超伝導単一磁束量子回路向け新機軸算術演算回路とその設計自動化の探求

超导单通量量子电路创新算术运算电路及其设计自动化探索

• 批准号: 22K11961
• 负责人: 鬼頭 信貴
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Chukyo University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K11961/
• 关键词: 単一磁束量子回路; 算術演算回路; 設計自動化; 超伝導回路

本研究は超高速かつ省エネルギな論理回路を設計可能なデバイスである超伝導単一磁束量子(RSFQ)回路を対象として、その性質を活用した新機軸の算術演算回路の開発と、RSFQ回路の自動設計手法の開発を目的とする。RSFQ回路が電圧パルスを用いる性質を新機軸の演算手法にくみあわせることでコンパクトかつ高性能な回路の実現を目指す。本年度は以下の2点に関して研究を進めた。1. 確率を用いて計算を行う手法であるストカスティックコンピューティングをRSFQ回路で実現するにあたり、計算クロックサイクル数を削減するための部分多重化手法を提案し、国際会議発表を行った。ストカスティックコンピューティングでは回路を小さく設計できるメリットがあるが、一方で演算サイクル数が大きくなる問題がある。超高速なRSFQ回路で半導体回路より一桁以上高いクロック周波数で動作させることで緩和できるが、さらに回路を多重化することで高速な演算手法とすることが期待できる。提案手法では多項式の計算回路を対象とし、多重化部分を論理ゲート一つで実現する。2. RSFQ回路の論理合成における回路ステージ数を考慮したテクノロジマッピング手法を提案した。RSFQ回路では各論理ゲートはクロック信号に同期して動作する。半導体と同様のゼロスキュークロッキングを想定する場合、各論理ゲートはパイプラインステージとして動作する。このため、回路内の再収斂する経路では段数が揃うように記憶素子の挿入が必要になる。提案手法ではクロック信号なしで動作するクロックレスゲートを導入することで記憶素子の数・クロックトゲートの数を削減する。提案手法は査読付き学術論文として掲載された。

本研究重点开发利用超导单通量量子（RSFQ）电路特性的创新算术运算电路，这些器件可以设计超高速和节能逻辑电路，目的是开发自动设计。方法。我们的目标是将使用电压脉冲的RSFQ电路的特性与创新的计算方法相结合，实现紧凑且高性能的电路。今年，我们主要做了以下两点研究。 1. 我们提出了一种部分复用方法，以减少实现随机计算时的计算时钟周期数，这是一种使用概率、使用RSFQ电路进行计算的方法，并在国际会议上提出了该方法。随机计算的优点是能够设计更小的电路，但存在计算周期数增加的问题。这个问题可以通过使用工作在比半导体电路高一个数量级的时钟频率的超高速RSFQ电路来缓解，但可以预期的是，可以通过以下方式实现高速计算方法：复用电路。该方法针对多项式计算电路，并用单个逻辑门实现复用部分。 2.我们提出了一种考虑RSFQ电路逻辑综合中电路级数的技术映射方法。在RSFQ电路中，每个逻辑门与时钟信号同步操作。当假设零偏斜时钟类似于半导体时，每个逻辑门都作为流水线级运行。因此，需要插入存储元件，以使电路的再收敛路径的级数相等。所提出的方法通过引入无需时钟信号运行的无时钟门来减少存储器元件和时钟门的数量。所提出的方法已作为同行评审的学术论文发表。

项目成果

Accuracy Improvement of Polynomial Computing RSFQ Circuits Based on Stochastic Computing by Partial Duplication

基于部分复制随机计算的多项式计算RSFQ电路精度提高

• 发表时间: 2022
• 作者: Moeka Tsuji;Nobutaka Kito
• 通讯作者: Nobutaka Kito

Technology Mapping With Clockless Gates for Logic Stage Reduction of RSFQ Logic Circuits

用于减少 RSFQ 逻辑电路逻辑级的无时钟门技术映射

• DOI: 10.1109/tasc.2023.3245049
• 发表时间: 2023
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity
• 影响因子: 1.8
• 作者: Kito Nobutaka;Kawaguchi Takahiro;Takagi Kazuyoshi;Takagi Naofumi
• 通讯作者: Takagi Naofumi

部分多重化によるStochastic Computingに基づく 多項式演算 RSFQ 回路の精度向上

通过部分复用提高基于随机计算的多项式计算RSFQ电路的精度

• 发表时间: 2022
• 作者: 辻 萌佳;鬼頭信貴
• 通讯作者: 鬼頭信貴