KAIST cho biết đã phát triển thành công một nền tảng phần cứng chuyên dụng cho các bài toán tối ưu hóa tổ hợp, được chế tạo hoàn toàn bằng quy trình CMOS tiêu chuẩn đang dùng trong ngành bán dẫn. Công nghệ mới được kỳ vọng giúp đẩy nhanh khả năng thương mại hóa Ising machine cho các bài toán ra quyết định quy mô lớn.

Theo KAIST ngày 6/5, nhóm nghiên cứu do giáo sư Choi Yang-kyu và giáo sư Kim Sang-hyun thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Điện tử dẫn dắt đã chế tạo thành công Ising machine dựa trên dao động tử bằng quy trình bán dẫn silicon hiện hành.

Tối ưu hóa tổ hợp là nhóm bài toán tìm ra phương án tốt nhất trong vô số khả năng. Ising machine là loại máy tính chuyên dụng được phát triển để xử lý dạng bài toán này.

Nhóm nghiên cứu tập trung vào dao động tử, linh kiện tạo ra tín hiệu dao động theo chu kỳ. Khi nhiều dao động tử trao đổi tín hiệu và đồng bộ với nhau, hệ thống có thể tự tiến tới trạng thái ổn định, từ đó tìm ra nghiệm tối ưu. Tuy nhiên, các Ising machine trước đây gặp khó trong việc kiểm soát chính xác sai lệch tần số nhỏ giữa các dao động tử, đồng thời bị hạn chế về khả năng liên kết giữa các phần tử.

Để khắc phục điểm này, nhóm đã thiết kế cả dao động tử và bộ ghép nối — thành phần điều chỉnh cường độ tương tác giữa các phần tử — bằng một transistor silicon duy nhất. Cách tiếp cận này giúp giảm sai lệch tần số giữa các dao động tử và duy trì trạng thái đồng bộ ổn định. Nhóm cũng triển khai cơ chế ghép nối đa trạng thái, cho phép điều chỉnh cường độ kết nối theo nhiều mức khác nhau.

Theo KAIST, nhờ đó, cả khả năng biểu diễn của mô hình Ising lẫn hiệu quả tìm nghiệm đều được cải thiện. Nhóm đã dùng công nghệ này để giải thành công bài toán tối ưu hóa tổ hợp điển hình Max-Cut.

Max-Cut là bài toán chia một mạng thành hai nhóm sao cho số liên kết giữa hai nhóm đạt mức lớn nhất. Bài toán này có thể được ứng dụng trực tiếp trong tối ưu tuyến logistics, xây dựng danh mục tài chính và thiết kế bố trí mạch bán dẫn.

Một điểm đáng chú ý của nghiên cứu là nhóm không sử dụng vật liệu đặc biệt hay quy trình phi tiêu chuẩn, mà vẫn dùng quy trình CMOS tiêu chuẩn của ngành bán dẫn. CMOS là công nghệ chế tạo bán dẫn có mức tiêu thụ điện năng thấp và tỏa nhiệt ít, hiện được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị số như smartphone và CPU máy tính. KAIST nhấn mạnh công nghệ này có thể được sản xuất hàng loạt và thương mại hóa trên các dây chuyền hiện có.

Giáo sư Choi Yang-kyu cho biết nghiên cứu đã hiện thực hóa cả dao động tử và bộ ghép nối bằng linh kiện silicon, đồng thời bảo đảm khả năng mở rộng và độ chính xác cho phần cứng Ising machine. Theo ông, công nghệ này có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi tối ưu hóa tổ hợp quy mô lớn như tự động hóa thiết kế bán dẫn, tối ưu mạng viễn thông và phân bổ tài nguyên.

Nghiên cứu được thực hiện với sự hỗ trợ của Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc. Yoon Seong-yoon, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại KAIST, và Kim Jun-pyo tham gia với tư cách đồng tác giả thứ nhất. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science Advances ngày 27/3.