在大数据与人工智能快速发展的背景下，如何在海量可能方案中找到最优解，已成为关键挑战之一。许多组合优化问题如果仅依赖传统半导体计算机，可能需要耗费数千年才能算完。近期，韩国科学技术院（KAIST）研究团队提出了一种全新的硬件方案，为这类问题提供了更高效的解决路径。

基于硅工艺的全新优化硬件

KAIST 研究人员开发出一种完全基于现有硅工艺的专用计算硬件，可直接在当前的半导体生产线上制造，无需新增设备或特殊材料。这一成果有望显著提升物流调度、金融资产配置以及半导体电路设计等行业的决策速度和精度。

相关研究成果已发表在《Science Advances》期刊上。

在硅芯片上实现振荡型伊辛机

由电气工程学院崔扬奎教授和金相贤教授联合领导的团队，利用传统硅半导体工艺，在芯片上实现了一种振荡型伊辛机。这是一类由多个振荡单元相互作用、用来搜索最优解的专用优化计算机，被视为下一代组合优化硬件的重要方向。

研究团队聚焦于周期性输出电信号的振荡器。当多个振荡器彼此交换信号并逐步同步节奏时，整个系统会自然演化到一个最稳定的状态，而这一稳定状态就对应于优化问题的最优或近似最优解。

传统振荡型伊辛机在处理复杂问题时存在两大瓶颈：

• 难以精确控制振荡器之间微小的频率差异；
• 振荡单元之间的连接度有限，难以充分表达复杂问题的结构和权重。

为解决这些问题，研究团队提出了一种新架构：利用单个硅晶体管同时实现振荡器和耦合器功能。晶体管是半导体器件中最基础的开关元件，通过这种设计：

• 振荡器之间的频率偏差被显著抑制，从而实现更稳定的同步；
• 通过耦合器实现多级耦合，更细致地映射优化问题中的权重关系。

借助这一方法，系统在表达复杂优化问题和搜索解空间方面的能力得到明显提升。研究团队利用该硬件成功求解了著名的组合优化问题——最大割问题（Max-Cut），即将网络划分为两组，使两组之间的连接数最大化。

最大割问题在多个工业场景中具有直接应用价值，例如：

• 物流路径与运输网络优化；
• 金融投资组合与风险分散设计；
• 半导体电路布局与连线规划等。

行业应用与商业化前景

这项技术的一大优势在于：完全基于当前半导体产业广泛使用的 CMOS 工艺，无需引入新材料或非标准制造流程。因此，该振荡型伊辛机可以在现有晶圆厂中实现大规模量产，降低商业化门槛，也避免了额外的设备投资。

崔扬奎教授表示，这项研究提出了一种新的振荡型伊辛机硬件架构，通过用硅器件实现振荡器和耦合器，在可扩展性与计算精度之间取得了平衡。他指出，这项技术有望应用于：

• 半导体设计自动化（EDA）；
• 通信网络结构与路由优化；
• 大规模资源分配与调度等需要处理庞大组合优化问题的工业领域。

他进一步强调，随着晶体管尺寸不断逼近物理极限，制造工艺已接近原子级控制精度。过去十年间，团队一直在探索：晶体管的未来是否应超越单纯“缩小尺寸”，转而挖掘和开发全新的功能。

晶体管功能的“第三波”演进

未来学家阿尔文·托夫勒曾将人类社会的发展划分为三次浪潮，并将向知识社会的转型称为“第三波”。类似地，已有 80 余年历史的晶体管技术，也可以被视为经历了三次发展浪潮。

• 1935 年，奥斯卡·海尔在英国专利中首次提出利用电场控制半导体电流的概念。
• 1946 年，威廉·肖克利发明了第一只固态晶体管，这一成果后来获得诺贝尔奖。
• 1961 年，姜大元发明了现代金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），至今仍是大规模集成电路的基础器件。

从功能演进的角度看：

• 第一波：晶体管作为“开关”；
• 第二波：晶体管作为“放大器”；
• KAIST 实验室提出的第三波：晶体管作为“振荡器”。

几十年来，半导体产业的进步主要依赖器件微缩，以提升开关速度和放大性能。然而，当制造精度逼近原子尺度后，传统微缩路线的物理极限日益明显。未来的晶体管技术需要从“继续缩小”转向“实现新功能”的范式变革。

这项工作的核心技术意义在于：首次系统性地证明了“振荡器”可以被视为晶体管的第三种基本功能形态。作为这一概念的实验验证，研究团队在室温条件下实现了物理伊辛机的运行，为新一代专用优化硬件提供了可行路径。