単一磁束量子回路に基づくマイクロプロセッサに関する研究

基于单通量量子电路的微处理器研究

基本信息

批准号：
05J07651
负责人：
田中雅光
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、超伝導デバイスを用いた単一磁束量子(SFQ)回路による超高速マイクロプロセッサの実現を目指し、実際にSFQマイクロプロセッサやその核となる演算部を具現化してその実現可能性、及び高速性と低消費電力性を評価することを目的としている。昨年度は、以前に実証を行ったごく簡単なマイクロプロセッサの高性能化を行うために新しくマイクロプロセッサ全体を設計し、その部分動作を確認した。本年度は高性能化したマイクロプロセッサの完全動作を目指すとともに、さらに高速な演算回路に向けた検討も進めた。本年度得られた成果は以下の通りである。1.新しく設計したマイクロプロセッサはこれまでで最大となる一万素子規模である。電源となるバイアス電流により発生する磁場の影響を防ぐため、バイアス供給線を超伝導体で覆ったセルライブラリを既に横浜国立大学と協力して構築したが、今回、チップ上でバイアス電流を供給する点付近に発生する磁場も悪影響を及ぼすことが分かった。ダイサイズを通常の5mm角から8mm角へと変更し、バイアス供給点から回路を離した結果、高性能マイクロプロセッサの完全動作を確認した。実証したマイクロプロセッサは機能面ではまだ劣るものの、17GHzと25GHzのクロック信号で演算等を行い、ピーク性能は1400MOPS(1秒間に14億演算)と見積もられた。これは現在の半導体プロセッサと概ね同程度の性能である。消費電力は3.4mWで、単位消費電力あたりの性能は半導体と比べて4桁優れていることから、SFQプロセッサを多数並べることで高い性能を発揮できる可能性が示されたといえる。2.実証に成功したマイクロプロセッサは、世界的に見てももっとも複雑で大規模なSFQ回路の動作実証である。今回の評価では、大規模SFQ回路における課題として、バイアス電流に対する動作マージンが減少する問題が見られた。この原因を追究するために、バイアス電流を供給した際にグランド上に流れるリターン電流に着目し、リターン電流を制御するために新しいバイアス電流供給方法の検討を行った。2種類の大規模回路を試作し、評価した結果、バイアス供給法を変えることで動作マージンの拡大が見られた。このことから、今後、バイアス供給方法をより改善する必要があることが明らかとなった。3.今回実証したマイクロプロセッサでは、SFQ回路の高いスループットを回路の簡略化に用いるという思想の下、その端的な実現方法であるビットシリアル処理を特徴とした。しかし、より一層の性能向上には、パラレル処理を導入していく必要がある。その際の問題点の一つは、回路中に複雑なデータパスのループができてしまい、SFQ回路の高いスループットが阻害されることである。高速な演算をSFQ回路で行うための設計手法として、これまでに状態遷移に基づいた新たな演算方法を提案したが、本年度はその応用例としてパラレル方式の算術演算回路を設計した。試作したチップを評価した結果、最高20GHzで演算が行えることを確認し、その有効性を実証した。

这项研究旨在使用超导装置使用单频量子量子（SFQ）电路实现超高速度微处理器，并旨在实际体现SFQ微处理器及其核心计算单元，以评估其可行性，以及其高速和低功耗。去年，我们设计了一个新的微处理器，以提高我们先前证明的非常简单的微处理器的性能，并确认其部分操作。今年，我们旨在完全操作高性能的微处理器，并开始考虑更快的算术电路。今年获得的结果如下：1。新设计的微处理器是迄今为止10,000个设备的最大规模。为了防止用作电源的偏置电流产生的磁场的影响，我们已经与Yokohama国立大学合作构建了一个单元格库，Yokohama国立大学在该库中构建了偏置供应线，现已发现，现在已经发现，在CHIP上为CHIP提供了偏置电流附近产生的磁场也具有负面影响。模具尺寸从正常的5mm平方更改为8mm平方，并将电路与偏置电源分开，并确认了高性能微处理器的全部操作。尽管所证明的微处理器在功能方面仍然不如17GHz和25GHz的时钟信号进行计算，估计峰值性能为1,400 MOP（每秒14亿次操作）。这与当前的半导体处理器大致相似。功耗为3.4MW，每单位功耗的性能比半导体好四个数量级，这表明可以通过放置大量SFQ处理器来实现高性能。 2。微处理器的成功演示是全球SFQ电路的最复杂和大规模的操作演示。在此评估中，大规模SFQ电路的一个问题是偏置电流的工作保证金降低。为了调查其原因，我们专注于提供偏置电流时在地面上流动的回报电流，并研究了一种新的偏见电流供应方法来控制收益电流。对两种类型的大型电路进行了原型和评估，并通过更改偏置供应方法来增加操作边距。这清楚地表明，将来有必要进一步改善偏见供应方法。 3.我们今天已经演示的微处理器功能串行处理，这是一种实现它的简单方法，基于这样的想法，即SFQ电路的高吞吐量用于简化电路。但是，为了进一步提高性能，需要并行处理。此问题之一是在电路中创建了复杂的数据路径回路，这阻碍了SFQ电路的高吞吐量。我们已经提出了一种基于状态转换的新计算方法，作为一种设计方法，用于使用SFQ电路进行高速计算，但是今年我们将平行的算术算术电路设计为应用程序示例。通过评估原型芯片的结果，可以证实计算可以最多20GHz进行，并证明了其有效性。

项目成果

期刊论文数量（6）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Design and Implementation of a Pipelined Bit-Serial SFQ Microprocessor, CORE1β

流水线位串行 SFQ 微处理器 CORE1β 的设计和实现

DOI：
发表时间：
2007
期刊：
IEEE Trans.Appl.Supercond (in press)
影响因子：
0
作者：
Y.Yarnnashi;M.Tanaka;A.Akimoto;H.Park;Y.Kaniya;N.Irie;N.Yoshikawa;A.Fujimaki;H.Terai;Y.Hashirmoto
通讯作者：
Y.Hashirmoto

A new design approach for high-throughput arithmetic circuits for single-flux-quantum microprocessors

单通量量子微处理器高通量运算电路的新设计方法

DOI：
发表时间：
2007
期刊：
IEEE Trans.Appl.Supercond. (in press)
影响因子：
0
作者：
M.Tanaka;Y.Yamanashi;Y.Kaniya;A.Akimto;N.Irie;H.Paris;A.Fujimaki;N.Yoshikawa;H.Terai;S.Yorozu
通讯作者：
S.Yorozu

Design of a pipelined 8-bit-serial single-flux-quantum microprocessor with multiple ALUs

具有多个 ALU 的流水线 8 位串行单通量量子微处理器的设计

DOI：
发表时间：
2006
期刊：
Supercond.Sci.Technol. 19, no.5
影响因子：
0
作者：
M.Tanaka;T.Kawamoto;Y.Yamanashi;Y.Kamiya;A.Akimoto;K.Fujiwara;A.Fujimaki;N.Yoshikawa;H.Terai;S.Yorozu
通讯作者：
S.Yorozu

Single-flux-quantum integer multiplier with systolic array structure

具有脉动阵列结构的单通量量子整数乘法器

DOI：
发表时间：
2006
期刊：
Physica C : Superconductivity No.1, Vol. 445-448
影响因子：
0
作者：
K.Obata;M.Tanaka;Y.Tashiro;Y.Kaniya;N.Irie;K.Takagi;N.Takagi;A.Fujimaki;N.Yoshikawa;H.Terai;S.Yorozu
通讯作者：
S.Yorozu

Quantitative evaluation of delay time in the single-flux-quantum circuits

单通量量子电路延迟时间的定量评估