COBRA: CMOS Oszillator-basierter schneller Annealing Computer

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Hofmann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496307198

Zahlreiche kombinatorische Optimierungsaufgaben aus Anwendungsgebieten der allgemeinen Optimierung, Verkehrsplanung, Finanzen oder Maschinellem Lernen können nicht bzw. nicht effizient mit herkömmlichen Computern gelöst werden. Obwohl die Leistungsfähigkeit klassischer Computer kontinuierlich zunimmt reicht deren Performanz bei weitem nicht aus um mit der Komplexität solcher Aufgabenstellungen Schritt zu halten. Alternative Ansätze bilden daher diese kombinatorischen Aufgabenstellungen auf das Ising Modell ab und versuchen mit Hilfe des Annealing-Verfahrens eine Lösung nahe dem globalen Optimum zu finden, wobei als zu optimierende Kostenfunktion die Ising-Hamilton-Funktion dient. Quantencomputer sind aktuell die revolutionärsten Ansätze, weisen aber prinzipbedingt erhebliche Nachteile (Niedrigtemperaturbetrieb) auf und bedürfen noch erheblicher Forschung zum praktischen Einsatz (z.B. Fehlerkorrektur) für große Probleme.Als im Vergleich zu Quantencomputern kurzfristig verfügbare vielversprechende Alternativen kristallisieren sich Annealing Computer basierend auf klassischen, CMOS-Transistor-basierten Integrierten Schaltungen heraus, wobei es von Fujitsu und Hitachi sogar sogenannte Digitale Annealer kommerziell verfügbar gibt. Diese sind jedoch von ihrer Parallelität sehr beschränkt und fallen in der Performanz bei global gekoppelten Problemen stark ab. Ein neuer, vielversprechender Ansatz sind so genannte Oszillator-basierte Ising-Maschinen (OIM), bei denen lokale Oszillatoren miteinander gekoppelt sind und so das kombinatorische Problem direkt abgebildet wird. Bislang sind nur rudimentäre, jedoch vielversprechende Prototypen mit wenigen Oszillatoren (bis zu 240) aus diskreten Komponenten untersucht worden. Um den Ansatz in einer integrierten Implementierung zu realisieren müssen eine Vielzahl von Herausforderungen gemeistert werden wie z.B. die Kompensation analoger Nichtidealitäten, die Konzeption robuster Oszillatoren, Koppelnetzwerke und präziser Phasenauswerteschaltungen. Darüber hinaus müssen die relevanten Eigenschaften der Komponenten für das Annealing Computing ausführlich untersucht werden. Diese Herausforderung soll im vorliegenden Projekt angegangen und eine mögliche Skalierung für Systeme mit hoher Anzahl an Knoten evaluiert werden. Ferner soll untersucht werden ob auch Modelle höherer Ordnung als das Ising Modell mit mehr als zwei möglichen Zuständen pro Oszillator technisch erfolgreich realisiert werden können. Dadurch könnten sowohl neue Problemklassen erschlossen, als auch klassische Probleme effizienter gelöst werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen