富士通研究所は2018年9月18日、富士通、富士通アドバンストテクノロジと共同で、組み合わせ最適化問題を高速に解くための専用のアーキテクチャ「デジタルアニーラ」において、ハードウェアに入力できる規模を超えて問題を解けるようにする問題分割技術を開発したと発表した。今回、30Kビット規模の計算が必要な中分子創薬の分子の安定構造探索問題が解けることを確認した。
デジタルアニーラは、様々な要因の組み合わせを考慮しながら最適解を見つけ出す“組み合わせ最適化問題”を高速に解くための計算機のアーキテクチャである。デジタル回路の利点（高い設計自由度やノイズ耐性）と、量子現象に着想を得た高速性を併せ持つ。現行の量子アニーリングマシンでは扱うことができなかったような複雑で大規模な問題も解くことができる。
図1：問題規模とビット数の関係（出典：富士通研究所）拡大画像表示
デジタルアニーラのハードウェア上の特徴は、コンピュータ内部で素子同士が自由に信号をやりとりできる全結合型の設計を採用していること。第1世代のプロセッサは1K（1024）ビット、第2世代のプロセッサは8K（8192）ビットを、全結合で相互接続している。さらに、ビット間の結合の強さを、第１世代で6万5536階調、第2世代で1845京階調で細かく表現できる。
アミノ酸48個規模の医薬候補の探索が半年から数日へと短縮
今回新たに開発した問題分割技術は、現状のデジタルアニーラよりも、さらに大規模な問題を解けるようにするためのソフトウェア技術である。現状では、ハードウェアに入力可能な規模までの問題しか扱うことができないのに対して、新技術ではハードウェアで処理可能な規模よりも大きな問題を取り扱える。
新技術を第2世代のデジタルアニーラに適用することで、100Kビット規模の問題への適用が可能となる。今回、富士通研究所は、タンパク質由来の創薬シミュレータを開発しているカナダのProteinQureと共同で、中分子医薬候補の安定構造を求めるシミュレーションにデジタルアニーラが適用できることを確認した。
アミノ酸48個規模（30Kビット規模）の中分子医薬候補に対し、アミノ酸をモデル化する同じ手法を用いて計算した従来のコンピュータでは数時間かかっていたシミュレーション時間を数分に短縮することができた。これは、半年かかっていた中分子医薬候補の探索が、数日でできるようになることを意味する。
ハードウェアに一度に入力できない規模の問題を扱える
従来のデジタルアニーラの課題は、ハードウェアに入力可能な規模の問題しか扱えなかったことである。大規模な問題をハードウェアに入力可能な規模に単純に分割し、分割した問題をそれぞれ最適化したとしても、全体の最適化にはなならない。問題の一部分を抽出することで部分的な最適化は可能だが、適切な箇所を抽出しなければ十分な効果を得ることはできない。
これに対して、今回開発した新技術の特徴は、ハードウェアに入力できる問題の規模を超えた問題を扱える。問題全体に対して短時間の全体サーチを行った後に、ハードウェアに入力可能な規模に問題の一部を抽出し、デジタルアニーラによって解の探索を行い、結果を全体に戻す。このフローを、抽出箇所を変えながら複数回行う。これにより、大規模問題に対する最適な解を導く。
問題全体の最適化効率を上げるためには、問題の特性に応じて、どの部分を抽出するかが重要になる。そこで、問題の関係性に着目し、問題全体の中で変化のしやすい要素を中心に抽出する方法や、要素間の結合が小さい箇所を分割する方法など、複数の分割方式を開発した。問題に応じて適した分割方式を選択することによって、大規模な問題に対して効率のよい解探索が可能となる。
