颠覆计算范式！KAIST用单个晶体管实现振荡器

在大数据和人工智能时代，一种解决组合优化问题的新方法应运而生。这类问题需要在众多可能的方案中找到最优解，而传统的计算方法可能需要数千年才能完成。韩国科学技术院（KAIST）的一个研究团队开发了一种计算硬件，该硬件完全可以利用现有的硅工艺实现，无需额外设施即可部署在现有的生产线上。预计这项技术将帮助物流、金融和半导体设计等各个行业更快、更准确地做出决策。

韩国科学技术院（KAIST）于5月6日宣布，由电气工程学院崔阳奎教授和金相铉教授领导的联合研究团队，仅使用传统的硅半导体工艺，就实现了振荡伊辛机（一种专用计算机，其中多个振荡元件相互作用以寻找最优解）——一种下一代专用优化硬件。

研究团队专注于周期性重复电信号的振荡器。当多个振荡器交换信号并同步它们的节律时，系统自然会达到最稳定状态，并在这一过程中找到最优解。传统的振荡伊辛机在解决复杂问题方面存在局限性，因为很难精确控制振荡器之间微小的频率差异，而且元件之间的连接也有限。

为了克服这一问题，研究团队引入了一种新方法，其中振荡器和耦合器均采用单个硅晶体管实现，而硅晶体管是半导体的基本开关元件。

通过这种方法，他们减少了振荡器之间的频率偏差，实现了稳定的同步；并且通过使用耦合器，他们实现了多级耦合，从而可以更精确地反映问题的权重。因此，无论是表示复杂优化问题的能力，还是解决方案搜索的性能，都得到了显著提升。利用这项技术，研究团队成功解决了典型的组合优化问题——最大割问题，该问题涉及将网络划分为两组，以最大化连接数。

这个问题可以直接应用于物流路线优化、金融投资组合构建和半导体电路布局等多个工业领域。该方法的一个关键优势在于，它利用了半导体行业目前常用的CMOS工艺，无需特殊材料或非标准工艺。因此，该技术无需额外设备投资，即可在现有半导体生产线上进行大规模生产和商业化。

崔阳奎教授表示：“这项研究提出了一种振荡伊辛机硬件，它通过使用硅器件实现振荡器和耦合器，从而兼顾了可扩展性和精度。”他补充道：“该硬件有望应用于需要大规模组合优化的各个工业领域，例如半导体设计自动化、通信网络优化和资源分配。”他还指出，随着晶体管小型化接近其物理极限，并且越来越需要原子级控制，过去十年来，我们团队一直在探索晶体管的未来是否应该超越小型化，探索其新功能。未来学家阿尔文·托夫勒曾将社会发展划分为三个阶段，并将现代向知识型社会的转型描述为“第三次浪潮”。

同样，晶体管技术的发展史，至今已超过80年，也可以用三个浪潮来概括。1935年，奥斯卡·海尔在英国的一项专利中提出了利用电场控制半导体电流的概念。 1946年，William Shockley研制出首个固态晶体管，这一成就后来为他赢得了诺贝尔奖。1961年，Dawon Kahng发明了现代金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），它至今仍是大规模生产半导体器件的基础。从这个角度来看，晶体管技术的第一波浪潮可以定义为“开关”，第二波浪潮可以定义为“放大器”。我们的实验室提出了新发现的第三波浪潮：晶体管作为“振荡器”。几十年来，半导体技术的进步主要通过小型化来提高晶体管的开关和放大性能。然而，随着器件制造精度要求达到原子级，尺寸缩小的物理极限也日益凸显。因此，未来的晶体管需要进行根本性的范式转变——从进一步小型化转向实现新的功能。这项工作的最大技术意义在于证明了振荡器是晶体管的第三个基本功能。为了验证这一概念，我们实验性地实现了一个在室温下运行的物理伊辛机。

这项研究由韩国科学技术院 (KAIST) 博士候选人尹成允 (Seong-Yun Yun) 和金俊杓 (Joon Pyo Kim) 博士共同担任第一作者，并于 3 月 27 日发表在世界最负盛名的科学期刊之一《科学进展》(Science Advances) 上。本研究得到了韩国国家研究基金会通过下一代智能半导体技术开发计划、国家半导体研究实验室核心技术开发计划和PIM人工智能半导体核心技术开发计划提供的支持。