計算と電力供給を融合したプログラマブルアーキテクチャの創生

演算と電力供給を融合させた新たな低消費電力プログラマブルデバイスを模索する上では、集積回路チップの試作が欠かせないため、設計環境の構築を行い、実際にテストチップの試作を実施した。設計時のアナログ回路シミュレーションと実チップの特性比較を行うための試験回路を設計し、東京大学大学院工学系研究科附属システムデザイン研究センターのサービスを通じて試作を行った。演算と電力供給を適切に融合させるための知見は、既存のディジタル演算機構の要素ブロックごとの電力消費の内訳を実チップで測定することで得られると期待できるが、チップ内部のさまざまなポイントで電流を測定することは容易ではない。そこで、オンチップのディジタルLDOを用いて電流を推定する方式を考案し、その基礎設計を行った。デバイスの低消費電力化には電力供給そのものの効率化も重要であり、そのためには高速で高機能なディジタル制御方式も有力である。一方で制御演算にも電力が必要であるため、そのトレードオフも考慮しなければならない。そこで、いくつかのディジタル制御方式をFPGA回路で実現し、それらの特性を評価した。新しい低消費電力プログラマブルデバイスの主要な用途としては、エッジ向け機械学習アプリケーションが想定される。機械学習アプリケーションの特徴のひとつとして、必ずしも厳密な演算処理が必要ではない点があげられ、精度と性能と電力のバランスをとることで全体を高効率化できる。そこで、既存の組み込み向けデバイスであるGPUやFPGAにおいて、画像からの物体検出の推論処理を題材として、演算精度を変更したり近似処理を導入することよって、推論時間、推論精度、消費電力がどのように変化するかを評価し、そのモデル化を試みた。

演算と電力供給を融合させた新たな低消費電力プログラマブルデバイスを模索する上では、集積回路チップの試作が欠かせないため、設計環境の構築を行い、実際にテストチップの試作を実施した。設計時のアナログ回路シミュレーションと実チップの特性比較を行うための試験回路を設計し、東京大学大学院工学系研究科附属システムデザイン研究センターのサービスを通じて試作を行った。演算と電力供給を適切に融合させるための知見は、既存のディジタル演算機構の要素ブロックごとの電力消費の内訳を実チップで測定することで得られると期待できるが、チップ内部のさまざまなポイントで電流を測定することは容易ではない。そこで、オンチップのディジタルLDOを用いて電流を推定する方式を考案し、その基礎設計を行った。デバイスの低消費電力化には電力供給そのものの効率化も重要であり、そのためには高速で高機能なディジタル制御方式も有力である。一方で制御演算にも電力が必要であるため、そのトレードオフも考慮しなければならない。そこで、いくつかのディジタル制御方式をFPGA回路で実現し、それらの特性を評価した。新しい低消費電力プログラマブルデバイスの主要な用途としては、エッジ向け機械学習アプリケーションが想定される。機械学習アプリケーションの特徴のひとつとして、必ずしも厳密な演算処理が必要ではない点があげられ、精度と性能と電力のバランスをとることで全体を高効率化できる。そこで、既存の組み込み向けデバイスであるGPUやFPGAにおいて、画像からの物体検出の推論処理を題材として、演算精度を変更したり近似処理を導入することよって、推論時間、推論精度、消費電力がどのように変化するかを評価し、そのモデル化を試みた。