摘要：组合优化问题（COPS）在各个领域（例如班次计划，交通路由和药物开发）中出现。但是，他们在实用的时间范围内使用传统计算机来解决他们的挑战。另外，是解决COPS的专门硬件的退火处理器（AP）引起了极大的关注。它们基于ISING模型，在该模型中，COP变量作为磁性旋转和约束作为旋转之间的相互作用。通过找到最小化系统能量的自旋态来获得溶液。...

组合优化问题（COPS）在各个领域（例如班次计划，交通路由和药物开发）中出现。但是，他们在实用的时间范围内使用传统计算机来解决他们的挑战。另外，是解决COPS的专门硬件的退火处理器（AP）引起了极大的关注。它们基于ISING模型，在该模型中，COP变量作为磁性旋转和约束作为旋转之间的相互作用。通过找到最小化系统能量的自旋态来获得溶液。

ISING模型有两种类型：稀疏耦合模型和完全耦合的模型。稀疏耦合的模型通过允许更多的旋转来提供高可扩展性，但要求将警察转换以适合该模型。另一方面，完全耦合的模型可以直接映射任何COP而不会转换，从而使其非常可取。但是，它们的容量（旋转数量）和精度（相互作用位宽度）有限。虽然先前的研究已经使用可扩展结构实施了全面模型，该结构可以使用特定于应用程序的集成电路（ASIC）增加容量，但它们的相互作用位宽度是固定的，使某些COP难以解决。

在一项开创性研究中，由日本东京科学大学电气工程系教授的日本研究团队开发了一种创新的双重可扩展退火处理系统（DSAPS），可以同时使用相同的可扩展结构来扩展容量和精确度。他们的研究在线发表在《期刊》上IEEE访问2025年3月21日，于2025年3月31日发表在第13卷中，并在2024年国际微电子会议上发表。

DSAP通过操纵∆E块来实现双重可扩展性，并使用两个结构来计算系统的能量。即，常规的高容量结构和新颖的高精度结构。每个∆E块等效于基于CMOS的AP板上的大规模集成（LSI）芯片，包括相互作用矩阵和旋转。高容量结构将每个∆E块划分为较小的亚块，然后分别计算出来，然后通过AP板上的对照块加在一起。这可以通过简单地将∆E块细分为更子块来增加自旋数量。

高精度结构可以在不同的位级别计算多个具有相同自旋数和相互作用的∆E块。然后，控制块通过执行位移位来结合其计算，从而导致较高的总体相互作用位宽度。例如，一个具有四个∆E块的系统在不同的位级别上使用单个控制块运行，可以处理原始相互作用位宽度的四倍。

“ DSAPS是一个革命性的系统，它可以通过控制多个具有单场可编程门阵列控制块的多个相同的LSI芯片来同时扩展自旋数和交互位宽度，” Kawahara教授Kawahara教授。 “此外，该系统可用于稀疏耦合和完全耦合的Ising模型。”

为了证明系统的实用性，研究人员使用旋转线程在CMOS-AP板上实现了两种DSAP配置：一个带有2048旋转，具有10位相互作用和四个线程，另一个带有1024个旋转，37位相互作用和两个线程。这是对ASIC的可观改进，通常其相互作用的位宽度仅为4到8位。

对最大切割问题的验证测试表明，与最著名的理论结果相比，这两个DSAP的精度均超过99％。但是，在0-1背包问题中，具有10位相互作用的DSAP显示出较大的平均偏差为99％，而37位配置仅显示平均偏差仅为0.73％，接近基于CPU的仿真。这突出了选择与目标COP的特征对齐的DSAP配置的重要性。

卡瓦哈拉教授说：“该系统对于开发可扩展的AP将至关重要。 “在过去的10年中，我们的部门一直在促进有关LSI实施完全耦合的ISING机器的研究。从2025年开始，该系统将被纳入所有三年级学生的学生实验之一，从而增强了半导体设计教育。”

总体而言，这项研究标志着开发可扩展，高精度，完全耦合的Ising机器的重要一步，并在各个领域都有有希望的应用。