2013 Fiscal Year Research-status Report
演算エネルギーの熱力学的限界の実験的解明と可逆演算回路への展開
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25630141
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
吉川 信行 横浜国立大学, 工学研究院, 教授 (70202398)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 超伝導材料・素子 / 先端機能デバイス / 低消費電力 / 超高速情報処理 / デバイス設計・製造プロセス / 超伝導回路 / ジョセフソン素子 / 集積回路 |
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| Research Abstract |
超伝導共振法に基づき、断熱モードQFP 回路の演算エネルギーの評価を行った。測定では１つの断熱モードQFP ゲートを高Q 超伝導共振器と結合させ、外部Qをネットワークアナライザにより測定した。この量からQFP ゲートの損失を見積もった。以上の測定により、断熱モードQFPゲートは、10zJのビットエネルギーで動作することを実験により明らかにした。更に、このエネルギーは回路シミュレーションにより得られた結果と一致することを示した。
また、熱雑音を考慮した回路シミュレーションにより、断熱モードQFP ゲートのビットエネルギーの評価を行った。これにより、断熱モードQFP ゲートのビットエネルギーはクロック周波数に比例して減少することを示した。更に低クロック周波数において、断熱モードQFP ゲートの消費エネルギーは、Landauerリミットとして知られるk_BT ln2より小さくなることを明らかにした。この際、ゲートは十分に低エラーレートで動作することを確認した。
一方、３つの３入力QFP 多数決回路で構成される可逆QFPゲートを提案した。提案回路の論理的な可逆性を回路シミュレーションにより調べ、回路が可逆回路として動作することを示した。また、回路のビットエネルギーを評価し、可逆QFPゲートの消費エネルギーは、入力の論理パターンによらず、低クロック周波数でLandauerリミット以下になることを示した。
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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
交付申請書における目標である、断熱モードQFPゲートのエネルギー評価を単一のゲートにおいて実験により検証することができた。これにより得られた10zJのビットエネルギーは、半導体CMOS回路に対して５桁以上の優位性があり、本ゲートの有効性を示すことができた。また、数値シミュレーションにより、Landauerリミット以下のビットエネルギーでの断熱モードQFPゲート、ならびに可逆QFPゲートの動作を確認することができた。以上の成果は、当初目標を十分に達成していると言える。しかしながら、実験による多段の断熱モードQFPゲートを用いたビットエネルギー評価は現在実施中であり、来年度の実施課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
断熱モードQFP 回路の演算エネルギーの評価については、他段の断熱モードQFP回路のエネルギー評価を通して、演算エネルギーの下限値を測定する。情報の消去とコピーに対応する演算エネルギーを測定し、演算のエントロピーとLandauer リミットの関係について考察する。
可逆QFP回路の提案と動作実証については、前年度に提案し、回路シミュレーションによりビットエネルギーの評価を行った可逆QFP回路を試作し、回路の動作実証を試みる。
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[Journal Article] Large-Scale Integrated Circuit Design Based on a Nb Nine-Layer Structure for Reconfigurable Data-Path Processors2014
Author(s)
A. Fujimaki, M. Tanaka, R. Kasagi, K. Takagi, M. Okada, Y. Hayakawa, K. Takata, H. Akaike, N. Yoshikawa, S. Nagasawa, K. Takagi, N. Takagi
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Journal Title
IEICE Trans. Electron.
Volume: E97-C
Pages: 157-165
DOI
Peer Reviewed
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