単一磁束量子回路を用いた汎用プロセッサのアーキテクチャに関する研究

• Project/Area Number: 23KJ1726
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 60040:Computer system-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 石川 伊織 九州大学, システム情報科学府, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-04-25 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,700,000 (Direct Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2025: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2024: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2023: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 単一磁束量子回路 / ベクトルプロセッサ

Outline of Research at the Start

半導体デバイスの微細化が限界を迎えつつあり、更なるコンピュータの性能向上のためには新たな計算デバイスの開発が求められている。本研究はそのようなデバイスのひとつとして期待される単一磁束量子（SFQ）回路を用い、半導体プロセッサの100倍以上の電力あたり性能のマイクロプロセッサの実現を目指し、SFQ回路向けプロセッサアーキテクチャの探索および評価、さらに、メモリや周辺回路を含めたSFQコンピュータシステムの構築を行う。

Outline of Annual Research Achievements

当年度は単一磁束量子（Single Flux Quantum: SFQ）回路を用いたベクトルプロセッサの性能を評価するための環境の構築を行った。SFQ回路ではゲート1段ごとにパイプラインを区切るゲートレベルパイプラインが適しているなど、CMOSとは異なる特性を有しており、
正確な性能シミュレーションのためにはSFQ回路特有の事項を考慮したコンポーネントのモデルが必要となる。
演算器やデータパスなどのプロセッサの基本的な要素についてはこれまでに提案・評価がなされており、それに基づく評価が可能であるが、ベクトルレジスタファイル等のベクトルプロセッサ特有の要素については提案がなく、性能（アクセスレイテンシ等）のモデリングが必要であった。特にSFQ回路はランダムアクセスメモリの構成に不向きであり、比較的大きな容量のベクトルレジスタファイルを従来のCMOS同様に実装するのは現実的ではなく、循環型シフトレジスタを用いた構成となる。
循環型シフトレジスタは所望のデータを読み出すに当たり、当該データのあるところまでシフトを行い、その後読み出す。そのためデータの存在位置およびシフトレジスタの初期状態によってアクセス時間が大きく異なる。そこで、そのような特性を考慮したモデリングを行っている。
今後、このモデルをプロセッサシミュレータに組み込み、SFQベクトルプロセッサの性能評価およびアーキテクチャ探索を進めてゆく。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の予定と比較すると評価環境の構築に時間がかかっており、未だ具体的なアーキテクチャ探索の段階に到達していない。そのため、研究の進捗としてはやや遅れがあると感じている。

Strategy for Future Research Activity

当年度中に構築を行った評価環境（シミュレータおよびプロセッサコンポーネントの性能モデル）を用いたSFQベクトルプロセッサの性能評価を行い、ボトルネック解析をする。それによりSFQ回路の高速動作を阻害している要素を明らかにし、適切なベクトルプロセッサのアーキテクチャの提案を行う。また、電力および面積についても評価を行い、従来のCMOSプロセッサに対する有効性を明らかにする。そして、これらの結果に基づく論文発表を行う。