优化设备、优化程序和优化方法技术

本公开内容涉及优化设备、优化程序和优化方法。优化设备包括存储器和运算单元。存储器存储表示多个变量的相互作用的一个或更多个耦合系数，多个变量对应于包括在能量函数中的多个位。运算单元被配置成基于与多个位中的每一个位的值的反转相关联的、能量函数的值的差，选择对位反转的采用或拒绝，以执行优化。运算单元从一个或更多个耦合系数中指定与辅助变量对应的耦合系数，该辅助变量是从中排除了与能量函数中的特定位对应的变量的、各个位所对应的变量的乘积，并且运算单元使用辅助变量和耦合系数来执行对与特定位的反转相关联的差的三阶或更高阶的项的计算。差的三阶或更高阶的项的计算。差的三阶或更高阶的项的计算。

【技术实现步骤摘要】
优化设备、优化程序和优化方法


[0001]本文讨论的实施方式涉及优化设备、优化程序和优化方法。

技术介绍

[0002]信息处理在当前社会的各个领域中执行。这样的信息处理由诸如计算机的算术设备执行，算术设备对各种数据执行运算和重组，并且获得有意义的结果来执行预测、确定、控制等。优化处理是这种信息处理的一种方法，并且已经成为重要的领域。
[0003]优化处理的一种方法是求解离散优化问题。在大规模多变量离散优化问题中，组合的数目爆炸性地增长，并且在穷尽地执行计算以算出所有组合的技术中，计算时间有时不落在现实范围内。
[0004]用于求解这样的大规模多变量离散优化问题的方法的示例包括使用伊辛(Ising)型能量函数的模拟退火(SA)。在这种SA中，通过用伊辛模型代替要计算的问题来执行计算，伊辛模型是表示磁性材料的自旋行为的模型。
[0005]在使用伊辛模型的优化计算中，对位进行随机地反转以计算在反转一位的情况下的能量变化，并且采用根据能量变化是否接受位反转，从而搜索使能量最小化的最优解。
[0006][引用列表][0007][专利文献][0008][专利文献1]日本公开特许公报第2019
‑
145010号
[0009][专利文献2]日本公开特许公报第2019
‑
46038号
[0010][专利文献3]国际公布手册第WO 2015/190593号
[0011][专利文献4]美国专利申请公布第2019/0087388号
专利技术内容
[0012][技术问题][0013]然而，以上描述的相关技术具有这样的问题：即，在搜索包括三阶或更高阶的高阶项的能量函数E(x)的最小值的情况下，要从存储器传送到计算资源的参数元素的数目变得巨大。
[0014]例如，由下式(1)表示描述与所有阶次相关的能量函数E(x)的示例，其中k表示阶次，其中第k阶耦合系数表示第k阶阵列W
1，2
…
，k
。耦合系数表示伊辛模型中的多个自旋中的每一个的互耦合强度，其中多个变量中的每一个被视为磁性材料的多个自旋中的每一个。
[0015][数学式1][0016][0017]此处，j1、
……
、j
k
表示每个阶次中的元素位置，并且x表示二进制(0，1)或自旋(1，
‑
1)。W表示对于每个阶次不同的阵列，其通常是多维阵列。
[0018]将式(1)改写为下式(2)。ZK表示第k阶项的耦合系数，第k阶项的耦合系数是k维阵列。
[0019][数学式2][0020][0021]此处，式(3)和式(4)如下，式(3)是与x的第i个元素的反转相关联的第k阶项的能量变化ΔEk(x，i)的计算公式，式(4)是总计算公式。注意，E0消失，由于它是变化。
[0022][数学式3][0023][0024][数学式4][0025]ΔE(x，i)＝ΔEK(x，i)+
…
+ΔE1(x，i)
…
(4)
[0026]例如，在三阶项中，计算通过将x
j1
x
j2
x
j3
反转1位获得的x
′
j1
x
′
j2
x
′
j3
。因此，当将反转部分设置为m并且将位差设置为Δx
m
时，三阶项是所计算的Z
m,j2,j3
Δx
m
x
j2
x
j3
、Z
j1,m,j3
x
j1
Δx
m
x
j3
和Z
j1,j2,m
x
j1
x
j2
Δx
m
之和。
[0027]也就是说，例如，执行计算的存储器访问量需要按阶数的Z的超平面。四阶或更高阶的情况以类似的方式适用。将k
×
N^(k
‑
1)个元素的值从存储器传送到计算资源。
[0028]图7是示出用于最小解搜索的示例性常规结构的框图。如图7所示，算术处理单元201从存储器202中读取作为待用于计算的参数的耦合系数(ZK)，并且计算在x的第i位x
i
处于特定阶k的状态下的能量差。j1至j
k
中的每一个可以取1至N的值。
[0029]算术处理单元201包括读取单元203、运算单元204至206和加法单元207。算术处理单元201确定用于位反转的位置(i)、输入包括x
i
在反转前和反转后的差值Δx
i
的向量(x)、从存储在存储器202中的第k阶耦合系数ZK读取预定部分、并且输出该项的能量差ΔEk。
[0030]对于多维阵列Z的某个维度，读取单元203选择其中x的用于位反转的位置(i)对于每个维度是固定的超平面，并且从存储器202中读取它，以准备k个片段。从存储器202进行的该读取是生成到作为计算资源的算术处理单元201的传送负载的位置。
[0031]运算单元204至206和加法单元207对从读取单元203输出的每个超平面执行积和运算。例如，在k＝3的情况下，运算单元204中的运算如下。
[0032][数学式5][0033][0034]加法单元207将运算单元204至206的计算结果相加以输出ΔEk。
[0035]图8是示出用于最小解搜索的示例性常规运算的说明图。在图8中，假设根据式(2)预先计算E的初始值。假设初始值不包括在传送量中，因为它是第一次。
[0036]如图8所示，算术处理单元201a至201c对应于图7的算术处理单元201，并且执行阶次为K、3或2的情况的运算。在一阶的情况下，乘法单元208将改变的位置(i)处的U的值(U
i
)乘以Δx
i
。
[0037]在算术处理单元201a至201c和乘法单元208的运算之后，加法单元209将各个结果相加，以产生ΔE(x,i)。采用/拒绝确定单元210基于ΔE(x,i)，确定对根据公知的metropolis准则等改变的位的采用/拒绝。采用/拒绝确定单元210在采用的情况下针对当前能量E设置Enext＝E+ΔE(x,i)，并且在拒绝的情况下设置Enext＝E。
[0038]图9是示出从存储器读取超平面的示例的说明图。在图9的示例中，选取三阶项。如图9所示，为了基于位反转使用计算资源(算术处理单元201等)来计算能量的差，从存储器(存储器202等)读取阶数的超平面。
[0039]例如，在阶次k＝3并且位的数目为N的情况下，从存储器向计算资源传送3N2个元素的数目。因此，在搜索包括更高阶项的能量函数E(x)的最小值的情况下，传送量增加，并且传送时间可能较长。在阶次为四或更高并且N更大的情况下，传送量进一步增加，并且传送时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化设备，包括：存储器，其被配置成存储表示多个变量的相互作用的一个或更多个耦合系数，所述多个变量对应于包括在能量函数中的多个位；以及运算单元，其被配置成：基于与所述多个位中的每一个位的值的反转相关联的、所述能量函数的值的差，选择对位反转的采用或拒绝，以执行优化，其中，所述运算单元还被配置成：从存储在所述存储器中的所述一个或更多个耦合系数中指定与辅助变量对应的耦合系数，所述辅助变量是从中排除了与所述能量函数中的特定位对应的变量的、各个位所对应的变量的乘积，以及使用所述辅助变量和所述耦合系数执行对与所述特定位的反转相关联的差的三阶或更高阶的项的计算。2.根据权利要求1所述的优化设备，其中，当所述特定位被采用反转时，所述运算单元指定由于与所述特定位对应的变量的反转而引起的所述辅助变量的变化量。3.根据权利要求2所述的优化设备，其中，所述运算单元基于所述辅助变量的变化量来更新所述辅助变量。4.一种优化程序，其中，基于与包括在能量函数中的多个位中的每一个位的值的反转相关联的、所述能量函数的值的差来选择对位反转的采用或拒绝以执行优化的计算机执行以下处理：从被包括在优化设备中的存储器中所存储的一个或更多个耦合系数中指定与辅助变量对应的耦合系数，所述辅...

【专利技术属性】
技术研发人员：此岛真喜子，田村泰孝，
申请(专利权)人：富士通株式会社，
类型：发明
国别省市：