Ferroelectric compute-in-memory annealer for combinatorial optimization problems

计算机科学 可扩展性 模拟退火 二次无约束二元优化 并行计算 CMOS芯片 超大规模集成 计算科学 算法 量子计算机 嵌入式系统 电子工程 工程类 量子 物理 数据库 量子力学
作者
Xunzhao Yin,Yu Qian,Alptekin Vardar,Marcel Günther,Franz Mȕller,Nellie Laleni,Zijian Zhao,Zhouhang Jiang,Zhiguo Shi,Yiyu Shi,Xiao Gong,Cheng Zhuo,Thomas Kämpfe,Kai Ni
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 2419-2419 被引量:31
标识
DOI:10.1038/s41467-024-46640-x
摘要

Abstract Computationally hard combinatorial optimization problems (COPs) are ubiquitous in many applications. Various digital annealers, dynamical Ising machines, and quantum/photonic systems have been developed for solving COPs, but they still suffer from the memory access issue, scalability, restricted applicability to certain types of COPs, and VLSI-incompatibility, respectively. Here we report a ferroelectric field effect transistor (FeFET) based compute-in-memory (CiM) annealer for solving larger-scale COPs efficiently. Our CiM annealer converts COPs into quadratic unconstrained binary optimization (QUBO) formulations, and uniquely accelerates in-situ the core vector-matrix-vector (VMV) multiplication operations of QUBO formulations in a single step. Specifically, the three-terminal FeFET structure allows for lossless compression of the stored QUBO matrix, achieving a remarkably 75% chip size saving when solving Max-Cut problems. A multi-epoch simulated annealing (MESA) algorithm is proposed for efficient annealing, achieving up to 27% better solution and ~ 2X speedup than conventional simulated annealing. Experimental validation is performed using the first integrated FeFET chip on 28nm HKMG CMOS technology, indicating great promise of FeFET CiM array in solving general COPs.
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