Creation and development of superconducting computing technology for post-Moore era

后摩尔时代超导计算技术的创造与发展

• 批准号: 22H05000
• 负责人: 井上 弘士
• 金额: $ 124.3万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-27 至 2027-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22H05000/
• 关键词: コンピュータ・アーキテクチャ; 超伝導コンピュータ; 極低温コンピューティング; 単一磁束量子回路; 新奇デバイス

本年度は、３つの研究項目が強固に連携して新技術を創出すべく、単一磁束量子（SFQ）回路を用いた全体アーキテクチャの基本概念を精査し、以下のように各項目での研究開発を進めた。【研究項目1】極低温超伝導-磁性ハイブリッドメモリでは、圧電体上での高品質な超伝導薄膜を作製するための検討を進め、圧電体の歪みで超伝導転移温度が変化する現象を観測し始めている。また、その超伝導薄膜上に希薄磁性薄膜を作製する技術を開発し、磁性ジョセフソン素子の作製も進んでいる。極低温超伝導-光変換では、低温非平衡プラズマを駆使した新材料ZAIONの高品質結晶とヘテロ界面実現に向けた検討を行い、原子レベルで急峻なZION/ZnOヘテロ界面の形成ならびにZION膜のシュードモルフィック成長を実現した（4元系材料のZIONにおいて世界初の観察例）。極低温アプロキシメートSFQ素子では、SFQ回路で生じるエラーのモデリングを進めた。また、これらの成果を俯瞰し、汎用アーキテクチャの実現に向けた機能ならびに非機能要件の洗い出しを行った。【研究項目2】時空間情報表現と新演算方式では、SFQ回路で構成した各論理ゲートにおけるセットアップ／ホールドタイムの違いを考慮した動作方式の検討を進めた。極低温時空間プロセッサではアーキテクチャ探索のための評価環境整備を行った。冷凍機マルチステージ・メモリアーキテクチャでは、超伝導量子コンピューティングへとスコープを拡大し、冷凍機ステージで搭載すべき機能を検討した。2段階モデリングフレームワークとシミュレータ開発に関しては、研究項目1と連携し、SFQ回路で生じるエラーを反映した高レベル評価法を設計した。【研究項目3】ランタイムバイアス電圧/動作周波数制御技術に関する研究では、SFQ回路のエラーを許容した際にバイアス電圧の変更や高温動作による電力性能効率改善効果を見積もった。

在今年，为了通过鲁棒协作三个研究项目来创建新技术，我们使用单频量子量子（SFQ）电路仔细研究了整体体系结构的基本概念，并对以下每个项目进行了研究和开发。 [研究项目1]在极度低温的超导磁性混合记忆中，我们现在正在研究压电主体上高质量超导薄膜的产生，并开始观察到由于压电机体失真而导致的超导过渡温度变化的现象。此外，已经开发了用于在超导薄膜上制造稀释磁性薄膜的技术，并且磁性约瑟夫森设备的生产也进步了。 In ultra-cryogenic superconductivity-photo conversion, we investigated the realization of high-quality crystals and heterointerfaces of ZAION, a new material that makes full use of low-temperature non-equilibrium plasma, and achieved the formation of a steep ZION/ZnO heterointerface at the atomic level and pseudomorphic growth of ZION films (the world's first observation example for锡安，第四纪材料）。在低温近似SFQ元件中，我们对SFQ电路中发生的误差进行了高级建模。此外，我们对这些结果进行了鸟类的视野，并确定了旨在实现通用体系结构的功能和非功能要求。 [研究项目2]关于时空信息表示和新的算术方法，我们已经考虑了由SFQ电路构建的每个逻辑门的设置/保持时间差异的操作方法。低温时空处理器已配备了用于架构搜索的评估环境。借助冰箱多阶段内存架构，范围已扩展为超导量子计算，并且已经考虑了在冰箱阶段安装的功能。关于两阶段建模框架和模拟器的开发，我们设计了一种高级评估方法，该方法反映了与研究项目1合作的SFQ电路中发生的错误。[研究项目3]在运行时偏置电压/操作频率控制技术的研究中，当可耐受SFQ电路中的误差估计和改善偏置效率的效应高度高温效率效应效应，因此SFQ电路中的误差均可估计。

项目成果

Sputtering Growth of Single-Crystalline ZnO Based Semiconducting Films on Large Lattice-Mismatched Substrates

大晶格失配衬底上单晶 ZnO 基半导体薄膜的溅射生长

• 发表时间: 2022
• 作者: 中村航大;藤澤剛;佐藤孝憲;齊藤晋聖;椋橋 奈穂，水野 斎，佐々木 史雄，柳 久雄;Naho Itagaki
• 通讯作者: Naho Itagaki

Q3DE: A fault-tolerant quantum computer architecture for multi-bit burst errors by cosmic rays

• DOI: 10.1109/micro56248.2022.00079
• 发表时间: 2022-10
• 期刊: 2022 55th IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture (MICRO)
• 作者: Yasunari Suzuki;T. Sugiyama;Tomochika Arai;Wang Liao;Koji Inoue;Teruo Tanimoto

単一磁束量子プロセッサ向けキャッシュメモリ構成法の検討と定量的評価

单通量量子处理器缓存配置方法研究与定量评价

• 发表时间: 2022
• 作者: Ochi;M.;Komura;D.;& Ishikawa;S.;鴨志田圭吾
• 通讯作者: 鴨志田圭吾

Design and Analysis of a Nano-photonic Processing Unit for Low-Latency Recurrent Neural Network Applications

• DOI: 10.1109/mcsoc57363.2022.00058
• 发表时间: 2022-12
• 期刊: 2022 IEEE 15th International Symposium on Embedded Multicore/Many-core Systems-on-Chip (MCSoC)
• 作者: Eito Sato;Koji Inoue;Satoshi Kawakami

Control of inhomogeneity and magnetic properties of ZnO:Co films grown by magnetron sputtering using nitrogen

• DOI: 10.1016/j.mssp.2023.107503
• 发表时间: 2023
• 期刊: Materials Science in Semiconductor Processing
• 影响因子: 4.1
• 作者: M.N. Agusutrisno;Ryota Narishige;K. Kamataki;T. Okumura;N. Itagaki;K. Koga;M. Shiratani;Naoto Yamashita