基于动态比率并行退火和近似计算的伊辛架构计算系统

本发明涉及伊辛架构计算，尤其涉及一种基于动态比率并行退火和近似计算的伊辛架构计算系统。

背景技术：

1、现有技术中针对伊辛模拟退化通常是采用模拟退火sa、随机元胞自动机sca、比率控制并行退火rpa等退火策略，该类退火策略在平衡计算效率与解质量方面存在明显不足：一方面，随机元胞自动机退火（sca）和比例控制并行退火（rpa）虽能实现快速并行更新，却易陷入局部最优，无法平衡探索与利用；另一方面，模拟退火（sa）虽在理论上保证收敛，但sa的串行单自旋更新机制会导致计算步骤随问题规模指数级增长，尤其是自旋串行翻转机制在处理大规模问题时，需要极多的蒙特卡洛步骤，计算效率低下。另外，上述伊辛机退火策略在硬件实现也存在重大瓶颈：高并行性需求使得每个自旋或自旋组都需专用更新电路，导致硬件成本随自旋数量呈线性增长；此外，自旋交互计算所需的复杂算术单元进一步加剧了硬件开销，亟需更高效的电路设计方案。

2、具体而言，现有技术中伊辛机退火策略会存在以下问题：

3、1）退火策略效率与质量失衡：如模拟退火sa、随机元胞自动机sca、比率控制并行退火rpa等退火策略无法同时兼顾收敛速度和解的质量，其中sa虽能保证全局最优但收敛极慢（线性时间复杂度），sca/rpa虽并行度高但易陷入局部最优。

4、2）硬件开销大：自旋状态更新电路需为每个自旋配备专用计算单元，硬件成本随自旋数量线性增长，导致自旋集成密度低，限制可扩展性。

5、3）概率翻转计算复杂：传统metropolis/gibbs方法依赖指数运算和除法计算翻转概率，硬件实现复杂度高、能效低，例如精确加法器及复杂算术单元需要占用大量芯片面积和功耗，指数运算也需专用电路（如查找表），会增加延迟和资源消耗。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的针对现有伊辛架构退火策略欠佳、自旋更新电路硬件成本高等的技术问题，本发明提供一种基于动态比率并行退火和近似计算的伊辛架构计算系统，能够实现收敛速度与解质量的平衡，同时大幅降低硬件开销。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种基于动态比率并行退火和近似计算的伊辛架构计算系统，包括：

4、权重存储阵列，包括多个存储子阵列组成，用于存储自旋交互系数jij；

5、近似自旋更新计算器asuc，用于使用近似加法器更新局部场li并计算翻转概率，生成自旋翻转标志位；

6、动态比率并行退火控制器dpac，用于通过指数衰减动态调整每步翻转的自旋数量，实现动态比例并行退火dpa策略，其中退火过程通过循环迭代计算周期进行自旋配置的优化，其中在每个周期内，首先在近似自旋更新计算器asuc中执行概率翻转计算，生成自旋翻转标志，动态比率并行退火控制器dpac对自旋翻转标志进行处理，以确定需要进行状态转换的自旋；自旋翻转后，从权重存储阵列中读取对应的自旋交互系数jij，并更新所有受影响的局部场项li，直至满足收敛条件，最终输出优化后的自旋配置。

7、进一步地，所述动态比率并行退火控制器dpac通过基于动态比例并行退火dpa策略按照下式实现对翻转自旋个数的控制：

8、

9、其中，flip_num表示翻转自旋数量，spin_num表示自旋数量，αstep表示控制系数。

10、进一步地，所述动态比率并行退火控制器dpac包括：

11、位掩码生成器，用于生成与当前翻转自旋数量flip_num对应的

n位掩码；

12、伪随机偏移器，用于将自旋翻转标志使用伪随机偏移进行循环右移；

13、与门，用于将伪随机偏移器的输出与位掩码生成器生成的掩码进行按位与操作；

14、循环左移器，用于将与门的输出经过循环左移得到自旋翻转控制向量以控制自旋进行翻转。

15、进一步地，所述近似自旋更新计算器asuc包括：

16、分段近似计算加法器，用于通过采用分段计算方式执行自旋交互计算中的核心算术运算，其中高位进行精确计算、低位采用近似计算；

17、专用计数器，用于处理局部场计算，通过级联逻辑门传播进位信号，并在传播过程中通过异或操作实现位翻转；

18、随机数生成器，用于生成用于概率翻转判断的随机数，并通过掩码操作和位运算确保输出值在指定范围（-num，num）内。

19、进一步地，所述专用计数器中，采用 8 位相互作用系数jij，使用19 位存储，其中高 11 位的更新包括：当jij>= 0，c8= 0或jij<0，c8= 1时，执行加 0 操作；当jij>= 0，c8=1时，执行加 1 操作；当jij<0，c8= 0时，加二进制数 11111111111；由控制参数α决定操作模式，其中α=0为加 1操作，α=1为减 1操作。

20、进一步地，所述随机数生成器通过识别 num 二进制表示中的最高置位，生成与当前 num 值对应的目标掩码，并将目标掩码中所有低位设为 1；随后，将线性反馈移位寄存器生成的随机数与目标掩码进行按位与和异或操作，其中若与操作结果大于 num则选择异或结果，否则保留与操作结果，最后，确定每个输出的符号，最终生成所需的随机数t0.75。

21、进一步地，近似自旋更新计算器asuc采用hard-σ概率翻转方法计算翻转概率：

22、p（x）=

23、其中，x表示第 i个自旋翻转所带来的系统能量变化δei，δei=2li(t)si(t)，li(t)是作用在第 i个自旋上的局部场，si(t)表示第 i个自旋状态。

24、一种基于动态比率并行退火和近似计算的伊辛架构计算方法，步骤包括:

25、步骤s01.将自旋交互系数jij存储在权重存储阵列的多个存储子阵列中；

26、步骤s02.使用近似加法器更新局部场li并计算翻转概率，生成自旋翻转标志位；

27、步骤s03.通过指数衰减动态调整每步翻转的自旋数量，实现动态比例并行退火dpa策略，其中退火过程通过循环迭代计算周期进行自旋配置的优化，其中在每个周期内，控制器首先在 asuc 模块中执行概率翻转计算，生成自旋翻转标志，控制器dpac对所述自旋翻转标志进行处理，以确定需要进行状态转换的自旋；自旋翻转后，从存储器中读取对应的自旋交互系数jij，并更新所有受影响的局部场项li，直至满足收敛条件，最终输出优化后的自旋配置。

28、进一步地，步骤s02中，采用hard-σ概率翻转方法计算翻转概率：

29、p（x）=

30、其中，x表示第 i个自旋翻转所带来的系统能量变化δei，δei=2li(t)si(t)，li(t)是作用在第 i个自旋上的局部场，si(t)表示第 i个自旋状态；

31、转换为概率翻转判断公式为：

32、

33、其中，r ∈(0,1)为随机数，si（t）表示的是当前的自旋值，si（t+1）表示的下一时刻的自旋值。

34、进一步地，还包括构建用于硬件实现的判断条件：

35、

36、其中，，；

37、将替换为随机变量，得到最终的硬件实现判断条件：

38、

39、其中，表示当前时刻自旋值si（t）在硬件中实际存储的值，0表示＋1，1表示-1，t+1表示下一时刻。

40、与现有技术相比，本发明的优点在于：

41、1、本发明通过采用动态比率并行退火dpa策略自适应调整并行度，可以获取组合优化问题的高并行性求解与最优解，可以有效平衡全局探索和局部优化过程，从而可以大幅提升收敛速度同时显著提高最终解的质量，实现收敛速度与解质量的平衡，结合采用近似计算实现自旋更新，可以显著降低自旋状态更新电路的面积开销和静态功耗，从而有效降低伊辛机架构的硬件开销。

42、2、本发明进一步采用hard-σ概率翻转方法计算翻转概率，可以将复杂的指数运算和除法运算转化为简单的加法运算，能够显著降低硬件成本以及计算复杂度，同时提升计算效率，还能够减少对专用算术单元的依赖，从而利于提高系统运行频率并降低整体功耗。