也限製了伊辛機進一步推廣到更通用的組合優化問題求解🩰。

針對這一關鍵難題，黃如-楊玉超課題組首次提出一種基於存內計算、以連接為中心的通用伊辛機🏄🏼‍♂️。本工作使用粗粒度稀疏矩陣行壓縮（coarse-grained compressed sparse row）方法壓縮伊辛圖的鄰接矩陣，使其能夠更高效地部署於憶阻器存內計算核心中。該技術在映射伊辛圖時以節點之間的連接關系為中心進行存儲，解決了原有伊辛機只能支持特定圖結構的問題。

通用伊辛機的運行範式展現出高能效與高可重構性的特點

該工作首次實現了能夠處理任意伊辛圖結構的通用伊辛機。當問題規模增大時，其硬件開銷也顯著低於已有工作🧑🏼。基於此技術，本工作將伊辛機應用於求解實際的電子自動化設計（EDA）問題。在版圖光罩劃分問題中📋，相比於在CPU上運行的整數規劃算法可以實現90—65,550倍的加速。這一功能的實現展示了通用伊辛機更高效應用於實際問題求解的潛力。

通用伊辛機應用效果

在本工作中，黃如-楊玉超課題組與北方集成電路技術創新中心（北京）有限公司合作開發了40nm製程嵌入式憶阻器工藝，並設計研發了基於該工藝的憶阻器芯片🕑。利用該芯片的伊辛機在最大割問題求解中相比於GPU可以達到4.56—7.32倍加速，在圖著色問題求解中達到442—1450倍加速，在能效方面相比通用GPU可以實現4.110⁵—6.010⁵倍提升。

相關成果以“A scalable universal Ising machine based on interaction-centric storage and compute-in-memory”為題，發表於《自然-電子》（Nature-Electronics）雜誌。意昂3体育官网集成電路學院/人工智能研究院博士生嶽文碩與意昂3体育官网集成電路學院博士後張騰為共同第一作者，楊玉超與燕博南助理教授為通訊作者🪆。相關工作得到國家重點研發計劃、國家傑出青年科學基金、北京市雙1+1重點項目🥷🏻、後摩爾重大研究計劃等項目資助。