支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路

本发明涉及伊辛电路技术，尤其涉及支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路。

背景技术：

1、伊辛退火处理电路是一类面向组合优化问题的专用计算电路，其通常将最大割、图划分、调度、布局布线以及路径规划等问题映射为伊辛模型，并通过反复更新自旋状态以搜索低能量解。与通用处理器或图形处理器相比，专用伊辛退火电路能够在自旋更新、能量差计算、随机扰动和邻域搜索等步骤中提供更高的并行度，因此被认为是求解组合优化问题的重要途径。

2、然而，现有伊辛退火处理电路在面对真实组合优化问题时仍存在明显不足。首先，许多实际问题映射得到的伊辛模型并非均匀稠密结构，而是具有结构化稀疏特征。现有电路往往采用固定连接拓扑进行处理，难以根据不同问题的稀疏形式动态调整计算路径，导致大量零值耦合项仍占用乘加、访存和控制资源，降低退火速度。其次，现有伊辛退火电路多以自旋翻转邻域搜索算子为主，邻域搜索算子种类有限。对于含有复杂约束、局部能量陷阱较多的组合优化问题，单一邻域搜索算子容易出现搜索空间覆盖不足、约束处理效率低等问题，难以在不同问题类型之间取得稳定的求解质量。

3、因此，亟需一种能够将原始问题的结构化稀疏特征与硬件电路相匹配，并能够在退火电路中支持多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，以解决上述现有技术存在的问题。

2、本发明中所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，包括串口接口、中央控制器、层次化退火阵列；

3、所述串口接口负责芯片与用户的交互；在初始化阶段接收外部输入的组合优化问题与退火参数，并在退火迭代完成后，负责将伊辛退火最终得到的自旋状态回传至用户，作为原始问题的解；

4、所述中央控制器负责全电路的控制与退火演化调度；

5、所述层次化退火阵列将映射模型自身的结构化特征与物理上的硬件层次一一对应，强耦合的自旋组映射至同一自旋处理簇cluster。

6、本发明中所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，至少具有以下优点：

7、（1）支持多种邻域搜索算子（同列中两自旋交换、两列自旋交换、任意两自旋交换与单自旋翻转），能够根据不同组合优化问题的约束类型动态选择相应算子。相较于仅支持单自旋翻转或固定更新规则的电路，本发明能够扩大有效搜索邻域，增强跳出局部最优的能力，并提高复杂约束问题的求解质量。

8、（2）具有较高的硬件资源利用率。邻域搜索单元pnsu能够根据映射模型重构计算与数据通路，使计算资源集中用于有效耦合项；中央控制器通过指令存储、指令编解码器和退火过程管理器统一调度退火参数、自旋更新、能量阈值与阵列反馈，降低了控制通路复杂度，提高了电路运行效率。

9、（3）采用层次化退火阵列结构，簇内承担高频局部通信，簇间通过树形网络完成必要的全局通信。该结构使硬件互连关系与映射模型的局部强耦合、跨区域弱耦合特征相对应，减少了扁平化全局通信带来的延时和互连开销。

1.支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，其特征在于，包括串口接口、中央控制器、层次化退火阵列；

2.根据权利要求1所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，其特征在于，所述中央控制器由退火过程管理器、能量与约束阈值单元、自旋状态更新器、时间计数器、指令存储器、程序计数器以及指令编解码器组成；

3.根据权利要求2所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，其特征在于，所述层次化退火阵列是一个层次化网络，由复数个自旋处理簇cluster通过树形网络互连而成；每个自旋处理簇cluster内部集成了七个邻域搜索单元pnsu，每个邻域搜索单元pnsu支持16个任意连接自旋的并行处理，单个自旋处理簇cluster共计支持112个任意连接自旋；

4.根据权利要求3所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，其特征在于，单个自旋处理簇cluster设有辅助电路；所述辅助电路包括共享寄存器堆、交换数据读出控制器、可重构比较器阵列、解验证单元、数据选择器以及主操作自旋数据接收器；

5.根据权利要求4所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，其特征在于，邻域搜索单元pnsu管理16个并行自旋，由数据存储器、局部场单元、数据接收器、能量单元、操作自旋地址选择与计算单元构成。

6.根据权利要求5所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，其特征在于，所述数据存储器存储本地16个自旋的外部场系数、本地自旋与相关所有自旋间的耦合系数以及每个自旋在二维网格映射模型中的行地址；当输入问题的映射模型为二维网格结构时，所述数据存储器才存储行地址，否则不存储。

7.根据权利要求6所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，其特征在于，所述局部场单元内含16个局部场寄存器、右移一位移位寄存器、乘累加单元mac与选择器，负责16个自旋局部场的初始化与动态更新；在退火启动前，16个局部场寄存器重构为串行移位寄存器链，来自所述中央控制器的初始化数据逐位移入各局部场寄存器；

8.根据权利要求7所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，其特征在于，所述数据接收器从通信网络或本地自旋处理簇cluster中提取与主操作自旋对象相关的耦合系数、外部场、局部场与自旋状态，并依次存储至内部的移位寄存器中，为能量计算提供正确的操作数。

9.根据权利要求8所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，其特征在于，所述能量单元负责计算自旋状态翻转或交换前后的模型能量变化量、哈密顿能量二次项分量与哈密顿能量线性项分量；所述能量单元的操作数来自所属自旋处理簇cluster，或数据接收器中寄存的数据，或数据存储器；在所述中央控制器的指令控制下，根据当前算子类型以及结构化稀疏特征动态选择计算与数据路径，完成乘累加运算，并将结果暂存于内部寄存器；最终，将计算结果连同操作自旋对象的地址与状态一同打包，发送给所属自旋处理簇cluster，用于约束满足性判断与搜索接受决策。

10.根据权利要求9所述支持结构化稀疏与多种邻域搜索算子的伊辛退火处理电路，其特征在于，所述操作自旋地址选择与计算单元由自旋选择模块、局部自旋地址寄存器与自旋地址计算单元构成；