aalto1 untyped-item.component.html
Application of resistor-based Ising machines in solving uplink multi-user Multiple-input Multiple-output problems
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Mcode
Language
en
Pages
48
Series
Abstract
Combinatorial optimization problems are integral to many scientific and industrial applications. Traditional methods for solving combinatorial optimization problems, such as branch and bound or local search, perform well for small problem sizes but their computational cost increases exponentially with the size of the problem. This has motivated the development of novel hardware based solvers to improve the efficiency of solving combinatorial optimization problems. One of these approaches, the Ising Machine, has gained much interest lately. The Ising Machine leverages the principles of energy minimization to find approximate solutions to combinatorial optimization problems. The Ising model and the mathematically equivalent Quadratic Unconstrained Binary Optimization form are ways to represent combinatorial optimization problems as an energy function, for which the global minimum corresponds to the optimal solution. These formulations can be used with the Ising Machine to solve combinatorial optimization problems.
We used software-based modeling to simulate two distinct hardware configurations of a programmable resistor-based Ising Machine and tested it on the Multi-User Multiple-Input Multiple-Output (MU-MIMO) problem under various non-idealities being applied to the machines hardware components. We showed that a programmable resistor-based Ising Machine can outperform traditional methods of solving the MU-MIMO problem such as the Linear Minimum Mean-Square Error (LMMSE), and may be suitable for the speed and energy requirements of future wireless communication standards. Additionally, we showed that the manufacturing constraints for such an Ising Machine include at least 7 bit quantization in the programmable resistors as well as at most 1\% resistance mismatch in the unit resistors used.
Kombinaatoristen optimointiongelmien ratkaiseminen on keskeistä monilla tieteen ja teollisuuden alueilla. Perinteiset menetelmät, kuten haaroitus ja rajoitus (branch and bound) ja paikallinen haku (local search), toimivat hyvin pienille ongelmille, mutta niiden laskentakustannukset kasvavat eksponentiaalisesti ongelman koon kasvaessa. Tämä on motivoinut uusien laitteistopohjaisten ratkaisijoiden kehittämistä, jotka parantavat kombinaatoristen optimointiongelmien ratkaisujen tehokkuutta. Yksi näistä lähestymistavoista, Ising-konesimulaattori, on herättänyt viime aikoina paljon kiinnostusta. Ising-konesimulaattori hyödyntää energian minimoinnin periaatteita löytääkseen likimääräisiä ratkaisuja kombinaatorisiin optimointiongelmiin. Ising-malli ja matemaattisesti vastaava Quadratic Unconstrained Binary Optimization (QUBO) -muoto ovat tapoja esittää kombinaatorisia optimointiongelmia energian funktiona, jonka globaali minimi vastaa ongelman optimaalista ratkaisua. Näitä esitysmuotoja voidaan käyttää Ising-konesimulaattorissa kombinaatoristen optimointiongelmien ratkaisemiseksi.
Käytimme ohjelmistopohjaista mallinnusta simuloidaksemme kahta erilaista ohjelmoitaviin vastuksiin perustuvaa Ising-konesimulaattorin laitteistokonfiguraatiota ja testasimme sitä Multi-User Multiple-Input Multiple-Output (MU-MIMO) -ongelman ratkaisemiseksi samalla kun laitteiston komponentteihin lisättiin erilaisia analogisia epä-idealiteettejä. Näytimme, että ohjelmoitaviin vastuksiin perustuva Ising-konesimulaattori voi saavuttaa parempia tuloksia kuin perinteiset menetelmät MU-MIMO-ongelman ratkaisemisessa, kuten Linear Minimum Mean-Square Error (LMMSE), ja saattaa täyttää tulevien langattoman viestinnän standardien nopeus- ja energiavaatimukset. Lisäksi näytimme, että tällaisten Ising-konesimulaattorien valmistusrajoitteet edellyttävät vähintään 7-bittistä kvantisaatiota ohjelmoitavissa vastuksissa sekä korkeintaan 1\% vastushäiriötä käytetyissä yksikkövastuksissa.
Description
Supervisor
Marttinen, PekkaThesis advisor
Poyraz, OnurHaapala, Tuomas