断熱的量子磁束回路を用いた超低消費電力機械学習システムの実現

利用绝热量子通量电路实现超低功耗机器学习系统

• 批准号: 22KJ1404
• 负责人: 田中 智之
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Yokohama National University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1404/
• 关键词: 断熱量子磁束パラメトロン

断熱量子磁束パラメトロン（AQFP）回路をハードウェア記述言語で書かれた抽象度の高い状態から、物理的なゲートの配置とゲート間の配線を決定するシステムを構築した。本手法を用いることで、最大で1024-bitの加算器の合成に成功し、この回路は200万個のジョセフソン接合を持つ。先行研究と比較して10倍以上大きな回路の合成に成功した。計算に必要なメモリーの量と計算時間が取り扱える回路の大きさを制限しているため、さらに大きな回路の合成にはアルゴリズムの改良が必要と考えられる。また、実際の回路設計として機械学習の計算に必要な消費電力を削減するためのアクセラレーターとして、AQFP回路を使った16-bit 浮動小数点加算器のレイアウト設計を行った。その結果、回路の１辺が20 mm 以上になり、現在の超伝導デバイスのチップの面積に収まらないということが分かった。AQFP回路は消費エネルギーを低く抑えるために、外部から交流電流を与えている。この電源が、内部の論理ゲートのクロックを兼ねているため、論理ゲートを配置できる位置は制限される。加えて、演算のタイミングを維持するための計算に寄与しないメモリーが多数必要であり、これらの原因により、回路の形状が細長くなってしまう。フィードバックを持たない大規模な回路を面積の効率よく設計するためには、新たなの回路の駆動方式や内部配線の方法の提案が必要であることがわかった。作成したレイアウトからシミュレーションによって性能を最新のCMOS回路と評価したところ、超伝導状態を維持するために必要な消費エネルギーを加味して、3倍高速かつ、90分の1の消費エネルギーで計算できるという結果が得られた。

The thermal quantum magnetic beam (AQFP) loop is configured to describe the abstract state of speech, the configuration of physical objects, and the wiring between objects. This method is used in the synthesis of 1024-bit adders, and the circuit has 2 million connections. The first research is to compare the synthesis of circuits larger than 10 times. The calculation of the necessary quantity and the calculation of the time are necessary for the improvement of the synthesis of the large loop. The design of AQFP loop with 16-bit floating decimal point adder reduces the power consumption necessary for mechanical learning calculation. As a result, the loop has a diameter of more than 20 mm, and the area of the superconductor has a diameter of more than 20 mm. AQFP loop is low voltage, external AC current and high voltage. Power supply, internal logic, configuration, location and limit Add, calculate and maintain the calculation, send, send Since large-scale circuits can be designed efficiently in terms of area, it is necessary to propose new circuit movement methods and internal wiring methods. To create the latest CMOS circuit and evaluation, to maintain the state of superconductivity, to improve the quality of life, to increase the speed of life by 3 times, to increase the speed of life by 90 minutes, to increase the quality of life.

项目成果

シノプシス/ハイプレス(米国)

Synopsys/Hipress（美国）

A full-custom design flow and a top-down RTL-to-GDS flow for adiabatic quantum-flux-parametron logic using a commercial EDA design suite

使用商业 EDA 设计套件的绝热量子通量参数逻辑的全定制设计流程和自上而下的 RTL 到 GDS 流程

• DOI: 10.1109/tasc.2023.3261267
• 发表时间: 2023
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity
• 影响因子: 1.8
• 作者: Tanaka Tomoyuki;Ayala Christopher L.;Whiteley Stephen;Mlinar Eric;Barker Aaron;Chen Song;Belov Anton;Barbee Troy;Kawa Jamil;Yoshikawa Nobuyuki
• 通讯作者: Yoshikawa Nobuyuki

Demonstration of a hybrid superconductor logic computation system using single flux quantum and adiabatic quantum-flux-parametron logic families

使用单通量量子和绝热量子通量参数逻辑系列的混合超导逻辑计算系统的演示

• 发表时间: 2022
• 作者: Tanaka Tomoyuki;Meher Sukanya S.;Ayala Christopher L.;Hironaka Yuki;Sahu Anubhav;Inamdar Amol;Gupta Deepnarayan;Yoshikawa Nobuyuki
• 通讯作者: Yoshikawa Nobuyuki