2022 Fiscal Year Annual Research Report
Creation and development of superconducting computing technology for post-Moore era
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22H05000
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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) |
田中 雅光 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (10377864)
川上 哲志 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (20845523)
板垣 奈穂 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (60579100)
谷本 輝夫 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (60826353)
浜屋 宏平 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (90401281)
中村 宏 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (20212102)
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| Project Period (FY) |
2022-04-27 – 2027-03-31
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| Keywords | コンピュータ・アーキテクチャ / 超伝導コンピュータ / 極低温コンピューティング / 単一磁束量子回路 / 新奇デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、３つの研究項目が強固に連携して新技術を創出すべく、単一磁束量子（SFQ）回路を用いた全体アーキテクチャの基本概念を精査し、以下のように各項目での研究開発を進めた。
【研究項目1】極低温超伝導-磁性ハイブリッドメモリでは、圧電体上での高品質な超伝導薄膜を作製するための検討を進め、圧電体の歪みで超伝導転移温度が変化する現象を観測し始めている。また、その超伝導薄膜上に希薄磁性薄膜を作製する技術を開発し、磁性ジョセフソン素子の作製も進んでいる。極低温超伝導-光変換では、低温非平衡プラズマを駆使した新材料ZAIONの高品質結晶とヘテロ界面実現に向けた検討を行い、原子レベルで急峻なZION/ZnOヘテロ界面の形成ならびにZION膜のシュードモルフィック成長を実現した（4元系材料のZIONにおいて世界初の観察例）。極低温アプロキシメートSFQ素子では、SFQ回路で生じるエラーのモデリングを進めた。また、これらの成果を俯瞰し、汎用アーキテクチャの実現に向けた機能ならびに非機能要件の洗い出しを行った。
【研究項目2】時空間情報表現と新演算方式では、SFQ回路で構成した各論理ゲートにおけるセットアップ／ホールドタイムの違いを考慮した動作方式の検討を進めた。極低温時空間プロセッサではアーキテクチャ探索のための評価環境整備を行った。冷凍機マルチステージ・メモリアーキテクチャでは、超伝導量子コンピューティングへとスコープを拡大し、冷凍機ステージで搭載すべき機能を検討した。2段階モデリングフレームワークとシミュレータ開発に関しては、研究項目1と連携し、SFQ回路で生じるエラーを反映した高レベル評価法を設計した。
【研究項目3】ランタイムバイアス電圧/動作周波数制御技術に関する研究では、SFQ回路のエラーを許容した際にバイアス電圧の変更や高温動作による電力性能効率改善効果を見積もった。
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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
2022年度は概ね順調に研究開発を進めることができた。特に、研究スコープを単一磁束量子回路を用いた超伝導量子コンピューティングへと拡大し、本提案アーキテクチャの応用展開を広げる方向性を見出したことは大きな成果であった。また、単一磁束量子回路を用いた論理ゲートを前提とし、そのエラーモデルを構築した点は、今後の研究の発展に大きく寄与する成果であったと考える。なお、製造プロセスにおける装置リプレースメントのため、当初想定していたチップ試作を十分に行うことができなかったが、これに関しては詳細シミュレーションを繰り返すことで十分にカバーできた。現状ではチップ試作が可能な状況となりつつあり、状況を見極めながら、2024年度以降に更に加速する予定である。また、新奇デバイス研究開発においても、当初予定してたデバイス構造の試作が進んでおり順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
基本的には2022年度に得た研究成果に基づき、順調に研究を進めていく予定である。特に、2022年度は十分実施できなかったチップ試作に関しては、プロセス装置のリプレースメントのため未だ安定した試作ができる状況にまでは至っていないが、これは今後改善する見込みであり、それに伴い積極的にチップ試作を行う予定である。ただし、プロセス設備の安定稼働（製造ばらつきの抑制なども含む）にはより多くの時間を要する可能性は排除できない。したがって、2022年度と同様、過去の試作の知見を徐々に取り入れつつ、装置リプレースメントの影響が最小限になるよう詳細シミュレーションの繰り返しなどで対応する。また、2022年度は、近年注目を集めている超伝導量子コンピュータにおける本研究成果の展開が見えてきたため、研究スコープを拡大し、研究分担者も増員した。単一磁束量子回路による超伝導古典コンピューティングと超伝導量子コンピューティングの融合という新展開を目指し、2023年度以降は研究を加速する予定である。また、2023年度からは新奇デバイス研究の成果をアーキテクチャ研究へと取り組む活動を開始する予定であり、本研究課題の特徴である分野融合をさらに加速する。
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