2019 Fiscal Year Annual Research Report
ポストムーア時代を支える100ギガヘルツ級時空間超伝導コンピューティング
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19H01105
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
井上 弘士 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (80341410)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松永 裕介 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (00336059)
田中 雅光 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10377864)
岩下 武史 北海道大学, 情報基盤センター, 教授 (30324685)
谷本 輝夫 九州大学, 情報基盤研究開発センター, 助教 (60826353)
小野 貴継 九州大学, システムLSI研究センター, 准教授 (80756239)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超伝導コンピューティング / プロセッサ / アーキテクチャ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では4つの研究テーマを設定し，空間計算型ならびに時間計算型のそれぞれに関して超伝導コンピューティングの要素技術を確立するものである．空間計算型SFQプロセッサ技術の確立においては，従来の設計開発資産を基本としSFQプロセッサを実用レベルへと引き上げる．2019年度は，アルゴリズムレイヤーにおける高性能アプリケーション探索，アーキテクチャ・レイヤーにおける命令セット設計，回路レイヤーにおける試作，評価環境構築レイヤーにおけるモデリングを行った．特に，アプリケーションとしては機械学習や高性能シミュレーションで必要とされる行列演算に着目し，データフローマッピングの検討などを進めた．また，回路レイヤーでは低電圧SFQ回路技術を確立し，100 TOPS/W演算器の実証について発表しており，高性能かつ低消費電力な実行基盤を実現するための重要な手がかりを得た．時間計算型SFQプロセッサ技術の確立においては，動的計画法の求解を念頭に，PEアレイ構造を有するSFQ向けアーキテクチャを検討し，SFQ遅延素子を用いた新しいレースロジック・アーキテクチャの探索を進めた．特に，タイムドメインニューラルネットワーク構成方式に着目し，可変抵抗の実現可能性にいて検証を実施した．100 GHz級SFQ回路を対象とする設計自動化技術の確立においては，SFQ回路設計におけるタイミング設計に関して，クロック・タイミングのモデル化を行い、最大動作周波数モデルを構築した．特に，SFQ回路特有のクロッキング方式（カウンターフロー方式，コンカレントフロー方式）の適用方法を整理し，安定した高速動作を実現するための回路設計法へと発展させることができた．
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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
2019年度は概ね順調に研究開発を進めることができた．特に，超高速動作を実現するためのクロッキング方式はSFQ回路設計において最も困難性をもたらす部分であり，これに関してクロッキング方式の利点・欠点の整理，タイミング制約を踏まえた最大動作周波数のモデル化，それに伴う回路構成方式の検討，という設計フローを確立できた．この成果により，今後は安定した高速動作可能なSFQ回路のチップ試作を行うことができる．また，低電圧SFQ回路技術を確立し，今まで以上に電力効率（消費電力当たりの性能）を高めることが可能となってきた．今後は，低電圧SFQ回路を前提とした更なる最適化を進めることができ，一つの方向性を定めたことは研究開発を推進する上でも大きな意義を持つ．また，アーキテクチャ面では，特にメモリ性能がボトルネックとなることが解析結果から判明しており，新たなメモリ構成法の検討が必要であることを見いだした．これも，今後の研究の方向性を定めた大きな成果である．なお，2019年度末からの新型コロナウィルスの影響により，特に名古屋大学との連携に一部支障が出たが，基本的にはリモートでの連携を継続してきた経験があるため，大きな問題にはならなかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
基本的にはこれまでの研究を更に加速し進めていく方針である．しかしながら，最大の懸念は新型コロナウィルスの影響であり，チップ試作を行った後の実測定は名古屋大学の研究室にて実施する必要がある．新型コロナウィルスの感染状況に影響を受けるが，基本的には一回当たりの測定期間は1週間程度であり，随時，タイミングを見計らって実施していく予定である．また，2019年度の研究成果よりSFQによるシフトレジスタ・ベース・メモリの利用効率の改善が重要であることが判明している．今後は，アプリケーションをデータパスにマッピングした際に，効率的にシフトレジスタ・ベース・メモリを活用するためのマイクロアーキテクチャ改良を実施する．加えて，2019年度に確立した動作周波数モデリングやクロッキング方式活用法に基づき，世界最速となる大規模かつ高機能なSFQチップの試作を成功させる予定である．特に，機械学習を見据えたPEアレイ構造を持つSFQアーキテクチャを対象としたゲートレベル・パイプラインのチューニングを進め，そのプロトタイプ実証へと展開する予定である．さらに，最大動作周波数のみならず，面積，消費電力のモデリングも実施し，次年度に向けシステムレベルでの評価を実施するための基盤を構築する計画である．
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