비균질 커플링 Ising 문제 기반 조합 최적화 계산기 및 칼코지나이드 진동자 설계 = Design of chalcogenide oscillator device and the Ising Machine for non-uniform graph problem

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 특정 조합 최적화 문제의 답을 도출하기 위한 칼코지나이드 진동자 기반 계산기를 제안하였다. 저전력 구현을 위해 Ge-Sb-Se-Te(GSST) OTS 기반 진동자(GSST-OTSNO)를 설계하고, 기존 Ge-Se(GS) 대비 낮은 문턱 전압 및 Roff 감소를 통해 전력 효율 향상을 달성하였다. 또한 이징 해밀토니안에서의 상호작용 계수 Jij의 음의 연속값을 구현하기 위해 RC 병렬 커플링(RCPF)을 제안하였고, 위상 에너지 함수 기반의 시뮬레이션을 통해 anti-phase 상태가 안정적인 에너지 최소점이 됨을 검증하였다. 최종적으로 7개 숫자로 구성된 수 분할 문제를 해당 하드웨어로 해결하였고, 정답 도달까지 350 μs, 2.55 μJ의 에너지를 소모하며 문제 해결 가능성을 실험적으로 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we propose a non-uniform coupling oscillator-based computing architecture to solve combinatorial optimization problems based on the Ising Hamiltonian. To enable low-power operation, we designed a GSST-OTSNO oscillator using Ge-Sb-Se-Te as the active material, demonstrating reduced threshold voltage and Roff compared to Ge-Se. To implement continuous negative interaction coefficients Jij, we introduce an RC parallel coupling (RCPF) structure. Phase energy analysis confirmed that anti-phase configurations correspond to energetically stable minima. Finally, we solved a 7-node number partitioning problem using the proposed hardware, achieving a solution in 350 μs with 2.55 μJ of energy consumption, thus experimentally validating the feasibility of the approach.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구의 배경 1
• 제 2 절 이론적 배경 5
• (1) 조합 최적화 문제 5
• (2) 오실레이터 기반 이징 머신 8
• (3) 비정질 칼코지나이드 재료 기반 OTS 11
• (4) OTS 기반 나노 오실레이터(OTSNO) 14
• 제 2 장 본 론 17
• 제 1 절 OTS 기반 저전력 oscillator 17
• (1) 나노소자 기반 oscillator의 현 문제점 17
• (2) 소자 및 재료 최적화를 통한 저전력 OTSNO 19
• (3) GSST-OTSNO 22
• 제 2 절 비균질 커플링 구조의 설계 및 구현 29
• (1) 비균질 커플링의 필요성 29
• (2) 저항 커플링 오실레이터 32
• (3) Coupled 오실레이터의 위상 dynamics 분석 42
• (4) RC 병렬 커플링 51
• 제 3 절 비균질 커플링 오실레이터 기반 이징 계산기 구현 56
• (1) 시뮬레이션: 7노드 수 분할 문제 적용 56
• (2) 실험: 7노드 수 분할 문제 구현 및 검증 62