计算机芯片上的伊辛模型

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利用由1000个元件构成的光处理器探索后摩尔定律时代。 

我们可以用光子来承载数据，但却要依靠电子来运用数据。也许有一天这种分工不会再如此明显。惠普实验室（位于加州帕洛阿尔托，现在属于惠普企业，或称HPE）的一支团队制作了一块演示芯片，可以在光学领域解决某些特别棘手的计算问题，有望在提高速度的同时减少整个过程的能源消耗。

硅集成电路包含可操纵光的部件已不新鲜。但惠普实验室高级研究员戴夫•凯尔平斯基（Dave Kielpinski）表示，这块包含了1052个光学元件的芯片是最大、最复杂的一个，它的全部光子元件共同执行计算。他说：“我们相信这是一个巨大的飞跃。”该芯片是通过美国国防高级研究计划局的“介子动力架构”项目开发出来的，在本期杂志英文版付印之时，该芯片还在进行测试，同时它也是“伊辛机”的一种实现形式。“伊辛机”是一种计算方法，也许能比传统计算机更快地解决一些问题，比如著名的“旅行推销员问题”。

伊辛方法的基础模型有100年的历史，研究的是原子的磁场如何通过相互作用而产生磁力。该模型设想每个原子都有一种“自旋”属性，要么指向上方，要么指向下方。当温度高于一定数值时，铁磁材料中的这些自旋便会发生随机定向，受热后还会反复改变方向。而当温度降到一定数值之下后，原子间的相互作用便占据主导地位，大多数自旋也会稳定下来，指向同一个方向。

受这一模型启发的计算机即所谓的“伊辛机”，采用此类沉降行为得出优化问题的答案。人们通过调整各计算元素之间的互动来把待解决的问题输入到伊辛机里。这些元素，也就是“自旋”，被设计为其两种状态中的一种，并且产生相互作用，直至达到一种低能耗优化配置状态才稳定下来。

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斯坦福大学的山本喜久率先尝试了一种利用光制造这样一台机器的方法。在他的系统里，“自旋”即为光的两相，相互异相180度。2014年，山本和他的同事在这个想法的基础上，利用反光镜、激光及其他光学元件在实验室制作了一台4自旋机器。

不过，山本在斯坦福大学的团队成员彼得•麦克马洪（Peter McMahon）表示，在宏观效应，也就是普通噪声的影响下，按比例扩大这台机器是非常复杂的。即使一个人在清空附近的垃圾箱时产生的振动也足以引起一条延迟线（系统的一部分，用于传达延迟，这样各自旋在相遇时就可以进行恰当互动）不易察觉的膨胀或收缩，进而改变光相位，扰乱计算。麦克马洪表示，虽然这种扰乱可以纠正，但按比例扩大该系统看起来既花费高昂又不切实际。

所以，团队最终改变了方法，在混合系统中引入了电子反馈。2016年10月，麦克马洪和同事们在美国《科学》杂志上发表文章，称他们已使用这种光电混合系统制造出了一台带有100个自旋的伊辛机。同一期还刊登了他们团队中若干科学家进行的研究，他们扩展了这项技术，制造出一台带2000个自旋、更为专业化的计算机。

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HPE芯片的设计目的是提供一种紧凑方式，无需这类电子反馈。芯片上有4个区域被称为“节点”，用于支持4个红外光自旋。红外光离开节点后，便进行了分裂，并在干涉仪中与其他每个节点的红外光相结合。干涉仪内置电加热器，用于改变邻近元件的折射指数和尺寸。而这又调整了每个光束的光程以及光束的相对相位。加热器温度会对待解决的问题进行编码，因为两个光束结合时，温度能够决定一个自旋对另一个自旋产生影响的程度。

然后这些相互作用产生的所有输出会被压缩并反馈给节点，接下来，被称为“微环谐振器”的结构会对每个节点上的光进行清理，如此，它便又拥有两种相位中的一种。光在干涉仪和节点中反复循环，推动自旋在0~180度相位间转动，直至系统实现平衡，指向唯一的答案。

麦克马洪表示，该系统可以解决2014年伊辛机面临的振动问题。他说，“如果你把所有元件都集成在一块小芯片上”，那么光所走的路径便能在硅上刻出来。他又解释说，“从定义来看，这些基本上都是固定的东西”，所以任何振动或温度波动都可能影响光所走的路径。不过麦克马洪还指出，把这种方法用于计算还为时尚早；依旧需要继续探索这些光系统实现平衡所依靠的基础物理，以及它们相对传统机器的竞争优势有哪些。

戴夫•凯尔平斯基表示，HPE芯片项目的主要目标是推动光子芯片设计的发展。“计算机辅助布局工具是我们的骄傲。”他在2016年10月份的圣地亚哥首届IEEE国际重启计算会议（该会议聚集了许多在摩尔定律失效之际研究替代办法以提高计算机性能的研究人员）上介绍了这款芯片。

未来，诸如此类的伊辛芯片也许能够作为加速器、加速专用设备，就像今天许多机器里的图形处理单元那样。凯尔平斯基表示，这支团队正在研究能增加自旋数量的设计。

作者：Rachel Courtland

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