各家角逐的量子霸權,能真正派上用途的富士通數位退火技術

各家角逐的量子霸權,能真正派上用途的富士通數位退火技術
2021-07-14
文・富士通
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許多科幻電影中常常提到此一未來產物-量子電腦,那有聽過類量子計算「數位退火」嗎?

摩爾定律即將走入盡頭, 數位計算的未來?

根據摩爾定律半導體產業將在2030年遭遇瓶頸,半導體業者無不從新元件與材料、新架構與封裝、新計算模型等尋找電腦晶片的未來,業界探討量子電腦會是突破摩爾定律的解決方案之一,在量子電腦實用化之前,許多的類量子計算都備受矚目,具備全新領域專用架構與計算模型的數位退火成為產業銜接「現在」數位計算與「未來」量子思維的重要策略。

圖: 數位計算技術之進程/台灣富士通

數位退火vs 量子電腦 -現階段的數位退火無論是設備成熟度或應用層面,皆比量子電腦來得廣泛。

「不確定量子電腦兩、三年內是否成真。」引述自富士通AI事業負責人岩井大介。

富士通選擇優先發展數位退火以避免量子電腦建置低溫環境的成本、不確定性與商業化的考量。數位退火使用汎用半導體技術、量子力學原理及非馮‧諾伊曼架構,被稱為最具產業實用價值與新藍海戰略的高性能數位計算。富士通於2018年推出數位退火晶片DAU,2021年更推出伺服器整合成顧問服務於全球推廣。

數位退火的特點及優勢? 

數位退火技術沿用量子計算的退火法,嘗試解決傳統計算無法實現的速度、精度及規模,執行平行且即時的優化計算,靈感來自量子計算的關鍵特徵—疊加、量子穿隧效應和糾纏,能夠同時評估數量驚人的潛在選項,可於幾秒內解決複雜的組合優化問題,以往技術無法解決或耗時複雜的問題,現在可以近乎實時地解決。

    節能: 目前量子電腦需要在接近絕對零度(攝氏-273度)的極低溫環境下運行,且體積甚大以及耗電量大,與量子電腦相比,數位退火為室溫下運行的小主機系統,無需特定要求或複雜的基礎設施,可節省大量能源。

    大規模計算: 現階段完全連結的8,192位元數位退火晶片,有助於大規模問題的解決。

    極佳精度: 高達64位元(264)級別的精度來描述組合優化問題。

數位退火如何快速解決複雜的問題? 

量子力學中的"疊加(superposition)"現象是指同時存在兩種不同的狀態,即0和1,也是 "量子位元(quantum bits或qubits)”的基礎,可以大幅地提升計算速度,數位退火技術則模擬了量子位元。目前存在的各種量子計算方法中,數位退火被歸類為增強型退火法,側重於解決組合優化問題,與傳統電腦不同,數位退火不需要程式設計,只需設置參數就可以進行計算。

產業應用

  富士通已達商用階段的數位退火,提高了精確度也帶來最具成本效益的方法,能迅速解決許多行業的組合優化問題,包括:

其他應用包括配送路線規劃、公共事業管理、需求預測、飯店管理、高級醫療保健、零售等,知名企業如西敏寺銀行、福斯汽車都是富士通數位退火技術的客戶。

2019年起於日本郵政嘗試以數位退火技術解決郵件物流的複雜問題。遞送郵件時需考慮工時、種類、載重及寄送路徑等成本因素,其排列組合為傳統計算方法難以處理的10億次以上。透過數位退火僅1秒鐘即計算出郵件配送的最佳路徑,可降低7%物流成本。之外,富士通也用於改善自家IT產品公司的製程優化,目前日本約有超過500家客戶嘗試數位退火。

  • 智慧金融—投資組合優化: 跨越傳統計算障礙,全新的全方位風險報酬分析

日本大型控股集團 MELCO Investments利用富士通數位退火技術,進行最佳股票投資組合,協助客戶維持穩定的報酬率和提供更精準的投資決策。於100檔股票中的50檔進行優化,其排列組合高達10的29次方,傳統工具對於這樣的計算數量束手無策,在富士通數位退火協助下,極為複雜的資產管理問題,都能仰賴這項退火法排列計算,開發出全方位的風險報酬分析,讓客戶的資產穩健成長。

  • 智慧物流—最佳路徑化: 降低2%至5%物流成本

豐田系統為豐田汽車集團的子公司,主要事業範疇為用於汽車產業的IT解決方案。

過往向數百個供應商購買零件後,透過中轉倉庫運送到數十家工廠,百萬計的潛在路線隱藏大量未知的物流成本 ,在數位退火協助下計算出零組件供應鏈各項排列組合中最佳運輸路徑,進而大幅度降低成本。

富士通數位退火特別適用於解決複雜的組合優化問題,包括運輸卡車數量、總行駛距離和包裹分揀中超過300萬條物流候選路線,以常規方法需耗時數月,富士通數位退火技術僅花費30分鐘即克服,提高裝載效率並降低2%至5%的物流成本。

  • 智慧醫療—新藥開發: 大幅縮短藥物發現時間

富士通攜手日本生技公司PeptiDream成功利用數位退火技術在12小時內根據線上探索確定了一種環狀肽(cyclic peptide)候選藥物的穩定構象,將有望縮短藥物發現過程中確定候選化合物的所需時間,並減少對某些耗時的"濕 "實驗室("wet" lab experiments)實驗的需求。PeptiDream計畫將數位退火和透過合作研究獲得的相關技術應用於其藥物開發過程,有望縮短確定候選藥物的時間,並進一步提高候選藥物成為新藥的可能性。這項技術更將加速COVID-19藥物的開發。

量子新時代人才培育

富士通近年來攜手全球頂尖研究機構共創AI及量子啟發計算之合作,並進一步促使業界與量子時代的人才結合。

資料來源: 台灣富士通

<北美>

多倫多大學(University of TRONTO):設立富士通研究中心,進行四大領域(物流/公共政策/金融/醫療)之數位退火技術應用研究

史丹佛大學(Stanford University):透過聯合研討會,就可解釋的人工智慧進行資訊交流和研究交流

<亞洲>

新加坡管理大學(Singapore Management University (SMU):現正進行港口配送相關議題的聯合研究

<台灣>

國立台灣大學:於2020年9月起為期半年提供台灣大學研發團隊使用富士通8192-bit數位退火電腦,進行以COVID-19議題為主軸的合作研究專案,如1.護理師排班問題;2. 醫療資源分配問題;3.食物遞送問題等研究主題,並於2021年5月共同舉辦成果發表會,公開研究成果。

此外富士通亦與台灣率先投入數位退火研究的法人單位資策會展開合作。資策會認為在後摩爾定律時代量子電腦實用化之前,數位退火發揮量子電腦的特殊用途—解決大型複雜的組合優化問題,是一項極具商業價值的市場策略。運用三方的資源為台灣培育第一批數位退火產業技術人才,並在台灣優良的資通訊產業基礎建設上,共同推動垂直領域(如材化、金融、製造等)標竿企業的創新應用,將帶動數位退火新興領域的技術與應用的發展。
 

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