多値情報処理技術が拓くデバイスを活かす配線主体の集積回路システム

• Project/Area Number: 23K20958
• Project/Area Number (Other): 21H01381 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: 弓仲 康史 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (30272272)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2025: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 情報通信工学 / 多値論理 / 高速信号伝送 / 高速伝送回路設計 / 波形等化技術 / 高速インタフェース / 多値情報処理 / 等化回路

Outline of Research at the Start

半導体デバイスの極限微細化による高性能化と伝送データの大容量化に伴い、電気配線による高速信号伝送の要求が高まりつつある。しかし、配線の寄生容量等に起因する波形劣化により高速信号伝送が困難となり、トランジスタの処理能力が十分に活かされずにVLSIシステム全体の動作速度が配線に律速される問題が顕在化している。

本研究課題では、無線通信の分野で用いられている高度な符号化・信号処理技術が、VLSIシステムの情報伝送の高性能化に適用可能であることを新たな着眼点とし、「配線の高性能化に着目したデバイスを活かす集積回路の設計および評価技術体系の構築」を検討する。

Outline of Annual Research Achievements

近年、データセンターなどのデータ伝送量増大の要求により、高速通信技術の必要性が高まっている。しかしながら、電子回路基板やケーブル等の伝送路のローパスフィルタ特性により、受信信号の波形劣化が生じ、受信エラーが発生するなど、データ速度制限がVLSIシステム全体の性能を律速しつつある。これに対し、無線通信で用いられている高度な符号化および信号処理技術をVLSIシステムの有線データ伝送の高性能化に適用し、高速高効率な情報伝送を可能とする配線主体の集積回路システムの設計理論から回路実装・評価に至る技術体系の構築を本研究の目的とする。特に、次世代高速データ伝送規格で採用された多値符号化およびディジタル信号処理アシストに基づく波形整形技術に基づき、「多値情報処理技術が拓くデバイスを活かす新概念の高速信号伝送システムの応用展開」をシミュレーションおよび実測により検討する。

R5年度は、「多値信号特有の波形等化技術の検討とそのシミュレーションおよび実測による評価」ならびに「シンボルの2次元マッピングによる受信信号品質評価手法の検討」を行った。特に、劣化した伝送波形品質の評価を目的として独自に提案している2次元シンボルマッピングによる多値高速信号の伝送品質評価手法のMATLABシミュレーションを行い、波形等化による劣化波形の補正効果の視覚化の検討、および時間軸方向の符号間干渉の影響を視覚化した3次元マッピングへの拡張を検討した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

R5年度は「多値信号特有の波形等化技術の検討とそのシミュレーションおよび実測による評価」ならびに「シンボルの2次元マッピングによる受信信号品質評価手法の検討」をR4年度より継続して推進した。また、関連の国際会議の開催および得られた研究成果の国際会議発表と英文の学術論文への投稿(採録)による積極的な国際発信を行った。

[1. 多値信号波形等化技術の検討とそのシミュレーションおよび実測による評価] 4値信号特有の遷移パターンに着目した波形等化(イコライズ)回路の検討を行った。(1) 多値符号特有の符号遷移に着目した係数設定を行い、同一次数のイコライザにおける波形整形能力の向上を実現した。(2) 時間軸方向の波形整形改善を目的とし、等価的にサンプリング周波数を2倍とした分数遅延イコライザの等価変換に基づくイコライザの回路構成と係数設定手法を再検討した。
[2. シンボルの2次元マッピングによる受信信号品質評価手法の応用展開] 伝送信号品質評価に際しては、アイパターンが広く用いられている。これに対し、受信信号の現在と1つ前のシンボル値を2次元マッピングする伝送品質評価手法を独自に提案している。アイパターンが閉じている伝送路条件でも、シンボルの重複度合いを評価可能とすると共に、2次元マッピングの傾き補正により、1次のイコライザによる波形整形の効果を可視化できることを8値信号においても明らかにした。
[3. 多値論理国際シンポジウム開催による研究成果の国際発信] 多値論理研究において世界で最も権威のある多値論理国際会議（2023年5月、島根県松江）をプログラム委員長としてとりまとめ、3年ぶりの対面実施となる国際会議を開催した。これにより、多値論理研究の成果を世界に発信し、本課題のさらなる研究推進と若手研究者の育成を行った。

Strategy for Future Research Activity

集積回路システムやデータセンターなどの高速高効率な有線信号伝送の実現を目指し、符号化や信号処理技術を駆使した高速信号伝送の要素技術に関する理論的考察とハードウェア実装に向けたシミュレーション評価をR6年度も引き続き行う。特に、独自提案技術である『受信シンボルの2次元マッピングによる多値信号伝送品質評価手法の検討』を推進する。さらに、関連の国際会議の開催や、研究成果の国際会議での発表、英文学術論文への投稿など、国際的な成果の公開を行う。
[1.多値信号波形等化技術の検討とそのシミュレーションおよび実測による評価]　2値信号と比較し、複雑な遷移パターンを有する4値信号のためのイコライズ技術の高性能化を検討する。(1) 多値信号の遷移パターンに着目し、インパルス応答特性に基づく従来とは異なる係数設定手法の検討と等化能力の可視化による評価を継続して実施する。(2) 任意波形発生装置によりイコライズ波形をエミュレートし、各種伝送路における劣化波形に対する提案の波形整形技術の効果の評価を行う。
[2.受信シンボルの2次元/3次元マッピングによる伝送品質評価手法の検討]　符号間干渉および要求されるイコライザ性能の視覚化が可能である2次元シンボルマッピングの考察を深化する。さらに、時間軸情報を考慮した3次元マッピングへの拡張によるジッタ耐性の評価など、適用可能な応用分野の展開を目指す。
[3.多値論理国際シンポジウムによる研究成果の国際発信]　多値論理研究において世界で最も権威のある多値論理国際会議[ISMVL2024]（2024年5月、チェコ・ブルノ）のプログラム副委員長として会議開催運営を担当している。国際会議の実施により、科研費で実施した研究成果を世界に発信すると共に、異分野融合の国際研究の推進と若手研究者の育成を行う。また、国際会議発表の研究内容をとりまとめ、学術論文への投稿を行う。

Research Products

• [Journal Article] Evaluating PAM-4 Data Transmission Quality using Multi-Dimensional Mapping of Received Symbols (2024)
  • Author(s): Y. Yuminaka, K. Nakajima, and Y. Iijima
  • Journal Title: IEICE Transactions on Information and Systems Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of Multi-Valued Data Transmission in Two-Dimensional Symbol Mapping using Linear Mixture Model (2024)
  • Author(s): Y. Iijima, A. Okasa, and Y. Yuminaka
  • Journal Title: IEICE Transactions on Information and Systems Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multi-Valued Data Transmission Quality Evaluation Using Two-Dimensional PAM-4 Symbol Mapping (2023)
  • Author(s): K. Nakajima, Y. Iijima, and Y. Yuminaka
  • Journal Title: Journal of Applied Logics - IfCoLog Journal of Logics and their Applications Volume: 10 Pages: 973-991
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Efficient PAM-4 Symbol Estimation Using Soft Clustering (2022)
  • Author(s): Y. Iijima and Y. Yuminaka
  • Journal Title: IfCoLog Journal of Logics and their Applications Volume: 9 Pages: 675-686
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] PAM-4 Eye-Opening Monitor Technique Using Gaussian Mixture Model for Adaptive Equalization (2021)
  • Author(s): Y. Iijima, K. Taya, and Y. Yuminaka
  • Journal Title: IEICE Transactions on Information and Systems Volume: E104.D Issue: 8 Pages: 1138-1145
  • DOI: 10.1587/transinf.2020LOP0007
  • NAID: 130008070398
  • ISSN: 0916-8532, 1745-1361
  • Year and Date: 2021-08-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Statistical Waveform Evaluation Method for Adaptive PAM-4 Equalization (2021)
  • Author(s): K. Taya, Y. Yuminaka, and Y. Iijima
  • Journal Title: IfCoLog Journal of Logics and their Applications Volume: 8 Pages: 1087-1099
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 多値遷移特徴に基づく波形整形手法に関する検討 (2024)
  • Author(s): 岡田 篤典、飯島 洋祐、弓仲 康史
  • Organizer: 第37回多値論理とその応用研究会技術研究報告
• [Presentation] 符号間干渉を利用したRelaxation DACの考察 (2024)
  • Author(s): 高木美咲、石田凪斗、弓仲康史
  • Organizer: 第37回多値論理とその応用研究会技術研究報告
• [Presentation] PAM-4 Data Transmission Quality Evaluation Using Two- and Three-Dimensional Mapping of Received Symbols (2023)
  • Author(s): Y. Yuminaka, K. Nakajima, and Y. Iijima
  • Organizer: IEEE Proc. 53rd International Symposium on Multiple-Valued Logic
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation and Symbol Classification of Multi-Valued Signaling Using Two-Dimensional Symbol Mapping with Linear Mixture Model (2023)
  • Author(s): Y. Iijima, K. Nakajima, and Y. Yuminaka
  • Organizer: IEEE Proc. 53rd International Symposium on Multiple-Valued Logic
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Results of Symbol Classification using Two-dimensional Mapping on FPGA (2023)
  • Author(s): Y. Sugiyama, Y. Iijima, and Y. Yuminaka
  • Organizer: 32nd International Workshop on Post-Binary ULSI Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FFE Coefficient Setting Using Symbol Transition Information of PAM-4 Signals (2023)
  • Author(s): N. Ishida and Y. Yuminaka
  • Organizer: 32nd International Workshop on Post-Binary ULSI Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 受信シンボルの2次元および3次元マッピングによるPAM-4データ伝送品質評価 (2023)
  • Author(s): 弓仲 康史、中嶋 一晴、飯島 洋祐
  • Organizer: 電気学会 電子回路研究会
• [Presentation] 多値信号波形整形のためのダブルレートFeed-forward equalizerの考察 (2023)
  • Author(s): 長谷川 颯、弓仲 康史
  • Organizer: 第46回多値論理Forum
• [Presentation] 第53回多値論理国際シンポジウム報告 (2023)
  • Author(s): 弓仲 康史、飯島 洋祐
  • Organizer: 第46回多値論理Forum
• [Presentation] PAM-4 Data Transmission Quality Evaluation Using Two- and Three-Dimensional Mapping of Received Symbols (2023)
  • Author(s): Y. Yuminaka, K. Nakajima, and Y. Iijima
  • Organizer: IEEE Proc. 53rd Int. Symp. Multiple-Valued Logic
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation and Symbol Classification of Multi-Valued Signaling Using Two-Dimensional Symbol Mapping with Linear Mixture Model (2023)
  • Author(s): Y. Iijima, K. Nakajima, and Y. Yuminaka
  • Organizer: IEEE Proc. 53rd Int. Symp. Multiple-Valued Logic
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two-Dimensional Symbol Mapping for Evaluating Multi-Valued Data Transmission Quality (2022)
  • Author(s): Y. Iijima K. Nakajima, and Y. Yuminaka
  • Organizer: IEEE Proc. 52nd Int. Symp. Multiple-Valued Logic
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pre-Emphasis Technique for PAM-4 Signaling Using Code Transition Information (2022)
  • Author(s): T. Yonekawa and Y. Yuminaka
  • Organizer: 31st International Workshop on Post-Binary ULSI Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 受信シンボルの3次元マッピングによるPAM-4信号伝送品質評価 (2022)
  • Author(s): 中嶋 一晴、弓仲 康史、飯島 洋祐
  • Organizer: 第45回多値論理Forum
• [Presentation] 第52回多値論理国際シンポジウム報告 (2022)
  • Author(s): 弓仲 康史、夏井 雅典
  • Organizer: 第45回多値論理Forum
• [Presentation] Two-Dimensional Symbol Mapping for Evaluating Multi-Valued Data Transmission Quality (2022)
  • Author(s): Y. Iijima K. Nakajima, and Y. Yuminaka
  • Organizer: IEEE Proc. 52nd International Symposium on Multiple-Valued Logic
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 連続時間線形イコライザを用いた多値信号伝送の波形整形技術の検討 (2022)
  • Author(s): 塚越 翔，弓仲 康史
  • Organizer: 第35回多値論理とその応用研究会技術研究報告
• [Presentation] 符号遷移情報を用いたPAM-4 信号のプリエンファシス技術 (2022)
  • Author(s): 米川 俊彰，弓仲 康史
  • Organizer: 第12回 電気学会東京支部栃木・群馬支所合同研究発表会
• [Presentation] 受信シンボルの2次元マッピングによるPAM-4信号の符号間干渉評価 (2022)
  • Author(s): 中嶋 一晴，弓仲 康史，飯島 洋祐
  • Organizer: 第12回 電気学会東京支部栃木・群馬支所合同研究発表会
• [Presentation] Efficient PAM-4 Data Transmission with Closed Eye Using Symbol Distribution Estimation (2021)
  • Author(s): Y. Iijima and Y. Yuminaka
  • Organizer: IEEE Proc. 51st International Symposium on Multiple-Valued Logic
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 第51回多値論理国際シンポジウム報告 (2021)
  • Author(s): 弓仲 康史，夏井 雅典
  • Organizer: 第44回多値論理Forum
• [Remarks] 弓仲研究室Webページ
  • URL: https://yumilab.ei.st.gunma-u.ac.jp/
• [Remarks] 研究室Webページ
  • URL: http://cs3.el.gunma-u.ac.jp
• [Funded Workshop] 53rd IEEE International Symposium on Multiple-Valued Logic（第53回多値論理国際シンポジウム） (2023)