一种兼具伊辛计算和随机存储访问功能的装置及系统的制作方法

本发明涉及伊辛计算技术领域，尤其涉及一种兼具伊辛计算和随机存储访问功能的装置及系统。

背景技术：

组合优化问题是一类常见问题，如旅行商问题，最大割问题等，传统的冯诺依曼体系结构难以高效的求解组合优化问题，而以伊辛模型为计算基础的伊辛芯片具有高度并行性，并且计算单元位于数据存储器旁，上述特点使得伊辛芯片能够高效求解组合优化问题。如图1所示，传统的伊辛芯片以自旋计算节点为基本单元，相连的基本单元之间互相传递自旋值，每个基本单元由系数存储器、自旋存储器以及下一自旋计算器构成，其中系数存储器只拥有随机写入能力，用于写入由输入问题映射的伊辛模型系数；自旋存储器只拥有随机读出能力，用于读出最终的自旋值，通过系数写端口将伊辛模型系数写入，自旋读端口读出最终的自旋值。如上述结构的伊辛芯片只能用于伊辛计算，不能执行如随机存储访问的其他操作。

使用上述伊辛芯片求解问题的过程是：首先，将所求问题用软件算法映射为伊辛模型系数；第二步，将系数加载到伊辛芯片的系数存储器中；然后，每个自旋计算节点使用下一自旋计算器不断迭代计算下一自旋值，直到迭代次数达到设定值为止；最后，读出最终自旋存储器的值，即对应原输入问题的解。从上述求解过程可以看出，伊辛芯片不能单独使用，需要计算机帮助完成部分准备工作中的计算任务，因此目前一般是将伊辛芯片集成到计算机芯片中，构成“计算机-伊辛”系统使用，但是在该系统中，由于伊辛芯片只能用于伊辛计算，当输入问题不是伊辛计算问题时，伊辛芯片会处于闲置状态，这会造成硬件资源的闲置和浪费，尤其是整个计算过程中伊辛计算率较低时，会造成极大的资源浪费，因此如何提高伊辛芯片在“计算机-伊辛”系统中的硬件资源利用率是当前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低、硬件利用率高以及功耗低的兼具伊辛计算和随机存储访问功能的装置及系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种兼具伊辛计算和随机存储访问功能的装置，包括相互连接的自旋计算节点单元以及模式控制器，所述模式控制器控制在伊辛计算模式时，由所述自旋计算节点单元执行自旋计算，在随机存储访问模式时，由所述自旋计算节点单元中存储器作为随机存储器进行数据读写。

作为本发明的进一步改进：所述自旋计算节点单元包括相互连接的系数存储器、自旋存储器以及下一自旋计算器，当在伊辛计算模式时，所述系数存储器为所述下一自旋计算器提供计算所需的伊辛模型系数，所述下一自旋计算器根据所述系数存储器存储的系数、与当前自旋计算节点单元相连的自旋计算节点单元提供的自旋值计算下一自旋值，并写入所述自旋存储器，直到迭代次数达到设定值；当在随机存储访问模式时，所述系数存储器、自旋存储器中部分或全部用做随机存储器。

作为本发明的进一步改进：所述系数存储器的存储单元设置有一个以上的读写端口、局部数据读出端口，所述读写端口用于伊辛模型系数的载入或随机存储访问，所述局部数据读出端口用于提供所需的伊辛模型系数给所述下一自旋计算器。

作为本发明的进一步改进：所述系数存储器的存储单元中读写端口包括读、写操作共用端口，或包括分离设置的读端口、写端口。

作为本发明的进一步改进：所述自旋存储器的存储单元设置有一个以上的读写端口、一个以上的局部数据读出端口以及一个以上的局部数据写入端，所述读写端口用于伊辛模型最终自旋值的读出或随机存储访问，所述局部数据读出端口用于读出自旋值，所述局部数据写入端口用于写入所述下一自旋计算器计算得到的下一自旋状态。

作为本发明的进一步改进：所述自旋存储器的存储单元中读写端口包括读、写操作共用端口，或包括分离设置的读端口、写端口。

作为本发明的进一步改进：所述下一自旋计算器中本地自旋值输入端设置有第一控制电路，所述下一自旋计算器中外部自旋值输入端设置有第二控制电路，所述第一控制电路、第二控制电路分别与所述模式控制器连接，所述下一自旋计算器通过所述第一控制电路控制所述系数存储器输出的本地自旋值的接入，通过所述第二控制电路控制外部自旋值的接入。

作为本发明的进一步改进：所述第一控制电路为第一多路选择器，所述第一多路选择器的两个输入端分别接入所述系数存储器的输出、预设固定电平信号，控制端连接所述模式控制器，输出端连接所述下一自旋计算器的本地自旋值输入端，所述第二控制电路为第二多路选择器，所述第二多路选择器的两个输入端分别接入外部自旋值、预设固定电平信号，控制端连接所述模式控制器，输出端连接所述下一自旋计算器的外部自旋值输入端；当处于伊辛计算模式时，所述第一多路选择器选择本地自旋值、所述第二多路选择器选择外部自旋值输入至所述下一自旋计算器；当处于随机存储访问模式时，所述第一多路选择器、所述第二多路选择器均选择所述预设固定电平信号输入至所述下一自旋计算器。

作为本发明的进一步改进：所述下一自旋计算器的输出端还设置有控制开关电路，所述控制开关电路与所述模式控制器连接，当处于伊辛计算模式时，通过所述控制开关电路控制断开所述下一自旋计算器与所述自旋存储器之间的连接，当处于随机存储访问模式时，控制将所述下一自旋计算器的输出接入所述自旋存储器。

本发明进一步提供一种兼具伊辛计算和随机存储访问功能的系统，包括伊辛芯片，所述伊辛芯片中基本单元包括如上述装置，在伊辛计算模式时，各装置在所述模式控制器的控制下完成伊辛计算，在随机存储访问模式时，各装置在所述模式控制器的控制下由所述自旋计算节点单元中存储器作为随机存储器进行数据读写。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过设置自旋计算节点单元以及模式控制器，由模式控制器来控制自旋计算节点单元实现两种工作模式，在伊辛计算模式时，自旋计算节点单元执行自旋计算，在随机存储访问模式时，由自旋计算节点单元中存储器作为随机存储器进行数据读写，使得可以同时具有伊辛计算、随机存储访问能力，在伊辛芯片求解问题过程中若是伊辛计算问题时执行伊辛计算，若不是伊辛计算问题时作为随机存储器使用，可以有效的避免硬件资源浪费，极大的提高装置的资源利用率。

2、本发明进一步通过配置自旋计算节点单元的接口以及自旋计算节点单元中系数存储器、自旋存储器的接口，使得能够同时支持上述伊辛计算、随机存储访问两种工作模式，确保可实现伊辛计算、随机存储访问两种功能。

3、本发明进一步通过设置控制电路控制下一自旋计算器的输入，使得下一自旋计算器的输入信号可选择，仅在处于伊辛计算模式时接入下一自旋所需的数据，可以避免随机存储模式下一自旋计算器的动态功耗，进一步减少系统功耗；通过设置控制开关电路使得下一自旋计算器的输出可控制，在处于伊辛计算模式时断开下一自旋计算器的输出，可以进一步减少资源浪费。

附图说明

图1是传统的伊辛芯片中基本单元的结构原理示意图。

图2是本实施例兼具伊辛计算和随机存储访问功能的装置的结构示意图。

图3是本发明具体应用实施例中系数存储器的存储单元的接口结构示意图。

图4是本发明具体应用实施例中自旋存储器的存储单元的接口结构示意图。

图5是本发明具体应用实施例中下一自旋计算器的接口逻辑示意图。

图6是本发明具体实施例中兼具伊辛计算和随机存储访问功能的装置的结构示意图。

图7是本实施例兼具伊辛计算和随机存储访问功能的系统到的结构示意图。

图8是本实施例中基本单元的结构原理示意图。

图例说明：1、自旋计算节点单元；11、系数存储器；12、自旋存储器；13、下一自旋计算器；14、第一控制电路；15、第二控制电路；16、控制开关电路；2、模式控制器。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图2所示，本实施例兼具伊辛计算和随机存储访问功能的装置包括相互连接的自旋计算节点单元1以及模式控制器2，模式控制器2控制在伊辛计算模式时，由自旋计算节点单元1执行自旋计算，在随机存储访问模式时，由自旋计算节点单元1中存储器作为随机存储器进行数据读写。

本实施例通过在伊辛芯片中基本单元结构的基础上，设置模式控制器2来控制实现两种工作模式，在伊辛计算模式时，由自旋计算节点单元1执行自旋计算，在随机存储访问模式时，由自旋计算节点单元1中存储器作为随机存储器进行数据读写，使得可以同时具有伊辛计算、随机存储访问能力，在伊辛芯片求解问题过程中若是伊辛计算问题时执行伊辛计算，若不是伊辛计算问题时作为随机存储器使用，可以有效的避免硬件资源浪费，极大的提高装置的资源利用率，同时减少系统功耗。

本实施例中，自旋计算节点单元1包括相互连接的系数存储器11、自旋存储器12以及下一自旋计算器13，当在伊辛计算模式时，系数存储器11为下一自旋计算器13提供计算所需的伊辛模型系数，下一自旋计算器13根据自旋存储器12存储的系数、与当前自旋计算节点单元相连的自旋计算节点单元1提供的自旋值计算下一自旋值，并写入自旋存储器12，直到迭代次数达到设定值；当在随机存储访问模式时，系数存储器11、自旋存储器12中部分或全部用做随机存储器。

本实施例具体在传统伊辛芯片的基础上，在伊辛芯片中为每个自旋计算节点单元1配置模式控制器2，通过模式控制器2控制各自旋计算节点单元1执行伊辛计算模式或随机存储访问模式；在配置为伊辛计算模式时，系数存储器11为下一自旋计算器13提供所需的伊辛模型系数，下一自旋计算器13不断根据本自旋计算节点存储的系数和相连自旋计算节点的自旋值计算下一自旋值，并写入自旋存储器12，直到迭代次数达到设定值为止；在配置为随机存储访问模式时，由系数存储器11和自旋存储器12全部或部分用做随机存储器，使得能够按照输入的地址将数据写入存储器和从存储器读出数据。

为了能够同时支持上述伊辛计算、随机存储访问两种工作模式，自旋计算节点单元1的数据接口设置包括用于写入伊辛模型系数的写端口、用于读出最终的自旋值的读端口以及用于随机存储访问的随机访问端口，其中写端口、读端口可分离设置，也可以采用读写共用端口，随机访问端口可以独立设置，也可以配置为所有的读端口、写端口或读写共用端口都可用于随机存储访问。

本实施例进一步系数存储器11的存储单元设置有一个以上的读写端口、局部数据读出端口，读写端口用于伊辛模型系数的载入或随机存储访问，局部数据读出端口用于提供所需的伊辛模型系数给下一自旋计算器13，以使得能够同时支持伊辛计算、随机存储访问两种工作模式。其中系数存储器11的存储单元中写端口、读端口可分离设置，也可以采用读写共用端口，随机访问端口可以独立设置，也可以配置为所有的读端口、写端口或读写共用端口都可用于随机存储访问。

如图3、6所示，本发明具体应用实施例中系数存储器11的存储单元具有一个读端口、一个写端口以及一个局部数据读出端口，写端口用于伊辛模型系数的载入，读/写端口都用于随机存储访问，局部数据读出端口连接本自旋计算节点的下一自旋计算器，为其提供所需的伊辛模型系数。

本实施例进一步自旋存储器12的存储单元设置有一个以上的读写端口、一个以上的局部数据读出端口以及一个以上的局部数据写入端，读写端口用于伊辛模型最终自旋值的读出或随机存储访问，局部数据读出端口用于读出自旋值，局部数据写入端口用于写入下一自旋计算器13计算得到的下一自旋状态，使得能够同时支持伊辛计算、随机存储访问两种工作模式。其中自旋存储器12的存储单元中写端口、读端口可分离设置，也可以采用读写共用端口，随机访问端口可以独立设置，也可以配置为所有的读端口、写端口或读写共用端口都可用于随机存储访问。

如图4、6所示，本发明具体应用实施例中自旋存储器12的存储单元具有一个读端口、一个写端口、一个局部数据读出端口以及一个局部数据写入端口，其中读端口用于最终自旋值的读出，读/写端口都用于随机存储访问，局部数据读出端口连接相连自旋计算节点的下一自旋计算器，为其提供所需的相连自旋值，局部数据写入端口连接本自旋计算节点的下一自旋计算器，用于将计算得到的下一自旋状态能够写入自旋存储器。

本实施例进一步下一自旋计算器13中本地自旋值输入端设置有第一控制电路14，下一自旋计算器1)中外部自旋值输入端设置有第二控制电路15，第一控制电路14、第二控制电路15分别与模式控制器2连接，下一自旋计算器13通过第一控制电路14控制系数存储器11输出的本地自旋值的接入，通过第二控制电路15控制外部自旋值的接入。在随机存储访问模式下，下一自旋计算器13应处于闲置状态，即随机存储访问模式时下一自旋计算器13并不参与工作，本实施例通过设置第一控制电路14、第二控制电路15来控制下一自旋计算器13的输入，使得仅在处于伊辛计算模式时，接入下一自旋所需的数据，可以避免随机存储模式时下一自旋计算器13的动态功耗，进一步减少系统功耗。

本实施例中，第一控制电路14、第二控制电路15采用多路选择器，第一控制电路14为第一多路选择器，第一多路选择器的两个输入端分别接入系数存储器11的输出、预设固定电平信号，控制端连接模式控制器2，输出端连接下一自旋计算器13的本地自旋值输入端，第二控制电路15为第二多路选择器，第二多路选择器的两个输入端分别接入外部自旋值(具体为相连自旋计算节点输出的自旋值)、预设固定电平信号，控制端连接模式控制器2，输出端连接下一自旋计算器13的外部自旋值输入端；当处于伊辛计算模式时，第一多路选择器选择本地自旋值(系数存储器11输出的自旋值)、第二多路选择器选择外部自旋值(相连自旋计算节点输出的自旋值)输入至下一自旋计算器13，以完成自旋计算；当处于随机存储访问模式时，第一多路选择器、第二多路选择器均选择预设固定电平信号输入至下一自旋计算器13。

本实施例预设固定电平信号具体采用“0”或者“1”固定电平信号，当处于伊辛计算模式时，下一自旋计算器13通过第一控制电路14、第二控制电路15选择计算下一自旋所需的数据作为输入信号；当处于随机存储访问模式时，下一自旋计算器13所有的输入信号固定为“0”或者“1”。

本实施例进一步下一自旋计算器13的输出端还设置有控制开关电路16，控制开关电路16与模式控制器2连接，当处于伊辛计算模式时，通过控制开关电路16控制断开下一自旋计算器13与自旋存储器12之间的连接，当处于随机存储访问模式时，控制将下一自旋计算器13的输出接入自旋存储器12。通过设置控制开关电路16使得下一自旋计算器13的所有输出信号的连接关系可选择，当处于伊辛计算模式时，下一自旋计算器的输出被断开，当处于随机存储访问模式时，下一自旋计算器的输出被连接，可以进一步减少资源浪费。

如图5、6所示，本实施例下一自旋计算器13的所有输入信号经过多路选择器后输入下一自旋计算器，由模式控制器2控制产生工作模式指示信号，当工作模式指示信号显示当前处于伊辛计算模式时，选择计算下一自旋所需的数据(系数、自旋、随机信号)作为输入信号；当工作模式指示信号显示当前处于随机存储访问模式时，所有的输入信号固定为“0”或者“1”；下一自旋计算器13的所有输出信号的连接关系是可选择，当工作模式指示信号显示当前处于伊辛计算模式时，下一自旋计算器13的输出被断开；当工作模式指示信号显示当前处于随机存储访问模式时，下一自旋计算器13的输出被连接。

如图7所示，本实施例兼具伊辛计算和随机存储访问功能的系统，包括伊辛芯片，伊辛芯片中自旋计算节点阵列以自旋计算节点为基本单元，相连的基本单元之间互相传递自旋值，基本单元包括上述兼具伊辛计算和随机存储访问功能的装置，即为每个自旋计算节点单元1设置模式控制器2，在伊辛计算模式时，各装置的在模式控制器2的控制下完成伊辛计算，由各个自旋计算节点单元1执行自旋计算，在随机存储访问模式时，各装置在模式控制器2的控制下由自旋计算节点单元1中存储器作为随机存储器进行数据读写。本实施例系统还包括用于地址译码的译码器、用于产生随机信号的随机信号产生器、用于与外界的数据交换的数据io。

本实施例中，伊辛芯片中每个基本单元由系数存储器11、自旋存储器12以及下一自旋计算器13构成，如图8所示，基本单元的连接度为k，即个基本单元有k个基本单元相连，系数存储器11共有k+1个，用于存储与相连基本单元的相互作用系数j1、j2、…、jk以及外磁场系数h，自旋存储器12存储该基本单元的自旋值；下一自旋计算器13的输入包括：基本单元存储的系数、相连基本单元存储的自旋值σ1、σ2、…、σk以及随机信号，计算得到的下一自旋值写入自旋存储器12。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。