Construction of stochastic superconductor neural networks towards ultra-low-power machine learning

面向超低功耗机器学习的随机超导神经网络的构建

基本信息

批准号：
22H00220
负责人：
竹内尚輝
金额：
$ 26.54万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2027-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本年度は、確率的超伝導ニューラルネットワークを構成する要素回路の基礎検討を行った。【ニューロン回路】断熱磁束量子パラメトロン（AQFP）ベースの積和演算器およびシグモイド関数生成器により構成された超伝導ニューロン回路を提案し、数値解析により5 GHzの高速クロック周波数で動作することを示した。また、3層のニュラルネットワークを構成した際の消費エネルギーの見積もりを行い、10-100TOPS/Wの高いエネルギー効率で動作することを示した。なお、Stochastic computingの導入により、積和演算器はANDゲート等の基本素子により構成された。またシグモイド関数生成器は、AQFPと単一磁束量子（SFQ）回路を組み合わせることで、シンプルな回路構成でシグモイド関数を生成する。以上の設計指針により、低電力化なニューロン回路を実現した。【磁束量子メモリ】磁束保持ループとAQFP回路を組み合わせた確率的磁束量子メモリを提案し、数値解析による動作検証を行った。保持ループ中の磁束量子の数によりAQFPの出力信号の確率分布が制御され、所望のStochastic数を出力できることを確認した。また、バイアス抵抗によるジュール熱を排除するため、磁束バイアスにより動作する磁束保持ループを検討した。【ネットワーク構造の検討】ニューラルネットワークモデルから回路シミュレーションまでを繋ぐ、ヒエラルキー型のシミュレーション技術を検討した。また、システムの大規模化に向けて、超伝導ニューラルネットワークをタイル状に並べて集積度と演算性能を高めたアーキテクチャを検討した。【その他】本研究のコア技術であるAQFP回路のさらなる高機能化のため、低遅延クロック技術等を検討した。

今年，我们对构成随机超导神经网络的基本电路进行了基础研究。 [神经元电路] 我们提出了一种由基于绝热通量量子参量管（AQFP）的乘积和算子和S形函数发生器组成的超导神经元电路，并通过数值分析表明其工作在5 GHz的高速时钟频率下.我们还估算了配置三层神经网络时的能耗，结果表明它的运行能效高达 10-100TOPS/W。此外，随着随机计算的引入，乘积和计算器是由与门等基本元素构建的。此外，S形函数发生器通过结合AQFP和单通量量子(SFQ)电路，以简单的电路配置生成S形函数。使用上述设计指南，我们实现了低功耗神经元电路。 [磁通量子存储器] 我们提出了一种结合磁通保持环和AQFP电路的随机磁通量子存储器，并通过数值分析验证了其操作。我们确认AQFP输出信号的概率分布由保持环中的磁通量子数控制，并且可以输出所需的随机数。此外，为了消除偏置电阻引起的焦耳热，我们研究了在磁通偏置下工作的磁通保持环路。 [网络结构的研究] 我们研究了将神经网络模型与电路仿真连接起来的分层仿真技术。此外，为了增加系统的规模，我们研究了一种将超导神经网络排列成瓦片的架构，以提高集成度和计算性能。 [其他] 为了进一步提高本研究的核心技术AQFP电路的功能，我们研究了低延迟时钟技术。

项目成果

期刊论文数量（13）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

磁束ストレージループを用いたストカスティックメモリの動作実証

使用磁通量存储环演示随机存储器的操作

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
羅文輝;竹内尚輝;陳オリビア;吉川信行
通讯作者：
吉川信行

Low-Latency Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Circuit Integrated With a Hybrid Serializer/Deserializer

与混合串行器/解串器集成的低延迟绝热量子通量参量管电路

DOI：
10.1109/access.2022.3230447
发表时间：
2022
期刊：
IEEE Access
影响因子：
3.9
作者：
Hironaka Yuki;Yamae Taiki;Ayala Christopher L.;Yoshikawa Nobuyuki;Takeuchi Naoki
通讯作者：
Takeuchi Naoki

Design of Arithmetic Function Generator Using Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Technology

采用绝热量子通量参量管技术的算术函数发生器的设计