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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05J07651/
• 关键词: 単一磁束量子回路; SFQ; マイクロプロセッサ; 超伝導デバイス; 集積回路; ジョセフソン接合

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。

In this study, the super high-speed magnetic beam quantum circuit (SFQ) used in the superconducting magnetic beam quantum circuit (SFQ) was used. It's possible Performance, high-speed performance, and low power consumption are all important. Yesterday's year, the previous year's certificate, the line, the line, the line, the high performance, the line The overall design of うために新しくマイクロプロセッサ, and the partial actions of その are confirmed. This year's high-performance high-speed operation of the fully operational high-speed operation circuit and the high-speed operation circuit of the high-speed operation circuit are carried out. This year's results are as follows: 1. New しく design したマイクロプロセッサはこれまででMaximum 10,000 element scale である. Power source, current source, magnetic field effect, current source, and magnetic field effect.バイアスsupply lineをsuperconductorでったセルライブラリをにYokohama Country Universities and universities collaborate to build the current system, this time, and the current system The supply is close to the magnetic field and the magnetic field is affected.ダイサイズをNormal 5mm corner から8mm corner へと変Changeし、バイアスsupply pointかThe results of the circuit separation and the high-performance machining system are fully operational and confirmed.実证したマイクロプロセッサはfunctional surface ではまだ inferior るものの、17GHzと25GHz のクロックThe signal processing performance is 1400MOPS (1.4 billion calculations per second) and the performance is high.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。 The power consumption is 3.4mW, the performance of the unit power consumption is the semiconductor, and the semiconductor is better than the 4mW.ら、SFQ プロセッサをMost and べることでHigh いPerformance を発width できるPossibilities されたといえる. 2. The successful operation of large-scale SFQ circuits in the world has been confirmed. This time's review is about the large-scale SFQ circuit problem and the current problem and the operation problem of the large-scale SFQ circuit.このcauseをinvestigationするために、バイアス电をsupplyした间にグランド上に流れるリターン电The flow of the current is the current supply method of the current supply method. 2 types of large-scale circuit trial production, evaluation results, and supply method of large-scale circuits.このことから、From now on, バイアスsupply method をより improves するnecessary があることが明らかとなった. 3. This time I’m going to prove it, I’m going to do it again The method of transformation is the use of いるという's thought and the そのEND's な実appearance method, であるビットシリアルを特徴とした.しかし、よりOne layer of performance improvementには、パラレルtreatmentをimportしていくnecessaryがある.その极の Problem Point の一つは、loop中的蛑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。 High-speed calculation and SFQ loop design techniques and state transition techniques Calculation method proposal, this year's use case, arithmetic calculation circuit design, and so on. The result of trial production, the calculation results of the highest 20GHz, the verification of the validity of the calculation, and the confirmation of the validity of the test.

项目成果

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

• 发表时间: 2007
• 期刊: IEEE Trans.Appl.Supercond (in press)
• 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

• 发表时间: 2007
• 期刊: IEEE Trans.Appl.Supercond. (in press)
• 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

• 发表时间: 2006
• 期刊: Supercond.Sci.Technol. 19, no.5
• 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

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

• 发表时间: 2007
• 期刊: Physica C : Superconductivity (in press)
• 作者: S.Iwasaki;M.Tanaka;N.Irie;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

• 发表时间: 2006
• 期刊: Physica C : Superconductivity No.1, Vol. 445-448
• 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