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。

我们构建了一个系统，该系统根据用硬件描述语言编写的绝热量子通量参量管 (AQFP) 电路的高度抽象状态来确定门的物理位置以及门之间的布线。利用这种方法，我们成功地合成了最大1024位的加法器，该电路有200万个约瑟夫森结。他们成功合成了比之前研究大10倍以上的电路。由于计算所需的存储器量和计算时间限制了可处理的电路的大小，因此认为有必要改进算法以合成更大的电路。此外，作为实际电路设计，我们设计了使用AQFP电路作为加速器的16位浮点加法器的布局，以降低机器学习计算所需的功耗。结果发现，电路每边都超过20毫米，超出了目前超导器件芯片的面积。为了保持较低的能耗，AQFP 电路从外部电源提供交流电。由于该电源还充当内部逻辑门的时钟，因此可以放置逻辑门的位置受到限制。此外，需要大量对计算没有贡献的存储器来维持计算的时序，并且由于这些因素，电路的形状变得拉长。为了以节省面积的方式设计无反馈的大规模电路，我们发现有必要提出新的电路驱动方法和内部布线方法。当使用模拟来评估所创建的布局的性能时，与最新的 CMOS 电路相比，考虑到维持超导状态所需的能耗，计算速度提高了三倍，能耗降低了 1/90。获得。

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：
Tomoyuki Tanaka; Sukanya S. Meher; Christopher L. Ayala; Yuki Hironaka; Anubhav Sahu; Amol Inamdar; Deepnarayan Gupta;Nobuyuki Yoshikawa
通讯作者：
Nobuyuki Yoshikawa

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：
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

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：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Tomoyuki Tanaka; Christopher L. Ayala; Stephen Whiteley; Eric Mlinar; Aaron Barker; Sam Lo; Jamil Kawa;Nobuyuki Yoshikawa
通讯作者：
Nobuyuki Yoshikawa