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確率的デバイスモデルに基づく量子モンテカルロ計算ハードウェアプラットフォーム構築

研究課題

研究課題/領域番号 23K21650
補助金の研究課題番号 21H03404 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分60040:計算機システム関連
研究機関東北大学

研究代表者

鬼沢 直哉  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (90551557)

研究分担者 羽生 貴弘  東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40192702)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)
2024年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2023年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2022年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円)
2021年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
キーワードストカスティック演算 / シミュレーテッドアニーリング
研究開始時の研究の概要

近年, D-Wave Systems社を始めとする量子アニーリンク(QA)マシンは,組合せ最適化問題を高速に計算可能な手法として期待されている.一方て,計算処理可能なハミルトニアンにはノート数・結合数なとのハラメータか限定されており,実用的な大規模組合せ最適化問題の処理は非常に困難てある.本研究ては,古典計算機て量子アニーリンク計算を模擬可能な量子モンテカルロ法(QMC)に着目し,大規模な組合せ最適化問題を処理可能なQMCに基つくハートウェアフラットフォームの実現を目指す.

研究実績の概要

2023年度は,2022年度に考案したストカスティック演算に基づく擬似量子アニーリング(SSQA)アルゴリズムを,FPGA(filed programmable gate array)へのハードウェア実装および評価を行った.FPGAへの実装にあたっては,複数の層(トロッタ層)からなるSSQAを高効率に処理可能なハードウェアアーキテクチャが必須である.高効率に処理するためには並列処理が有効であり,提案方式ではトロッタパラレルでノード計算を行うことで,トロッタ数にメモリ使用量が依存しないアーキテクチャの実現に成功した.提案アーキテクチャを小型FPGAボードであるPYNQに実装し,最大800ノードの組合せ最適化問題を処理可能にした研究成果は,International Conference on Field Programmable Technology 2023に採択された.
またアニーリング処理においては,温度パラメータなどのハイパーパラメータを適切に設定することで高確率で組合せ最適化問題の最適解を得ることができるが,ハイパーパラメータの決定にはパラメータ探索が必要であり計算コストが大きい問題が存在した.そのため,組合せ最適化問題を表現するグラフの情報から,統計的に温度パラメータなどを決定可能な手法を考案することで,パラメータ探索なしで高精度でアニーリング処理を行うことが可能になった.その研究成果は,IEEE Open Journal of Signal Processingに採録された.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今年度設定した研究方針であるFPGAへの実装・評価,およびハイパーパラメータの決定手法の考案など,当初の予定通りに研究成果が挙げられていることから,おおむね順調に進呈している.

今後の研究の推進方策

最終年度は,2023年度に実現したSSQAアルゴリズムの小規模FPGA実装・評価を拡張させ,数千以上のノードの問題を解決可能な大規模ハードウェアアーキテクチャの考案を行う.現在のアーキテクチャはメモリ使用量がトロッタ層(数)に依存しない構造を取る一方で,ロジック部分に関しては大きく依存してしまう傾向が見られた.そのため,この問題を解決可能な新たなアーキテクチャを考案し,FPGAによる実装・評価,およびCPUやGPU実装と比較を行い,提案方式の有効性を明らかにする.
また,2023年度に考案したハイパーパラメータ決定手法は,量子効果を考慮しない従来アルゴリズムであるSSA(Stochastic Simulated Annealing)用に開発したもので,本研究課題で提案したSSQA用にはそのまま適用することが難しい.そのため,ハイパーパラメータ決定手法を拡張させ,量子効果を表現するとロッタ層間の相互作用を考慮したアルゴリズムの開発を行う.これにより,提案SSQAアルゴリズムにおいても,ハイパーパラメータ探索が不要となるため,高速に組合せ最適化問題を解決可能になる.

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 2件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 図書 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] McGill University(カナダ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] McGill University(カナダ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Enhanced convergence in p-bit based simulated annealing with partial deactivation for large-scale combinatorial optimization problems2024

    • 著者名/発表者名
      Onizawa Naoya、Hanyu Takahiro
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 14 号: 1 ページ: 1339-1339

    • DOI

      10.1038/s41598-024-51639-x

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Self-Adaptive Gate Control for Efficient Escape From Local Minimum Energy on Invertible Logic2023

    • 著者名/発表者名
      Onizawa Naoya、Yano Koji、Shin Seiichi、Fujita Hiroyuki、Hanyu Takahiro
    • 雑誌名

      IEEE Access

      巻: 11 ページ: 44923-44931

    • DOI

      10.1109/access.2023.3272867

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Local Energy Distribution Based Hyperparameter Determination for Stochastic Simulated Annealing2023

    • 著者名/発表者名
      Onizawa Naoya、Kuroki Kyo、Shin Duckgyu、Hanyu Takahiro
    • 雑誌名

      IEEE Open Journal of Signal Processing

      巻: 4 ページ: 452-461

    • DOI

      10.1109/ojsp.2023.3329756

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Memory-Efficient FPGA Implementation of Stochastic Simulated Annealing2023

    • 著者名/発表者名
      Shin Duckgyu、Onizawa Naoya、Gross Warren J.、Hanyu Takahiro
    • 雑誌名

      IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems

      巻: 13 号: 1 ページ: 108-118

    • DOI

      10.1109/jetcas.2023.3243260

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Fast-Converging Simulated Annealing for Ising Models Based on Integral Stochastic Computing2022

    • 著者名/発表者名
      Onizawa Naoya、Katsuki Kota、Shin Duckgyu、Gross Warren J.、Hanyu Takahiro
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems

      巻: - 号: 12 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1109/tnnls.2022.3159713

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Implementation of CMOS Invertible Logic on Zynq-SoC Platform: A Case Study of Training BNN2022

    • 著者名/発表者名
      D. Shin, N. Onizawa, and T. Hanyu
    • 雑誌名

      Journal of Applied Logics

      巻: 9-3 ページ: 585-606

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] CMOS Invertible Logic: Bidirectional operation based on the probabilistic device model and stochastic computing2022

    • 著者名/発表者名
      Onizawa Naoya、Hanyu Takahiro
    • 雑誌名

      IEEE Nanotechnology Magazine

      巻: 16 号: 1 ページ: 33-46

    • DOI

      10.1109/mnano.2021.3126094

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High Convergence Rates of CMOS Invertible Logic Circuits Based on Many-Body Hamiltonians2021

    • 著者名/発表者名
      Onizawa Naoya、Hanyu Takahiro
    • 雑誌名

      2021 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)

      巻: - ページ: 1-5

    • DOI

      10.1109/iscas51556.2021.9401278

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Improving Stochastic Quantum-like Annealing Based on Rerandomization2023

    • 著者名/発表者名
      R. Sasaki, D. Shin, N. Onizawa, and T. Hanyu
    • 学会等名
      30th IEEE International Conference on Electrocncis, Circuits & Systems (ICECS)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Stochastic Implementation of Simulated Quantum Annealing on PYNQ2023

    • 著者名/発表者名
      T. Kubuta, D. Shin, N. Onizawa, and T. Hanyu
    • 学会等名
      International Conferernce on Field Programmable Technology (ICFPT)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fast Solving Complete 2000-node Optimization Problem Using Sotcahstic-Computing Simulated Annealing2022

    • 著者名/発表者名
      K. Katsuki, D. Shin, N. Onizawa, and T. Hanyu
    • 学会等名
      IEEE International Conference on Electrocnis, Circuits & Systems (ICECS) 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 大規模 SC-SA 法の高速求解向け FPGA 実装と評価2022

    • 著者名/発表者名
      口分田大芽,シントッキュ,鬼沢直哉,羽生貴弘
    • 学会等名
      2022 年度電気関係学会東北支部連合大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Stochastic演算に基づくQMCによるアニーリング処理の高速化2022

    • 著者名/発表者名
      佐々木 遼真, 鬼沢 直哉, 羽生 貴弘
    • 学会等名
      2022年度 電気関係学会東北支部連合大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Fast-Conversing Simulated Annealing of Ising Models Based on Integral Stochastic Computing2022

    • 著者名/発表者名
      Naoya Onizawa
    • 学会等名
      Edge Intelligence Workshop 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Integral Stochastic演算に基づくSimulated Annealing法の高速化2021

    • 著者名/発表者名
      勝木康太, シントッキュ, 鬼沢直哉, 羽生 貴弘
    • 学会等名
      2021年度電気関係学会東北支部連合大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] Applications of Ising Models Based on Stochastic Computing, Chapter of Stochastic Computing: Design and Applications of Emerging Computer Systems2024

    • 著者名/発表者名
      D. Shin, N. Onizawa, W. J. Gross and T. Hanyu
    • 総ページ数
      16
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9783030037291
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [産業財産権] 最適化装置、最適化方法及ひプログラム2022

    • 発明者名
      羽生貴弘, 鬼沢直哉,佐々木 遼真
    • 権利者名
      羽生貴弘, 鬼沢直哉,佐々木 遼真
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2022-129728
    • 出願年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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