本發(fā)明涉及計算系統(tǒng)，尤其涉及一種基于臟位傳遞的八近鄰局部互連伊辛模型計算裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著計算需求的不斷增長，特別是在處理大規(guī)模并行計算任務(wù)時，傳統(tǒng)的基于馮·諾依曼架構(gòu)的計算系統(tǒng)面臨著性能瓶頸。為了提高計算效率和降低能耗，當(dāng)前開始探索新的計算架構(gòu)，如存內(nèi)計算和神經(jīng)形態(tài)計算。伊辛架構(gòu)作為一種新型計算模型，結(jié)合了存內(nèi)計算和神經(jīng)形態(tài)計算的特點，通過模擬伊辛模型的物理相互作用來實現(xiàn)信息的處理。伊辛架構(gòu)的出現(xiàn)為處理復(fù)雜的大規(guī)模并行計算任務(wù)提供了一種高效、節(jié)能的解決方案。

2、傳統(tǒng)基于sram存內(nèi)計算的局部互連伊辛架構(gòu)會存在以下問題：

3、1、傳統(tǒng)基于sram存內(nèi)計算的局部互連伊辛架構(gòu)在計算一個自旋節(jié)點的局部搜索項時，即便相鄰自旋節(jié)點的自旋狀態(tài)未發(fā)生改變，系統(tǒng)依舊會執(zhí)行完整的乘積和運(yùn)算，即無論鄰近的自旋是否發(fā)生變化，每個自旋的局部搜索項都會被重新計算，重新計算所有相鄰自旋節(jié)點自旋值與相應(yīng)相互作用系數(shù)的乘積和，并將該結(jié)果與外磁場系數(shù)累加，這不可避免地會導(dǎo)致計算資源的浪費(fèi)，在自旋狀態(tài)未改變的情況下，此類重復(fù)計算增加了大量不必要的能量消耗。

4、2、傳統(tǒng)局部互連伊辛架構(gòu)中，每個自旋節(jié)點僅與上、下、左、右四個自旋節(jié)點相互連接，這種低互連度的結(jié)構(gòu)限制了自旋之間信息的充分交換，進(jìn)而限制了模型處理復(fù)雜問題的能力，無法充分捕捉到更廣泛自旋節(jié)點之間的相關(guān)性。且自旋之間的相互作用是伊辛模型中物理過程的基礎(chǔ)，互連度低的模型無法有效地模擬這些相互作用的全貌。此外，在低互連度的結(jié)構(gòu)中，自旋狀態(tài)的改變不能迅速而全部地傳播到整個系統(tǒng)，還會降低模型的效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)方法簡單、效率高、能量消耗少、資源利用率高的基于臟位傳遞的八近鄰局部互連伊辛模型計算裝置及方法，能夠顯著增強(qiáng)處理復(fù)雜問題的能力，提升執(zhí)行效率，同時降低系統(tǒng)更新的能量損耗。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

3、一種基于臟位傳遞的八近鄰局部互連伊辛模型計算裝置，包括：

4、sram存儲陣列模塊，包括多個sram存儲子陣列，每個所述sram存儲子陣列包括異或值行以及多個自旋行；

5、每個所述自旋行包括多個自旋節(jié)點，每個自旋節(jié)點與上、下、左、右、上左、上右、下左、下右八個自旋節(jié)點相互連接，每個自旋節(jié)點用于存儲自旋值、部分和、臟位以及鄰近自旋節(jié)點之間的自旋相互作用系數(shù)，所述臟位用于標(biāo)記自旋節(jié)點的自旋值在每次自旋更新時是否發(fā)生改變，所述異或值行包括多個異或值節(jié)點以用于存儲鄰近自旋值與對應(yīng)相互作用系數(shù)之間的異或值；

6、隨機(jī)脈沖模塊，用于生成隨機(jī)信號，以提供給伊辛模型的概率翻轉(zhuǎn)過程控制自旋狀態(tài)的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)；

7、讀寫模塊，用于對sram存儲陣列模塊中數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入和讀出；

8、計算邏輯電路，用于計算伊辛模型更新時所需的加法、異或操作以及控制對sram的讀寫；

9、所述計算邏輯電路還設(shè)置有臟位寄存器以用于暫存鄰近自旋節(jié)點的臟位，當(dāng)對局部搜索項進(jìn)行按位計算時，根據(jù)所述臟位寄存器的狀態(tài)控制局部搜索項的計算，其中僅當(dāng)根據(jù)臟位寄存器中臟位判定自旋狀態(tài)已更新時進(jìn)行自旋節(jié)點的局部搜索項計算，根據(jù)最后計算出來的局部搜索項的符號位對相應(yīng)的自旋值進(jìn)行更新。

10、進(jìn)一步地，每個所述異或值節(jié)點的低位還包括暫存位以用于暫存鄰近自旋節(jié)點的臟位和自旋值，當(dāng)一行的所有自旋節(jié)點均將臟位或自旋值寫入暫存位后，再將臟位或自旋值讀出并存儲在所述計算邏輯電路中。

11、進(jìn)一步地，所述sram存儲陣列模塊采用錯位存儲方式，將下一子陣列的自旋節(jié)點存儲在上一子陣列的空閑單元中，并通過設(shè)置一位有效位控制自旋值的更新。

12、進(jìn)一步地，所述計算邏輯電路包括依次連接的多路選擇器、讀寫模塊wd、敏感放大器模塊、加法模塊以及分別與多路選擇器、讀寫模塊wd以及敏感放大器模塊連接的控制模塊，所述多路選擇器用于獲取鄰近自旋節(jié)點的自旋值和臟位并存儲到異或值節(jié)點的暫存位，以及選取異或計算的結(jié)果、加法計算的和及進(jìn)位，通過所述讀寫模塊wd寫回到sram存儲陣列模塊中的異或值節(jié)點和自旋節(jié)點的部分和單元中，所述敏感放大器模塊用于控制讀取對應(yīng)sram存儲單元的存儲值，或者執(zhí)行兩個存儲單元的與操作和或非操作后再通過所述加法模塊對兩個存儲結(jié)構(gòu)中的值進(jìn)行異或運(yùn)算及按位加法運(yùn)算，所述控制模塊用于控制將多路選擇器的選擇結(jié)果寫回到sram中，或者控制敏感放大器模塊對sram進(jìn)行讀出。

13、進(jìn)一步地，所述敏感放大器模塊包括兩個敏感放大器sa，在單一字線導(dǎo)通的情況下，敏感放大器sa讀取對應(yīng)sram存儲單元的存儲值，在兩根字線導(dǎo)通的情況下，敏感放大器sa執(zhí)行兩個存儲單元的與操作和或非操作，并通過所述加法模塊對兩個存儲結(jié)構(gòu)中的值進(jìn)行異或運(yùn)算及按位加法運(yùn)算。

14、進(jìn)一步地，所述控制模塊包括用于控制讀寫模塊wd的讀寫控制電路、用于標(biāo)識當(dāng)前讀取的自旋節(jié)點是否有效的有效位寄存器v以及用于標(biāo)識鄰近自旋節(jié)點的自旋值是否已修改的臟位寄存器t，所述讀寫控制電路分別與所述有效位寄存器v、臟位寄存器t連接；所述讀寫控制電路包括與非門、第一與門、第二與門以及第三與門，所述與非門的輸入端分別接入col_wri_en信號、col_wri_sel信號，輸出端連接至所述第一與門的一個輸入端，所述第一與門的另一個輸入端與第三與門的輸出端連接，所述第一與門的輸出端分別連接至讀寫模塊wd、敏感放大器模塊的使能端，所述第二與門一個輸入端接入ising_en信號、另一個輸入端與所述有效位寄存器v的輸出端連接，所述第二與門的輸出端連接至所述第三與門的一個輸入端，所述第三與門的另一輸入端與所述臟位寄存器t的輸出端連接，所述col_wri_sel信號用于控制當(dāng)前更新的是奇數(shù)列還是偶數(shù)列，所述col_wri_en信息用于同時控制寫入奇偶列，所述ising_en信號用于控制是sram為伊辛計算模式還是sram為存儲模式。

15、進(jìn)一步地，所述加法模塊包括進(jìn)位寄存器c以及邏輯電路，所述敏感放大器模塊讀取異或值節(jié)點中存儲的自旋值通過所述邏輯電路執(zhí)行邏輯運(yùn)算后輸出給進(jìn)位寄存器c，使得進(jìn)位寄存器c的輸入為si為自旋值。

16、一種用于上述基于臟位傳遞的八近鄰局部互連伊辛模型計算裝置的控制方法，步驟包括：

17、在進(jìn)行伊辛計算時，先讀取自旋節(jié)點的有效位并存儲在有效位寄存器v中；根據(jù)自旋節(jié)點的有效位判斷自旋節(jié)點是否有效，如果判斷到無效，即自旋節(jié)點為空，則控制不進(jìn)行伊辛計算，并控制讀寫模塊不講數(shù)據(jù)寫回sram中以及控制將計算邏輯電路中用于執(zhí)行局部搜索項計算的加法模塊輸入為恒定值，如果判斷到自旋節(jié)點有效，即自旋節(jié)點不為空，繼續(xù)進(jìn)行伊辛計算；

18、讀取自旋節(jié)點有效位后，讀取鄰近自旋節(jié)點的臟位，并將鄰近自旋節(jié)點的臟位存儲在異或值節(jié)點的暫存位中，隨后再將臟位讀取至臟位寄存器t中；如果根據(jù)臟位值判斷到自旋節(jié)點的自旋值未發(fā)生改變，則控制計算邏輯電路中用于執(zhí)行局部搜索項計算的加法模塊輸入為恒定值，同時，臟位寄存器還控制讀寫模塊不將計算結(jié)果寫回sram；如果根據(jù)臟位值判斷到自旋節(jié)點的自旋值發(fā)生改變，則重新計算該自旋值與相互作用系數(shù)的異或值，并控制加法模塊將計算的異或值和自旋值與存儲的局部搜索項進(jìn)行錯位相加以完成局部搜索項計算。

19、進(jìn)一步地，如果根據(jù)臟位值判斷到自旋節(jié)點的自旋值發(fā)生改變，讀取該自旋節(jié)點的自旋值sj并存儲在異或值節(jié)點的暫存位中，然后執(zhí)行自旋值sj與相應(yīng)相互作用系數(shù)jij的異或操作順序為從高位到低位，當(dāng)最后一位異或操作執(zhí)行完畢后，將結(jié)果替換掉暫存位的sj；

20、在進(jìn)行異或值與部分和的加法計算時，提前將鄰近自旋值si存儲在進(jìn)位寄存器c中，以將加自旋值si融合到與局部搜索項的疊加計算中，通過讀取異或值節(jié)點中存儲的自旋值si，并將該自旋值輸入到加法模塊中，得到進(jìn)位寄存器c的輸入為以將自旋值si寫入進(jìn)位寄存器c中。

21、進(jìn)一步地，還包括自旋節(jié)點更新步驟，包括：

22、每次取一個鄰近自旋節(jié)點作為當(dāng)前自旋節(jié)點，依次讀取上、下、左、右、左上、右上、左下、右下各鄰近自旋節(jié)點的臟位，將臟位暫存在異或值節(jié)點的暫存位中，并將臟位存儲在臟位寄存器t中；

23、讀取當(dāng)前鄰近自旋節(jié)點的自旋值，將自旋值暫存在異或值節(jié)點的暫存位中，并將自旋值存儲在進(jìn)位寄存器c中；

24、根據(jù)臟位進(jìn)行判斷自旋值是否發(fā)生改變，如果是則按照從高位到低位的順序，計算當(dāng)前鄰近自旋節(jié)點的自旋值sj和相互作用系數(shù)jij之間的異或值并存儲至對應(yīng)的異或值節(jié)點，并將異或值節(jié)點中的異或值結(jié)果與局部搜索項li(t)錯位相加以完成局部搜索項計算，否則不執(zhí)行異或操作并退出；

25、完成所有鄰近自旋節(jié)點的讀取后，判斷是否滿足隨機(jī)數(shù)rn0＞step(t)，step(t)為預(yù)設(shè)更新步數(shù)，如果是則將局部搜索項li(t)和概率翻轉(zhuǎn)項ri(t)進(jìn)行加法運(yùn)算，否則不進(jìn)行加法運(yùn)算；

26、計算完成后鄰近自旋節(jié)點，由結(jié)果的最高位作為自旋的新狀態(tài)，完成一次自旋節(jié)點的更新。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

28、1、本發(fā)明局部互連伊辛架構(gòu)中每個自旋節(jié)點與八個自旋節(jié)點相互連接，形成高互連度的結(jié)構(gòu)，能夠增強(qiáng)自旋節(jié)點之間的連接，可以更準(zhǔn)確地捕捉自旋間的相互作用，顯著增強(qiáng)模型在處理復(fù)雜問題時的能力，能夠更好地捕捉到更廣泛自旋節(jié)點之間的相關(guān)性，從而提高計算的性能表現(xiàn)。

29、2、本發(fā)明通過在每個自旋節(jié)點中增加一位臟位，用于標(biāo)記自旋狀態(tài)是否發(fā)生改變，同時，在存內(nèi)計算邏輯電路中設(shè)置了一個臟位寄存器，用于暫存鄰近自旋節(jié)點的臟位，進(jìn)而用于控制局部搜索項的計算，在計算自旋節(jié)點的局部搜索項時，能夠避免重復(fù)計算鄰近自旋狀態(tài)未改變的自旋節(jié)點的自旋值與相應(yīng)相互作用系數(shù)的乘積和，從而顯著減少自旋更新的計算負(fù)擔(dān)，提升執(zhí)行效率，同時降低系統(tǒng)更新的能量消耗。