全硅晶体管构建的可扩展伊辛机

本文提出了一种高度可扩展的全硅基CMOS伊辛机（CIM），其核心创新在于：完全摒弃传统电路结构，仅使用标准硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（Si-MOSFET）构建整个系统。其中，每个振荡器由一个垂直结构的单晶体管（1T-O）实现，每个耦合器也仅需一个平面结构的单晶体管（1T-C）。与以往依赖环形振荡器或外部电阻/电容耦合的设计不同，该方案将MOSFET的物理特性“一物两用”——既利用其浮体效应产生自激振荡，又利用其栅控导电能力动态调节耦合强度。这种设计大幅简化了硬件结构：单元面积仅需4F²（远小于传统6晶体管SRAM单元），显著提升集成密度与能效。

针对大规模伊辛机的关键瓶颈——振荡器间频率差异（fosc变异），研究团队提出“栅压调频”策略：通过精细调节每个1T-O的栅极电压（VG,1T-O），可实时补偿因互连电容差异导致的频率漂移，从而保障大规模阵列中各振荡器的相位同步稳定性。同时，1T-C的栅压（VG,1T-C）可连续调控耦合强度，支持多比特权重配置（如1/2/3比特），使系统能灵活适配不同复杂度的优化问题，并有效抑制器件间固有差异（D2D变异）与连接不对称性带来的影响。

为增强求解鲁棒性，系统还引入亚谐波注入锁定（SHIL）技术：施加频率约为振荡器基频两倍的外部正弦信号，强制所有振荡器稳定锁定在两个明确相位（0°或180°），分别对应伊辛模型中的同向自旋（正耦合）与反向自旋（负耦合），从而将复杂的能量最小化问题自然映射为清晰的相位同步过程。

实验验证方面，研究团队在四节点MaxCUT问题上完成了硬件实测：在施加SHIL并合理配置耦合电压后，系统能稳定输出正确的二分图解（即两类振荡器严格反相）；若关闭SHIL，则结果混乱失效。进一步通过半经验仿真模拟了百节点规模的问题，结果显示：采用栅压补偿后，成功求解概率（Psuc）显著提升；且随着耦合权重比特数增加（从1比特到3比特），系统对器件偏差的容忍度更高，收敛更可靠。此外，得益于全并行架构，其求解速度远超传统CPU算法，且问题规模越大优势越明显。

综上，该全硅伊辛机不仅具备与现有CMOS产线完全兼容的制造优势，还兼具高可扩展性、强可重构性、低功耗与高鲁棒性，为突破冯·诺依曼架构瓶颈、发展下一代专用智能计算硬件提供了切实可行的技术路线。