일본산업뉴스요약

도시바, 이징머신을 100배 고속화하는 새로운 기법 개발
조합의 최적화에서 위력 발휘

도시바가 복잡한 조합 최적화 문제에 특화된 '양자 인스파이어드 최적화 컴퓨터(Quantum-Inspired Optimization Computer, 이징 머신)'를 고속화하는 새로운 기법을 개발했다. 기존 방식과 비교해 최대 약 100배 고속화할 수 있다고 한다. 이를 통해 신약 개발, 물류, 금융 등, 다양한 분야의 조합 최적화 문제를 더욱 빠르게 해결할 수 있게 될 것으로 기대되고 있다.

도시바는 자사가 제공하는 양자 인스파이어드 최적화 솔루션인 'SQBM+'에 이번 새로운 기법을 도입, 향상된 계산 능력으로 다양한 사회적 과제를 해결해 나갈 계획이다. 도시바종합연구소의 고토(後藤) 시니어 펠로우는 이번 새로운 기법을 기반으로 한 서비스 제공에 대해 "이르면 1~2년 이내에 서비스를 전개하고 싶다"라고 밝혔다.

이징 머신(Ising Machine)은 양자역학의 원리를 기반으로 다수의 조합 중에서 이징 모델의 에너지가 가장 낮아지는 상태를 찾아내는 '이징 문제'에 특화된 컴퓨터이다. 이 기술을 응용하면 다양한 분야의 조합 최적화 문제를 고속으로 해결할 수 있게 될 것으로 기대되고 있다. 조합 최적화 문제를 적절하게 정식화하면 이징 문제의 형태로 변환시킬 수 있어 이징 머신으로 해결이 가능해지기 때문이다.

도시바는 이징 문제를 독자적인 방식으로 해결하는 '시뮬레이티드 분기(Simulated Bifurcation)' 알고리즘 개발에 주력하고 있다. 이 알고리즘에는 미분방정식을 풀어서 해를 구하는 방식이 채택. FPGA(Field-Programmable Gate Array)와 같은 기존 컴퓨터로도 풀 수 있으며, 병렬화를 통한 고속 계산도 가능하다.

-- 질서와 혼돈 사이에서 성능이 향상 --
도시바가 이번에 개발한 3세대 시뮬레이티드 분기 알고리즘은 이전에 개발된 2세대와 비교해 다음과 같은 점들이 개선되었다. 우선, 물리적인 분기 현상을 일으키는 분기 매개변수를 스핀(변수)별로 도입했다. 또한 분기 매개변수를 계산할 때 비선형 강도 매개변수를 설정할 수 있도록 했다.

이를 통해 계산 도중에 부분적으로 우수한 해인 국소 최적해에 빠지는 것을 방지하고, 전체 범위에서 가장 우수한 해인 대역 최적해를 쉽게 찾아낼 수 있게 된다.

도시바가 실시한 실험 결과, 규칙적인 상태와 혼돈 상태의 경계인 '혼돈의 가장자리(Edge of Chaos)'에 있는 최적의 비선형 강도 매개변수를 적용했을 때, 성공 확률이 100% 가깝게 향상된다는 것을 발견했다. 여기서 성공 확률이란 제한된 시행 횟수로 대역 최적해를 얻는 확률을 말한다. 이 확률이 높을수록 적은 시행 횟수로 계산에 성공할 수 있다.

이와 같은 혼돈의 가장자리에 있는 매개변수를 활용함으로써 복수의 문제에 대해 이전 기법과 비교해 특정 조건하에서 10~100배나 고속화할 수 있다. 이번 실험에서는 2,000개의 스핀 전체가 서로 영향을 주고받는 '완전연결(전결합) 문제'를 대상으로 했으며, 2의 2,000승에 달하는 방대한 조합 중에서 최적해를 탐색했다.

하지만, 이 비교는 적절한 매개변수의 탐색에 걸리는 시간을 제외하고, 매개변수를 찾아낸 뒤에 해를 계산하는 데 걸린 시간만을 대상으로 한 것이다. 고토 시니어 펠로우는 "현재는 모든 것을 망라해서 매개변수를 찾고 있지만, 향후에는 자동으로 좋은 매개변수를 찾아내 높은 계산 성능을 낼 수 있도록 하겠다"라고 말한다.

모든 문제를 고속화할 수 없다는 점도 실험을 통해 확인되었다. 도시바는 고속으로 풀 수 있는 문제의 조건 및 대역 최적해에 수렴하는지에 대한 검증을 향후 과제로 삼고 있다.

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