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極限光技術を生かすフォトニック近似コンピューティング

Planned Research

Project AreaPhotonic Computing Highlighting Ultimate Nature of Light
Project/Area Number 22H05193
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (IV)
Research InstitutionNational Institute of Informatics

Principal Investigator

鯉渕 道紘  国立情報学研究所, アーキテクチャ科学研究系, 教授 (40413926)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 安戸 僚汰  京都大学, 情報学研究科, 助教 (00846941)
八巻 隼人  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (20782197)
中野 浩嗣  広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (30281075)
Project Period (FY) 2022-06-16 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥118,820,000 (Direct Cost: ¥91,400,000、Indirect Cost: ¥27,420,000)
Fiscal Year 2025: ¥20,800,000 (Direct Cost: ¥16,000,000、Indirect Cost: ¥4,800,000)
Fiscal Year 2024: ¥20,670,000 (Direct Cost: ¥15,900,000、Indirect Cost: ¥4,770,000)
Fiscal Year 2023: ¥20,280,000 (Direct Cost: ¥15,600,000、Indirect Cost: ¥4,680,000)
Fiscal Year 2022: ¥36,010,000 (Direct Cost: ¥27,700,000、Indirect Cost: ¥8,310,000)
Keywords相互結合網 / フォトニックコンピューティング / 近似コンピューティング
Outline of Research at the Start

本研究では、多値表現能力を極限まで活用するためにフォトニック近似コンピューティングを探究する。本近似コンピューティングでは1つの波長あたり多値処理、すなわち、現行の数倍から十倍の計算処理を目指す点に特徴がある。最終的に、近似コンピューティングとフォトニックコンピューティングの融合を世界に先駆けて実現し、光の極限性能を生かすシステムアーキテクチャを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、光の極限性能を活かすためのシステムアーキテクチャに焦点を当て、光の高速性・多重性を活かした近似コンピューティング技術を研究している。近似コンピューティングは、計算の間違いをある程度許容しつつ、消費エネルギーの削減と計算の実行時間の短縮を実現する。今年度は、まず、光の極限性能の一つである「光子の量子性」に着目し、画像分類のためのニューラルネットワークを構築するシステムアーキテクチャを探求した。具体的には、光量子ネットワークの接続構造をランダムグラフを基に構築することにより、必要な光量子ゲート数(干渉計などの光デバイス数)と推論精度のトレードオフの向上を図った。提案手法を評価した結果、MNISTデータセットにおける画像分類タスクにおいて、従来提案されていた光量子ネットワークの接続構造と比較して、本研究で提案されたランダムな接続構造により、Top-1分類精度が最大で6.15%向上した。このような成果から、光量子ネットワークが機械学習の性能向上に寄与することについての基礎的理解を深めることができた。
次に、レーザーカオスによる意思決定で多腕バンディット問題を解く手法をイジングマシンに適用する研究を行った。組合せ爆発により、従来の多腕バンディットの定式化では腕の数が足りず、解を求めることが困難であった。そこで、並列バンディットアーキテクチャを導入することで、複数のバンディット問題の組み合わせで膨大な解を表現する手法を考案した。GPUを用いたシミュレータを設計し評価した結果、最大カット問題のベンチマークにおいて95%程度の精度で解を求められることを示した。
この他に、光ネットワークにおける効率的経路利用を可能とするトラフィック分散法など、様々な応用問題に取り組み、光と近似コンピューティングに関する新しい技術を開発した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

フォトニック近似コンピューティングを構成する3つの要素技術であるアーキテクチャ、処理系、近似並列計算アルゴリズムの開発は順調に進んでいる。応用問題に対する定量的な成果を得ることができた点、FPGAクラスタの利用が進んだ点が特筆される。

Strategy for Future Research Activity

当初の予定通りに進捗しているため、計画通り残り3年の研究を進める予定である。
応用問題に対する近似解の開発の経験をふまえて、アーキテクチャ、処理系、近似並列計算アルゴリズムの3つの柱の連携を一層深める予定である。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 5 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Solving the QAP by Two-Stage Graph Pointer Networks and Reinforcement Learning2024

    • Author(s)
      Satoko Iida, Ryota Yasudo
    • Journal Title

      arXiv

      Volume: - Pages: 1-7

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Effective switchless inter-FPGA memory networks2023

    • Author(s)
      Truong Thao Nguyen, Kien Trung Pham, Hiroshi Yamaguchi, Yutaka Urino, and Michihiro Koibuchi
    • Journal Title

      Journal of Parallel and Distributed Computing

      Volume: 179 Pages: 104713-104713

    • DOI

      10.1016/j.jpdc.2023.05.002

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Experimental Demonstration of Approximate Communication Based on Radio-Over- Fiber Systems2023

    • Author(s)
      Toshiki Ishimaru, Takatomo Mihana, Michihiro Koibuchi, Tetsuya Kawanishi, and Makoto Naruse
    • Journal Title

      IEEE Access

      Volume: 11 Pages: 65590-65598

    • DOI

      10.1109/access.2023.3290158

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Bandit-based Variable Fixing for Binary Optimization on GPU Parallel Computing2023

    • Author(s)
      Ryota Yasudo
    • Journal Title

      Euromicro International Conference on Parallel, Distributed, and Networ-Based Processing (PDP)

      Volume: -

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A Hardware Trojan Exploiting Coherence Protocol on?NoCs2023

    • Author(s)
      Shikama Yoshiya、Koibuchi Michihiro、Amano Hideharu
    • Journal Title

      International Conference on Parallel and Distributed Computing: Applications and Technologies (PDCAT)

      Volume: - Pages: 301-313

    • DOI

      10.1007/978-3-031-29927-8_24

    • ISBN
      9783031299261, 9783031299278
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The Bonsai Hypothesis: An Efficient Network Pruning Technique2022

    • Author(s)
      Ito Yasuaki、Nakano Koji、Kasagi Akihiko
    • Journal Title

      Artificial Intelligence Applications and Innovations (AIAI)

      Volume: 646 Pages: 229-241

    • DOI

      10.1007/978-3-031-08333-4_19

    • ISBN
      9783031083327, 9783031083334
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 近似コンピューティングで計算機システムの高速化と省電力化を両立しよう!!2024

    • Author(s)
      鯉渕 道紘
    • Organizer
      第6回富士通次世代コンピューティングセミナー
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 画像認識のための光量子ネットワークの配線最適化2023

    • Author(s)
      河野 隆太, 鯉渕 道紘, 成瀬 誠
    • Organizer
      情報処理学会研究報告システム・アーキテクチャ(ARC)2023-ARC-254(22)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] マルチパスルーティングにおけるINTを応用した帯域要求量ベースの動的トラフィック分散2023

    • Author(s)
      佐藤翔,荒巻慎太郎,八巻隼人,三輪忍,本多弘樹
    • Organizer
      第2回情報処理学会インターネットと運用技術(IOT)研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] IP網におけるIn-networkコンテンツキャッシュ2023

    • Author(s)
      大河原 幸哉,八巻 隼人,三輪 忍,本多 弘樹
    • Organizer
      第2回情報処理学会インターネットと運用技術(IOT)研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Approximate Interconnection Networks for Parallel Processing2023

    • Author(s)
      Michihiro Koibuchi
    • Organizer
      13th international symposium on photonics and electronics convergence (ISPEC)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Photonic Approximate Communication Highlighting Ultimate Nature of Light2023

    • Author(s)
      Michihiro Koibuchi
    • Organizer
      11st International Workshop on Computer Systems and Architectures, in conjunction with CANDAR2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 並列アニーリング計算の原理と応用:FPGA,ASIC,GPUの事例2023

    • Author(s)
      安戸 僚汰
    • Organizer
      情報処理学会第63回組込みシステム研究発表会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] フォトニック近似コンピューティング2023

    • Author(s)
      鯉渕 道紘
    • Organizer
      応用物理学会第169回微小光学研究会「光コンピューティングの新たな潮流」
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 極限光変調を生かすフォトニック近似コンピューティング2023

    • Author(s)
      鯉渕 道紘
    • Organizer
      電子情報通信学会2023年総合大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ネットワークトポロジに依存しない相互結合網の設計2023

    • Author(s)
      鯉渕 道紘
    • Organizer
      信学技報(CPSY)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] フォトニックコンピューティング・ネットワーク

    • URL

      https://research.nii.ac.jp/~koibuchi/research02.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2022-06-20   Modified: 2025-04-17  

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