2018 Fiscal Year Research-status Report
A Study on Optical Computer Design through Photonics and Electronics Co-Optimization
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17K19975
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
石原 亨 名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (30323471)
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2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 計算機システム / フォトニック結晶 / 光集積回路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光スイッチの信号遅延は、状態を変化させるためのスイッチング遅延と光信号を伝搬させるためのパス遅延に分類できる。光スイッチを光が伝搬する信号伝搬遅延はCMOS論理ゲートの1/100～1/50倍程度と非常に小さいが、光スイッチが状態を遷移させるためのスイッチング遅延はCMOSゲートより2倍以上大きい。つまり、光スイッチの光出力と次段の光スイッチの光入力を直列に接続して回路を構成すればCMOS論理回路よりも数十倍高速な回路が構成できるが、光スイッチの光出力を次段のスイッチの電気制御端子に接続する方法で回路を構成するとCMOS論理回路よりも低速となる。上述の考察に基づき、平成30年度は光スイッチを直列に接続するセレクタ論理に基づく光論理回路の構成法を検討した。光スイッチを直列に接続することで高速に信号を伝搬させることができるが、光スイッチを伝搬する信号の減衰は、光スイッチの直列段数の指数に比例する。従って、直列に接続される光スイッチの数が多くなれば、光源に強い光信号を用いる必要があり、光集積回路全体の消費電力が膨大となる。そこで、本年度は光集積回路の光の減衰を低減する回路設計手法を考案し、並列乗算器などを対象として手法の効果を検証した。また、セレクタ論理に基づく回路は、最悪の場合では素子数が入力数の指数に比例して大きくなる問題がある。そこで、本年度は光の波の性質を利用し、波長分割多重により一つの回路を複数の論理関数で共有する手法を考案した。さらに、並列乗算に適切な近似を導入することにより、光集積回路に適した回路アーキテクチャが構成できることを明らかにした。具体的には、2変数の積が、これらの変数の対数の和に置き換えられることに注目し、2変数の対数値を導出する際に適切な近似を導入することにより、回路の大部分を光スイッチの直列接続によって構成する並列乗算器のアーキテクチャを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では、初年度に光集積回路に適した関数の分類を行うと同時に光集積回路の実現に適した回路構造を明らかにする、としていた。この計画通り、本年度は光スイッチを直列に接続するセレクタ論理に基づく光論理回路の構成法を検討した。その結果、セレクタ論理に基づいて光スイッチを直列に接続することで高速に信号を伝搬させることができるが、光スイッチを伝搬する信号の減衰は、光スイッチの直列段数の指数に比例すること明らかとなった。そこで、本年度は光集積回路の光の減衰を低減する回路設計手法を考案し、並列乗算器などを対象として手法の効果を検証した。さらに、セレクタ論理に基づく回路は、最悪の場合では素子数が入力数の指数に比例して大きくなる問題がある。そこで、本年度は光の波の性質を利用し、波長分割多重により一つの光集積回路を複数の論理関数で共有する手法を考案した。波長の異なる光信号は互いに干渉を起こさないため、同一の回路に別々の波長をもつ光信号を入射することにより、複数の論理演算を並列で実行することが可能となる。研究成果は国内外の学会で発表し、発表者の学生はIEICE VLD Excellent Student Author Award for ASP-DAC 2019を受賞した。さらに、並列乗算に適切な近似を導入することにより、光集積回路に適した回路アーキテクチャが構成できることを明らかにした。具体的には、2変数の積が、これらの変数の対数の和に置き換えられることに注目し、2変数の対数値を導出する際に適切な近似を導入することにより、回路の大部分を光スイッチの直列接続によって構成する並列乗算器のアーキテクチャを明らかにした。研究成果は国内外の研究会で発表し、好評を得ている。上述の通り、当初の計画通り研究は順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は本年度行った検討を元に光論理回路の素子数低減法や光の電力損失を低減する手法を一般化する予定である。特にセレクタ論理を用いた光論理回路に対する素子数低減法や電力損失低減法は、現時点では手法の発案を行っただけの状況であり、手法の限界が明らかになっていない。また、現時点では手法の理論構築を行った段階であり、具体的な論理関数に適用した際の回路特性の解析が十分に行えていない。今後は、手法の一般化を行うことにより素子数低減および電力損失低減の限界を明らかにする。また、セレクタ論理に基づく光論理回路の光源での消費電力は光スイッチの直列段数の指数に比例する。そこで、セレクタ論理に基づく光論理回路を適切に多段化することにより、遅延を増大させることなく光源の総消費電力を削減する手法を確立する。上述のセレクタ論理に基づく光論理回路の実現法や素子数低減法および電力損失低減法を具体的な論理関数に適用することにより光論理回路を設計し、回路シミュレーションにより回路動作の検証を行うとともに回路特性の評価を行う予定である。具体的には商用の光集積回路シミュレータによって光スイッチとCMOS論理ゲートが混載する光電融合回路をシミュレーション可能である。このシミュレータを最大限活用する。
さらに、本年度行った検討を元に光論理回路をニューラルネットワークに適用する方法を検討する予定である。特にニューラルネットワークの処理には多数の積和演算が使用されるため、光回路に適した近似乗算アルゴリズムの検討は非常に重要である。次年度は、積和演算に対してより大胆な量子化などの近似を導入することにより超高速かつ低消費電力な光ニューラルネットワークの実現を検討する。
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| Causes of Carryover |
本年度までの研究の成果によって非常に興味深い新たな知見が得られたため、当初の計画を拡張して研究を実施することとした。具体的には、本年度行った光乗算アルゴリズムの検討の結果、光集積回路はニューラルネットワークにおける配列ベクトル積の計算に適した特性を持つことが明らかになった。特に波長分割多重と光の干渉を用いることにより複数の積和演算を一つの小規模な光集積回路で並列実行できる可能性が明らかになった。そこで、研究テーマをニューラルネットワークにまで拡張するとともに研究期間を延長して研究を継続することとした。具体的な検討事項として、本年度検討した近似乗算アルゴリズムを元に光集積回路をニューラルネットワークに適用する方法を検討する予定である。特にニューラルネットワークの処理には多数の積和演算が使用されるため、光集積回路に適した近似乗算アルゴリズムの検討は非常に重要である。次年度は、積和演算に対してより大胆な量子化などの近似を導入することにより超高速かつ低消費電力な光ニューラルネットワークの実現を検討する。このため追加の理論解析やシミュレーション実験を次年度に実施する予定である。既にいくつかの成果が得られつつあり、研究の成果は積極的に国際会議や論文誌にて発表する予定である。
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Research Products
(9 results)
