组合优化问题（COPs）出现在各种领域，如班次调度、交通路由和药物开发。然而，使用传统计算机在实用时间框架内解决这些问题具有挑战性。另一方面，退火处理器（APs），专门用于解决COPs的硬件，已受到广泛关注。它们基于伊辛模型，其中COP变量被呈现为磁自旋，约束作为自旋之间的相互作用。通过找到最小化系统能量的自旋状态来获得解决方案。
伊辛模型有两种类型，稀疏耦合模型和完全耦合模型。稀疏耦合模型允许更多自旋，因此提供了高可扩展性，但需要将COP转换以适应该模型。而完全耦合模型则允许任何COP直接映射，无需转换，使其极具吸引力。然而，它们在容量（自旋数量）和精度（相互作用位宽）方面存在限制。虽然以前的研究已经实现了使用可扩展结构的完全伊辛模型，该结构可以通过应用特定集成电路（ASICs）增加容量，但它们的相互作用位宽是固定的，使得某些COP难以解决。
在一项开创性研究中，由日本东京科学大学电气工程系的川原隆之教授带领的研究团队开发了一种创新的双可扩展退火处理系统（DSAPS），该系统可以使用相同的可扩展结构同时扩展容量和精度。他们的研究于2025年3月21日在线发布在《IEEE Access》期刊中，并于2025年3月31日出版在第13卷，并在2024年国际微电子会议上介绍。
DSAPS通过控制∆E块实现双重可扩展性，∆E块负责计算系统能量，使用两种结构，即传统的高容量结构和新颖的高精度结构。每个∆E块相当于CMOS基AP板上的大型集成（LSI）芯片，包括相互作用矩阵和自旋。高容量结构将每个∆E块分成较小的子块，分别计算后由AP板上的控制块加在一起。这使得通过简单地将∆E块细分为更多子块来增加自旋数量成为可能。
高精度结构允许多个具有相同自旋数量和相互作用的∆E块在不同位级上进行计算。控制块随后通过执行位移合并它们的计算，从而产生更高的整体相互作用位宽。例如，一个有四个∆E块在不同位级上工作的系统，配合一个单一的控制块能处理原始相互作用位宽的四倍。
“DSAPS是一个革命性的系统，通过使用单一的现场可编程门阵列控制块控制多个相同的LSI芯片，使得自旋数量和相互作用位宽的同时扩展成为可能，”川原教授强调。“此外，系统还可以用于稀疏耦合和完全耦合的伊辛模型。”
为了展示系统的实用性，研究人员在CMOS-AP板上实现了两种DSAPS配置，分别使用自旋线程：一种具有2048个自旋，10位相互作用和四个线程，另一种具有1024个自旋，37位相互作用和两个线程。这在很大程度上改善了ASICs，它们通常只有4到8位的相互作用位宽。
在MAX-CUT问题上的验证测试显示，两个DSAPS相较于已知的最佳理论结果实现了超过99%的准确率。然而，在0-1背包问题中，10位相互作用的DSAPS显示出了99%的大平均偏差，而37位配置的平均偏差仅为0.73%，接近CPU仿真中观察到的水平。这突显了选择与目标COP特性相符的DSAPS配置的重要性。
“该系统在开发可扩展的AP以解决复杂的现实世界COP中将发挥至关重要的作用，”川原教授指出。“我们部门已经推动了10年LSI完全耦合伊辛机器的研究。从2025年起，该系统将作为所有三年级学生实验之一，增强半导体设计教育。”
总体而言，这项研究标志着可扩展、高精度、完全耦合伊辛机器发展的重要一步，在各个领域具有良好的应用前景。
