Power-efficient combinatorial optimization using intrinsic noise in memristor Hopfield neural networks

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作者
Fuxi Cai,Suhas Kumar,Thomas Van Vaerenbergh,Xia Sheng,Rui Li,Can Li,Liu Zhan,Martin Foltín,Shimeng Yu,Qiangfei Xia,J. Joshua Yang,Raymond G. Beausoleil,Wei Lü,John Paul Strachan
出处
期刊:Nature electronics [Springer Nature]
卷期号:3 (7): 409-418 被引量:202
标识
DOI:10.1038/s41928-020-0436-6
摘要

To tackle important combinatorial optimization problems, a variety of annealing-inspired computing accelerators, based on several different technology platforms, have been proposed, including quantum-, optical- and electronics-based approaches. However, to be of use in industrial applications, further improvements in speed and energy efficiency are necessary. Here, we report a memristor-based annealing system that uses an energy-efficient neuromorphic architecture based on a Hopfield neural network. Our analogue–digital computing approach creates an optimization solver in which massively parallel operations are performed in a dense crossbar array that can inject the needed computational noise through the analogue array and device errors, amplified or dampened by using a novel feedback algorithm. We experimentally show that the approach can solve non-deterministic polynomial-time (NP)-hard max-cut problems by harnessing the intrinsic hardware noise. We also use experimentally grounded simulations to explore scalability with problem size, which suggest that our memristor-based approach can offer a solution throughput over four orders of magnitude higher per power consumption relative to current quantum, optical and fully digital approaches. A memristor-based annealing system that uses an analogue neuromorphic architecture based on a Hopfield neural network can solve non-deterministic polynomial (NP)-hard max-cut problems in an approach that is potentially more efficient than current quantum, optical and digital approaches.
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