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Coupled Oscillator Networks for Solving Combinatorial Optimization Problems in CMOS Technology

Graber, Markus Sebastian (2024)
Coupled Oscillator Networks for Solving Combinatorial Optimization Problems in CMOS Technology.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028812
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Solving optimization problems is important across various domains but can be time-consuming and energy-intensive. For example, optimization is essential to find an optimal schedule for an airline or to manage resources in a complex supply chain. Unfortunately, many combinatorial optimization problems can be NP-complete, which causes the runtime to increase exponentially with the problem size. A new approach to compute such problems are Ising machines, which are specialized physical implementations dedicated to solving optimization problems in an Ising model form. Instead of classical processors based on digital logic circuits, they exploit other physical mechanisms for potentially more efficient computation. Coupled oscillator networks are a promising approach, because they naturally strive towards a state, which corresponds to the ground state of the Ising model. Therefore, they can solve optimization problems within their underlying phase dynamics.

This work focuses on implementing such coupled oscillator networks using complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. The goal is to find near-optimal solutions for optimization problems, while being fast, energy-efficient, and compact. First, a behavioral model and a simulation approach for such large oscillator networks are proposed, which provides insight into the design and reduces the simulation time. Secondly, the design is discussed, which is based on 4-stage differential ring oscillators. The interaction between the oscillators is established by an active coupler circuit consisting of two differential stages. The coupling strength is determined by its bias current, which is provided by a 4-bit digital-to-analog converter. Additional circuits for the sub-harmonic injection locking, phase measurement, and frequency calibration are also considered. The assignment of the variables and coefficients of the optimization problems to the physical oscillators and couplers in the hardware is a time-consuming task. Hence, a flexible routing network is introduced, which can connect any oscillators across the chip on demand. Two chip generations were fabricated. The second generation has a total of 1,440 oscillators and 11,724 couplers with 4-bit weight resolution and is implemented on 4.6 mm² using a 28 nm technology node.

Thirdly, a comprehensive experimental analysis of the presented chips shows that selecting the right coupling strength and sub-harmonic injection strength is important to achieve the best performance. Optimization problems are solved by the chip within 950 ns and reach on average more than 94% of the optimal solution, while consuming 320 μW per oscillator node. However, random manufacturing mismatch is one of the main challenges of such an analog implementation. While a calibration scheme compensates for the frequency variations of the oscillators, the individual variations in the coupling strength slightly alter the hardwarerepresented optimization problem.

Overall, the results highlight the fast and efficient computing capabilities of coupled oscillator networks. These networks tend to find solutions near the global optimum, but the analog computing principle limits the possible weight resolution that can be represented in hardware. They are particularly well-suited for applications that require rapid computations and can tolerate non-optimal solutions. Based on the presented design, such systems can be further scaled up to address even more challenging optimization problems.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Graber, Markus Sebastian
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Coupled Oscillator Networks for Solving Combinatorial Optimization Problems in CMOS Technology
Sprache: Englisch
Referenten: Hofmann, Prof. Dr. Klaus ; Todri-Sanial, Prof. Aida
Publikationsjahr: 10 Dezember 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xviii, 164 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 18 November 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028812
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/28812
Kurzbeschreibung (Abstract):

Solving optimization problems is important across various domains but can be time-consuming and energy-intensive. For example, optimization is essential to find an optimal schedule for an airline or to manage resources in a complex supply chain. Unfortunately, many combinatorial optimization problems can be NP-complete, which causes the runtime to increase exponentially with the problem size. A new approach to compute such problems are Ising machines, which are specialized physical implementations dedicated to solving optimization problems in an Ising model form. Instead of classical processors based on digital logic circuits, they exploit other physical mechanisms for potentially more efficient computation. Coupled oscillator networks are a promising approach, because they naturally strive towards a state, which corresponds to the ground state of the Ising model. Therefore, they can solve optimization problems within their underlying phase dynamics.

This work focuses on implementing such coupled oscillator networks using complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. The goal is to find near-optimal solutions for optimization problems, while being fast, energy-efficient, and compact. First, a behavioral model and a simulation approach for such large oscillator networks are proposed, which provides insight into the design and reduces the simulation time. Secondly, the design is discussed, which is based on 4-stage differential ring oscillators. The interaction between the oscillators is established by an active coupler circuit consisting of two differential stages. The coupling strength is determined by its bias current, which is provided by a 4-bit digital-to-analog converter. Additional circuits for the sub-harmonic injection locking, phase measurement, and frequency calibration are also considered. The assignment of the variables and coefficients of the optimization problems to the physical oscillators and couplers in the hardware is a time-consuming task. Hence, a flexible routing network is introduced, which can connect any oscillators across the chip on demand. Two chip generations were fabricated. The second generation has a total of 1,440 oscillators and 11,724 couplers with 4-bit weight resolution and is implemented on 4.6 mm² using a 28 nm technology node.

Thirdly, a comprehensive experimental analysis of the presented chips shows that selecting the right coupling strength and sub-harmonic injection strength is important to achieve the best performance. Optimization problems are solved by the chip within 950 ns and reach on average more than 94% of the optimal solution, while consuming 320 μW per oscillator node. However, random manufacturing mismatch is one of the main challenges of such an analog implementation. While a calibration scheme compensates for the frequency variations of the oscillators, the individual variations in the coupling strength slightly alter the hardwarerepresented optimization problem.

Overall, the results highlight the fast and efficient computing capabilities of coupled oscillator networks. These networks tend to find solutions near the global optimum, but the analog computing principle limits the possible weight resolution that can be represented in hardware. They are particularly well-suited for applications that require rapid computations and can tolerate non-optimal solutions. Based on the presented design, such systems can be further scaled up to address even more challenging optimization problems.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
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Das Lösen von Optimierungsproblemen ist wichtig, aber auch zeit- und energieintensiv. Dies gilt insbesondere für einige kombinatorische Optimierungsprobleme, die NP-vollständig sind, sodass die benötigte Zeit zum Lösen exponentiell mit deren Größe ansteigt. Ein neuartiger Ansatz, um solche Probleme zu lösen, sind sogenannte Ising-Maschinen. Dies sind physikalische Systeme, die auf das Lösen von Problemen in der Form des Ising-Modells spezialisiert sind. Anstatt digitale Logikschaltungen, die bei klassischen Prozessoren verwendet werden, nutzen diese andere physikalische Ansätze, die potenziell deutlich energieeffizienter sein könnten. Insbesondere gekoppelte Oszillator-Netzwerke sind ein vielversprechender Ansatz, weil diese von Natur aus einen Zustand anstreben, der dem Grundzustand des Ising-Modells entspricht. Somit können sie Optimierungsprobleme in deren zugrundeliegenden phasendynamischen Verhalten lösen.

Diese Arbeit fokussiert sich auf die Umsetzung solcher gekoppelten Systeme mittels komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Silizium-Technologie. Das Ziel ist es, Lösungen nahe an dem globalen Optimum zu finden, und das schnell, energieeffizient und auf kleinster Fläche. Zuerst wird das Verhalten dieser Systeme modelliert und ein Simulationsansatz für solche großen Oszillator-Netzwerke vorgeschlagen.

Als Zweites wird das Design diskutiert, welches auf einem 4-stufigen Ring-Oszillator basiert. Die Interaktion der Oszillatoren wird durch einen aktiven Koppler, der auf differentiellen Transistorstufen beruht, ermöglicht. Die Stärke der Interaktion wird gemäß dem Optimierungsproblem durch dessen Bias-Strom mittels eines 4-bit Digital-zu-Analog-Wandlers konfiguriert. Zusätzlich werden notwendige Schaltungen für die sub-harmonische Synchronisierung, Phasenmessung und Frequenzkalibration vorgestellt. Leider ist die Zuweisung der Variablen und Koeffizienten des Optimierungsproblems zu den physikalischen Oszillatoren und Kopplern des Hardware-Netzwerkes ein zeitaufwendiger Schritt. Deshalb wird ein flexibles Routing-System verwendet, das es ermöglicht, die Oszillatoren auf dem Chip untereinander nach Bedarf zu verbinden. Insgesamt werden zwei Chip-Generationen entwickelt und analysiert, wobei die zweite Generation auf einer Siliziumfläche von 4.6 mm² in einem 28 nm Technologieknoten insgesamt 1.440 Oszillatoren und 11.724 Koppler bereitstellt.

Als Drittes wird eine umfangreiche experimentelle Analyse vorgestellt. Diese verdeutlicht, dass die Wahl der richtigen Koppelstärke und Synchronisationsstärke entscheidend ist, um die bestmögliche Genauigkeit zu erzielen. Probleme können in nur 950 ns gelöst werden und erreichen im Durchschnitt mehr als 94% der optimalen Lösung. Die Berechnung benötigt lediglich 320 μW pro Oszillator. Zufällige Abweichungen der Schaltungselemente sind eine der größten Schwierigkeiten dieses analogen Rechenkonzepts. Während Frequenzabweichungen durch die Oszillator-Kalibrierung kompensiert werden können, ändern sich auch die einzelnen Kopplerstärken und damit auch das eigentliche Optimierungsproblem, das in der Hardware repräsentiert und damit gelöst wird.

Die Ergebnisse zeigen, dass gekoppelte Oszillator-Systeme schnell und energieeffizient Optimierungsprobleme lösen können. Diese Netzwerke tendieren natürlicherweise dazu, Lösungen nahe dem globalen Optimum zu finden. Allerdings ist die mögliche Auflösung der Koeffizienten in einem derartigen analogen Ansatz begrenzt. Dieser ist aber besonders gut für Anwendungen geeignet, die Lösungen sehr schnell benötigen und dabei nicht-optimale Ergebnisse tolerieren können. Basierend auf dem vorgestellten Design können zukünftig solche Systeme weiter vergrößert werden, um immer schwierigere Probleme zu lösen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-288120
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 621.3 Elektrotechnik, Elektronik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Datentechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Datentechnik > Integrierte Elektronische Systeme (IES)
Hinterlegungsdatum: 10 Dez 2024 13:56
Letzte Änderung: 17 Dez 2024 11:57
PPN:
Referenten: Hofmann, Prof. Dr. Klaus ; Todri-Sanial, Prof. Aida
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 18 November 2024
Export:
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