単一磁束量子回路に基づくマイクロプロセッサに関する研究

基于单通量量子电路的微处理器研究

基本信息

批准号：
05J07651
负责人：
田中雅光
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、超伝導デバイスを用いた単一磁束量子(SFQ)回路による超高速マイクロプロセッサの実現を目指し、実際にSFQマイクロプロセッサやその核となる演算部を具現化してその実現可能性、及び高速性と低消費電力性を評価することを目的としている。昨年度は、以前に実証を行ったごく簡単なマイクロプロセッサの高性能化を行うために新しくマイクロプロセッサ全体を設計し、その部分動作を確認した。本年度は高性能化したマイクロプロセッサの完全動作を目指すとともに、さらに高速な演算回路に向けた検討も進めた。本年度得られた成果は以下の通りである。1.新しく設計したマイクロプロセッサはこれまでで最大となる一万素子規模である。電源となるバイアス電流により発生する磁場の影響を防ぐため、バイアス供給線を超伝導体で覆ったセルライブラリを既に横浜国立大学と協力して構築したが、今回、チップ上でバイアス電流を供給する点付近に発生する磁場も悪影響を及ぼすことが分かった。ダイサイズを通常の5mm角から8mm角へと変更し、バイアス供給点から回路を離した結果、高性能マイクロプロセッサの完全動作を確認した。実証したマイクロプロセッサは機能面ではまだ劣るものの、17GHzと25GHzのクロック信号で演算等を行い、ピーク性能は1400MOPS(1秒間に14億演算)と見積もられた。これは現在の半導体プロセッサと概ね同程度の性能である。消費電力は3.4mWで、単位消費電力あたりの性能は半導体と比べて4桁優れていることから、SFQプロセッサを多数並べることで高い性能を発揮できる可能性が示されたといえる。2.実証に成功したマイクロプロセッサは、世界的に見てももっとも複雑で大規模なSFQ回路の動作実証である。今回の評価では、大規模SFQ回路における課題として、バイアス電流に対する動作マージンが減少する問題が見られた。この原因を追究するために、バイアス電流を供給した際にグランド上に流れるリターン電流に着目し、リターン電流を制御するために新しいバイアス電流供給方法の検討を行った。2種類の大規模回路を試作し、評価した結果、バイアス供給法を変えることで動作マージンの拡大が見られた。このことから、今後、バイアス供給方法をより改善する必要があることが明らかとなった。3.今回実証したマイクロプロセッサでは、SFQ回路の高いスループットを回路の簡略化に用いるという思想の下、その端的な実現方法であるビットシリアル処理を特徴とした。しかし、より一層の性能向上には、パラレル処理を導入していく必要がある。その際の問題点の一つは、回路中に複雑なデータパスのループができてしまい、SFQ回路の高いスループットが阻害されることである。高速な演算をSFQ回路で行うための設計手法として、これまでに状態遷移に基づいた新たな演算方法を提案したが、本年度はその応用例としてパラレル方式の算術演算回路を設計した。試作したチップを評価した結果、最高20GHzで演算が行えることを確認し、その有効性を実証した。

在这项研究中，我们的目标是利用超导器件实现使用单通量量子（SFQ）电路的超高速微处理器，并且我们将实际体现SFQ微处理器及其核心运算单元并评估其可行性和目的评估高速和低功耗。去年，我们设计了一个新的整体微处理器，以提高我们之前演示过的一个非常简单的微处理器的性能，并确认了其部分操作。今年，我们以充分发挥高性能微处理器为目标，同时也致力于更高速的运算电路的研究。今年获得的结果如下。 1. 新设计的微处理器是有史以来最大的微处理器，拥有 10,000 个元件。为了防止作为电源的偏置电流产生的磁场的影响，我们已经与横滨国立大学合作构建了一个用超导体覆盖偏置电源线的单元库，但这一次，我们会在芯片上提供偏置电流，结果发现该点附近产生的磁场也会产生负面影响。通过将芯片尺寸从通常的 5 毫米见方更改为 8 毫米见方，并将电路移离偏置电源点，我们确认高性能微处理器可以完全运行。尽管所展示的微处理器在功能方面仍然较差，但它使用 17GHz 和 25GHz 时钟信号进行计算，其峰值性能估计为 1,400 MOPS（每秒 14 亿次运算）。这与当前半导体处理器的性能大致相同。功耗为3.4mW，单位功耗性能比半导体好4个数量级，表明排列多个SFQ处理器实现高性能的可能性。 2.成功演示的微处理器是世界上最复杂、最大规模的SFQ电路运行演示。在此评估中，发现大规模 SFQ 电路的一个问题是偏置电流的工作裕度降低。为了调查其原因，我们着眼于提供偏置电流时在地面上流动的返回电流，并研究了一种新的偏置电流供应方法来控制返回电流。通过对两种类型的大规模电路进行原型设计和评估，发现可以通过改变偏置供电方法来扩大工作裕度。由此可见，今后有必要进一步改进偏置供给方式。 3.我们这次演示的微处理器是基于利用SFQ电路的高吞吐量来简化电路的思想，并且以位串行处理为特色，是一种简单的实现方法。然而，为了进一步提高性能，有必要引入并行处理。这样做的问题之一是它在电路中创建了复杂的数据路径环路，从而抑制了 SFQ 电路的高吞吐量。作为SFQ电路中进行高速计算的设计方法，我们之前提出了一种基于状态转换的新计算方法，今年我们设计了一个并行算术计算电路作为其应用的例子。在评估原型芯片后，我们确认它可以在高达 20GHz 的频率下执行计算，证明了其有效性。

项目成果

期刊论文数量（6）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Design and Implementation of a Pipelined Bit-Serial SFQ Microprocessor, CORE1β

流水线位串行 SFQ 微处理器 CORE1β 的设计和实现

DOI：
发表时间：
2007
期刊：
IEEE Trans.Appl.Supercond (in press)
影响因子：
0
作者：
Y.Yarnnashi;M.Tanaka;A.Akimoto;H.Park;Y.Kaniya;N.Irie;N.Yoshikawa;A.Fujimaki;H.Terai;Y.Hashirmoto
通讯作者：
Y.Hashirmoto

A new design approach for high-throughput arithmetic circuits for single-flux-quantum microprocessors

单通量量子微处理器高通量运算电路的新设计方法

DOI：
发表时间：
2007
期刊：
IEEE Trans.Appl.Supercond. (in press)
影响因子：
0
作者：
M.Tanaka;Y.Yamanashi;Y.Kaniya;A.Akimto;N.Irie;H.Paris;A.Fujimaki;N.Yoshikawa;H.Terai;S.Yorozu
通讯作者：
S.Yorozu

Design of a pipelined 8-bit-serial single-flux-quantum microprocessor with multiple ALUs

具有多个 ALU 的流水线 8 位串行单通量量子微处理器的设计

DOI：
发表时间：
2006
期刊：
Supercond.Sci.Technol. 19, no.5
影响因子：
0
作者：
M.Tanaka;T.Kawamoto;Y.Yamanashi;Y.Kamiya;A.Akimoto;K.Fujiwara;A.Fujimaki;N.Yoshikawa;H.Terai;S.Yorozu
通讯作者：
S.Yorozu

Single-flux-quantum integer multiplier with systolic array structure

具有脉动阵列结构的单通量量子整数乘法器

DOI：
发表时间：
2006
期刊：
Physica C : Superconductivity No.1, Vol. 445-448
影响因子：
0
作者：
K.Obata;M.Tanaka;Y.Tashiro;Y.Kaniya;N.Irie;K.Takagi;N.Takagi;A.Fujimaki;N.Yoshikawa;H.Terai;S.Yorozu
通讯作者：
S.Yorozu

Quantitative evaluation of delay time in the single-flux-quantum circuits

单通量量子电路延迟时间的定量评估