近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队在自旋芯片领域取得重要进展：基于40纳米CMOS工艺实现96 kb电压调控磁各向异性磁随机存储器（VC-MRAM），构建出亚纳秒概率翻转的超快低功耗伊辛机，面向工业级EDA组合优化任务完成芯片实测验证。器件单次自旋更新能耗低于40 fJ，系统能效达到1.92×10⁵ solutions/s/W，较现有最先进伊辛机提升60至18000倍。相关成果以“An Ising machine for combinatorial optimization based on sub-nanosecond CMOS-integrated magnetoresistive random-access memory”为题，在线发表于国际顶级学术期刊《Nature Electronics》（自然·电子学），该成果为团队发表的第五篇Nature Electronics论文。
图1 压控自旋伊辛芯片系统概述
《Nature Electronics》同期发表题为“Magnetic memory accelerates combinatorial optimization”的专题报道，美国国家标准与技术研究院APS/IEEE Fellow Mark D. Stiles 教授等撰写News & Views文章指出，该成果将亚纳秒磁矩翻转与伊辛自旋计算相结合，研制出集成9.6万个磁隧道结的新型计算芯片。评论特别提到，团队将确定性翻转与随机热效应相结合，研发出“超高速”（particularly fast）的翻转过程；把能量差编码到电压脉冲宽度中，构筑了具备广泛扩展潜力、超高能效的自旋信息更新方法，其求解能力已在集成电路设计全局布线与层分配问题中得到验证[1]。
图2 《Nature Electronics》专题报道
PART.1
研究背景
NP难问题的求解挑战
NP难的组合优化问题遍布人工智能、材料科学、金融、交通、通信与集成电路设计领域，大量真实问题都可以归结为“在指数级候选方案中找到最优解”。随着问题规模不断扩大，以及智能系统对实时预测和自主决策的需求增长，传统冯·诺依曼架构面临计算速度与算力规模的多重挑战。
作为近年来的研究热点，伊辛机（Ising machine）提供了一条物理启发式的算力路线：把优化问题映射为自旋系统的能量函数，让系统通过自旋动力学自发演化到能量最低的基态，以寻找全局最优解。伊辛机有望成为现有算力系统的专用协处理器，辅助数据中心、边端侧智能平台或太空计算场景等进行高性能计算。当前，量子处理器、光子伊辛机、传统CMOS等技术路线正在加速发展，然而，将物理演化的求解潜力转化为可部署的计算能力，仍需同时解决求解质量、运行速度、系统能效与规模扩展等关键问题。
PART.2
核心突破
让磁隧道结实现亚纳秒概率比特
磁隧道结（MTJ）的磁矩翻转天然带有随机性，正是实现伊辛自旋的理想载体。但此前基于超顺磁隧道结（SMTJ）、自旋轨道矩磁隧道结（SOT-MTJ）的方案多为电流驱动，写入较慢、功耗较高，且多以分立器件验证，难以发挥芯片级集成的潜力。
研究团队另辟蹊径，利用压控磁各向异性（VCMA）效应：电压直接调制磁各向异性势垒，仅需0.3至1纳秒即可完成一次自旋更新，单次自旋更新的能耗低于40 fJ；通过精细控制片上写入脉宽，单脉冲翻转概率可在0到100%范围内连续调节，原位实现伊辛自旋的概率更新。
图3 利用具有可调翻转概率的VCMA-MTJ实现伊辛自旋
PART.3
片上集成
可支持96000个节点的伊辛计算网络
在器件突破的基础上，研究团队联合凌存科技公司采用40纳米CMOS工艺研制96 kb VC-MRAM芯片，片上磁隧道结直径约70纳米，并设计、集成了脉宽调节精度达十皮秒量级的片内脉冲发生器，实现伊辛自旋的片上更新，突破读写带宽瓶颈。配合FPGA构建的可编程系统，实现从问题映射、自旋更新到基态求解的全流程闭环计算。
性能评测显示系统能效达1.92×10⁵ solutions/s/W，与GPU、量子处理器及光子器件、相变纳米振荡器和忆阻器等相关计算方案相比，系统能效提高了60至18000倍。
图4 利用96 kb VC-MRAM 芯片实现自旋伊辛机
PART.4
应用验证
面向EDA布线问题完成实时计算
团队将自旋伊辛机应用于集成电路设计中两个典型的NP难组合优化问题——全局布线与层分配，将线长最小化目标及布线连通等约束映射为伊辛模型，并在芯片系统上完成实时高能效求解。实验显示，系统哈密顿量快速收敛至基态，输出高质量布线方案，展示了自旋伊辛芯片走向工业级EDA应用的潜力。
该工作不仅提出了伊辛机的一种新型物理实现方式，为突破伊辛机实用化面临的速度与能效瓶颈提供了新思路，也为新型算力芯片的发展提供了一条以概率化智能范式为核心的技术路径。
图5 全局布线与层分配的伊辛建模
PART.5
作者与单位
北京航空航天大学为第一完成单位。论文由北航集成电路科学与工程学院、自旋芯片与技术全国重点实验室、杭州北航国际创新研究院、青岛特色芯片与智能仪器山东省实验室、苏州凌存科技有限公司等单位合作完成。我院李赛副教授、博士生张艺豪为论文共同第一作者，赵巍胜教授为通讯作者；我院曾琅教授、王鹏教授，凌存科技公司 Albert Lee 博士、吴迪博士，以及量巡科技公司朱政博士等共同参与研究工作。该工作得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金启研计划、北京市高创计划青年人才托举工程、科学探索奖、卓越青年学者、中央高校基本科研业务费等项目及人才计划的支持。
在自旋伊辛计算方向，赵巍胜教授团队长期积累，并在国际顶级会议 IEDM 上报道系列成果：2019年利用电压辅助SOT器件实现无场翻转[2]；2021年提出基于自旋转矩纳米振荡器的时分复用伊辛计算机[3]；2022年提出基于无场SOT-MTJ的伊辛机以及1 比特量化方法[4]；2025年提出感存算一体的双模 MRAM 伊辛机[5]。本次成果是在上述基础上面向自旋计算芯片和EDA 应用的进一步突破。
团队于Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances、PNAS等国际顶级期刊上持续产出高影响力成果，在自旋芯片领域形成了从基础研究到应用验证的完整创新链。
