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產業追蹤/多面向布局 推動應用落地

隨著後摩爾定律時代來臨,半導體產業將難再享有過去「摩爾定律」的可預測性成長和收益,產業技術重心逐漸轉移至軟體、演算法、新運算模型(如量子運算)和領域特有架構(Domain-specific Architecture)等創新,從而改變產業生態。

由於量子運算可解決傳統電腦難以解決的問題,被視為後摩爾定律時代最重要技術趨勢之一。經濟部技術處提早投入量子運算研發領域,藉此為台灣半導體廠與科技業者布局量子運算市場。

由於「通用量子電腦」尚需克服量子位元擴充、錯誤率、稀疏連接等挑戰,距離實用化較遠,因此採取「特殊用途量子電腦」解決「量子電腦特殊用途」,兼顧短期效益與長期布局的量子運算策略便應運而生。基於此策略,「量子啟發運算」發展方興未艾,日本主要由富士通、東芝、日立、日本電氣(NEC)等公司領軍,並已開始商轉,如Fujitsu DACS數位退火雲服務,保持全球領先地位。

「量子啟發運算」主要採用基於半導體的數位運算技術,模擬「特殊用途量子電腦」,專門解決金融、化學(藥/材料)、AI、先進製造等領域組合優化問題,現階段即可槓桿半導體和資通訊產業,未來也可銜接量子運算,是後摩爾時代極具商業價值的新興運算技術,也是企業跨越數位運算與量子運算鴻溝重要布局,可為半導體和資通訊產業變革帶來新契機。

量子啟發運算主流之一的「退火運算(Annealing)」,其靈感源自傳統冶金熱退火技術,這是將金屬材料加熱到高於再結晶溫度,再緩慢控制降溫,藉由物理原理改變材料微結構,最終趨向能量最低、最穩定狀態。

退火運算是將優化問題的成本函數轉換成對應物理系統的能量函數,再運用物理原理與系統搜尋最低能量狀態—即最優解。以Google Map搜尋最短時間路徑為例,透過古典電腦需設計演算法處理大量資料,並透過古典電腦指令逐步計算求解。

若用退火電腦,直接將對應成本函數的能量函數帶入量子或模擬量子物理系統中,透過量子物理原理進行計算。由於在物理系統退火過程中,系統狀態會朝低能量處即時更新,且當系統處於局部最低能量處、即次優解,仍然有機會跳脫局部再搜尋全域最低能量處、即全域最優解,因此可快速、有效的求解。

雖然古典電腦與量子電腦最終目的相同,但運算原理與系統架構迥異,量子啟發運算有機會以很短時間處理大量資料找到最優解,換句話說,可運用其大幅提升如AI訓練或其他棘手應用的效能,克服目前古典電腦運算時間過久、能耗需求高等問題。

量子啟發運算關鍵技術包括:1、優化問題前處理:含物理系統能量函數(如易辛模型)轉換、大問題分解、嵌入以及量子啟發處理器參數調校等。2、量子啟發處理器:主要採用GPU、FPGA或ASIC等高效能運算晶片開發,具有位元數易擴充、零錯誤率、高連接性以及室溫運作等優點,恰可彌補「通用量子電腦」之不足。

此外,採用FPGA或ASIC的量子啟發處理器可因應不同需求客製化,彈性運用在雲端運算或邊緣運算,有助探索更廣泛應用,如5G、自駕車、金融交易等。而基於量子啟發優化演算法、軟體和應用,未來也可輕易移植到實用化的量子電腦運行。

國內通用量子運算尚在起步中,但既有半導體和資通訊產業已具備發展量子啟發運算優勢條件。技術處以科技專案支持資策會、工研院等法人單位投入研究,並結合研究型大學中物理、資工、電機等系所培育跨領域人才,研發量子優化演算法、軟體、應用及硬體加速器技術。近期在公部門、公協會推動下,更帶動電子、半導體、石化、金融等領域業者主動合作,並吸引國際領導廠商富士通在國內尋求策略夥伴,推動應用落地,迎來新契機。

展望未來,半導體和資通訊業者可借力使力,例如晶片設計、矽智財、電子設計自動化(EDA)等公司適合布局量子啟發運算矽智財或晶片;專用型伺服器系統商或裝置供應商適合發展量子啟發優化加速器;量子新創公司適合與大公司結盟或自主營運發展量子啟發運算雲服務,從多種不同面向布局量子啟發運算新興市場。(作者是經濟部技術處資策會創新前瞻技術計畫研究成員)

經濟部技術處

經濟部技術處整合法人研究機構、產業界、學術界之研發能量與軟實力,促成國家創新系統成員間的科技創新連結,於智慧科技、綠能科技、製造精進、民生福祉、服務創新等領域,開發具前瞻性、關鍵性及跨領域之產業技術,並將研發成果多元移轉落實產業界應用,促進創新研發成果走向產業化與國際化,以厚實產業技術能量,提升產業創新效益。

半導體 量子電腦 演算法

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