断熱的量子磁束回路を用いた超低消費電力機械学習システムの実現

利用绝热量子通量电路实现超低功耗机器学习系统

基本信息

批准号：
22KJ1404
负责人：
田中智之
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1404/
关键词：
断熱量子磁束パラメトロン

项目摘要

断熱量子磁束パラメトロン（AQFP）回路をハードウェア記述言語で書かれた抽象度の高い状態から、物理的なゲートの配置とゲート間の配線を決定するシステムを構築した。本手法を用いることで、最大で1024-bitの加算器の合成に成功し、この回路は200万個のジョセフソン接合を持つ。先行研究と比較して10倍以上大きな回路の合成に成功した。計算に必要なメモリーの量と計算時間が取り扱える回路の大きさを制限しているため、さらに大きな回路の合成にはアルゴリズムの改良が必要と考えられる。また、実際の回路設計として機械学習の計算に必要な消費電力を削減するためのアクセラレーターとして、AQFP回路を使った16-bit 浮動小数点加算器のレイアウト設計を行った。その結果、回路の１辺が20 mm 以上になり、現在の超伝導デバイスのチップの面積に収まらないということが分かった。AQFP回路は消費エネルギーを低く抑えるために、外部から交流電流を与えている。この電源が、内部の論理ゲートのクロックを兼ねているため、論理ゲートを配置できる位置は制限される。加えて、演算のタイミングを維持するための計算に寄与しないメモリーが多数必要であり、これらの原因により、回路の形状が細長くなってしまう。フィードバックを持たない大規模な回路を面積の効率よく設計するためには、新たなの回路の駆動方式や内部配線の方法の提案が必要であることがわかった。作成したレイアウトからシミュレーションによって性能を最新のCMOS回路と評価したところ、超伝導状態を維持するために必要な消費エネルギーを加味して、3倍高速かつ、90分の1の消費エネルギーで計算できるという結果が得られた。

已经构建了一个系统，以确定用硬件说明语言编写的高级抽象的物理门布置和门之间的接线。使用此技术，我们成功地合成了高达1024位的加法器，该电路具有200万个约瑟夫森连接。我们已经成功合成了比以前的研究大10倍以上的电路。由于计算所需的内存量和计算时间限制了可以处理的电路的大小，因此认为改进算法是合成更大电路所必需的。此外，作为减少机器学习计算所需的功耗作为实际电路设计所需的功耗，我们使用AQFP电路设计了16位浮点加法器的布局。结果，发现电路的一侧为20毫米或更多，并且不适合当前超导设备的芯片区域。 AQFP电路提供了外部AC电流，以保持能耗低。由于此电源还可以作为内部逻辑门的时钟，因此可以将逻辑门的位置受到限制。此外，需要许多记忆，这些记忆并不有助于计算以维持计算的时间，这些原因使电路形状延长。已经发现，为了有效设计没有反馈的大型电路，有必要提出新的电路驾驶方法和内部接线方法。当使用我们创建的布局中的模拟评估性能时，我们发现可以考虑维持超导状态所需的能源消耗，得出三倍和1/90的能源消耗。

项目成果

期刊论文数量（4）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

シノプシス/ハイプレス(米国)

Synopsys/Hipress（美国）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Demonstration of a hybrid superconductor logic computation system using single flux quantum and adiabatic quantum-flux-parametron logic families

使用单通量量子和绝热量子通量参数逻辑系列的混合超导逻辑计算系统的演示

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Tanaka Tomoyuki;Meher Sukanya S.;Ayala Christopher L.;Hironaka Yuki;Sahu Anubhav;Inamdar Amol;Gupta Deepnarayan;Yoshikawa Nobuyuki
通讯作者：
Yoshikawa Nobuyuki

A full-custom design flow and a top-down RTL-to-GDS flow for adiabatic quantum-flux-parametron logic using a commercial EDA design suite

使用商业 EDA 设计套件的绝热量子通量参数逻辑的全定制设计流程和自上而下的 RTL 到 GDS 流程

DOI：
10.1109/tasc.2023.3261267
发表时间：
2023
期刊：
IEEE Transactions on Applied Superconductivity
影响因子：
1.8
作者：
Tanaka Tomoyuki;Ayala Christopher L.;Whiteley Stephen;Mlinar Eric;Barker Aaron;Chen Song;Belov Anton;Barbee Troy;Kawa Jamil;Yoshikawa Nobuyuki
通讯作者：
Yoshikawa Nobuyuki