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Creation of extremely energy-efficient integrated circuit technology beyond the thermodynamic limit based on reversible quantum flux circuits

Research Project

Project/Area Number 19H05614
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section C
Research InstitutionYokohama National University

Principal Investigator

吉川 信行  横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 教授 (70202398)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 山梨 裕希  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (70467059)
竹内 尚輝  横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(准教授) (00746472)
アヤラ クリストファー  横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(准教授) (90772195)
田中 雅光  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10377864)
牧瀬 圭正  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 特定フェロー (60363321)
Project Period (FY) 2019-06-26 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥199,550,000 (Direct Cost: ¥153,500,000、Indirect Cost: ¥46,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥38,610,000 (Direct Cost: ¥29,700,000、Indirect Cost: ¥8,910,000)
Fiscal Year 2021: ¥41,600,000 (Direct Cost: ¥32,000,000、Indirect Cost: ¥9,600,000)
Fiscal Year 2020: ¥34,970,000 (Direct Cost: ¥26,900,000、Indirect Cost: ¥8,070,000)
Fiscal Year 2019: ¥45,240,000 (Direct Cost: ¥34,800,000、Indirect Cost: ¥10,440,000)
Keywords先端機能デバイス / 超伝導材料・素子 / 超高速情報処理 / デバイス設計・製造プロセス / 低消費電力
Outline of Research at the Start

本研究は、低エネルギー動作を特徴とする断熱的量子磁束回路(AQFP)を用いた双方向演算が可能な可逆回路の学理を明らかにし、論理回路の熱力学的極限を超える究極の低消費エネルギー集積回路を実現する。これにより回路の消費エネルギーを半導体回路に対して6桁以上低減し、冷却電力を考慮しても十分な優位性を生み出す。本研究は可逆AQFP を中核技術とし、回路設計技術、新規可逆回路、プロセッサアーキテクチャ、磁性体を用いた位相シフトAQFP、3 次元集積回路技術を研究し、超省エネ集積回路の基盤技術を確立する。最終目標として100nW 以下の動作が可能な4b可逆AQFPプロセッサの実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、双方向演算が可能な論理回路である可逆断熱的量子磁束パラメトロン(AQFP)を用いて熱力学的極限を超える究極の低消費エネルギー集積回路を実現する。可逆AQFPの学理明らかにすると共に、可逆AQFPを用いた超省エネ集積回路を実現するための基盤技術を確立する。
学理の解明においては、3種類のAQFP演算回路、すなわち(1) 非可逆AQFP回路、(2)ゴミ消去型可逆AQFP回路、(3)完全可逆AQFP回路において、ハードウェアコストと消費エネルギーの面から効率的な可逆論理回路の設計方法を検討した。数百MHzの低周波においては、ゴミ消去型可逆AQFP回路が消費エネルギーの面で優れることを明らかにした。設計基盤技術の確立においては、論理合成ツールにおいてゴミ情報を再利用して回路を簡単化する手法を確立した。新規可逆量子磁束回路の創生においては、多数のAQFPアレイの一斉励起による高い論理機能を持つ可逆論理ゲートのプロトタイプを試作し、その動作を実験により評価した。プロセッサアーキテクチャの研究においては、非可逆AQFPマイクロプロセッサの可逆回路化を行い、ALUやレジスタファイルなどの可逆AQFP回路コンポーネントの動作実証を行った。
位相シフト可逆AQFPゲートの研究においては、AQFP上に置いた強磁性体薄膜の磁化を外部磁場により切り替えることで、機能を切り替える。PdNi合金による強磁性体薄膜の作製プロセスの制御性、再現性が改善したことを確認した。PdNi合金を用いた作製プロセスを念頭に、再構成可能なAQFPゲートの設計を行った。
3次元超伝導回路の高密度集積化においては、最終目標である二段のAQFP回路間に配線層を設けた構造を実現するために、4層配線からなるAQFP回路の下に3層のストリップ構造PTL配線が設置可能なNb11層のデバイスプロセスを開発した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

可逆AQFPの学理の解明においては、情報エントロピーを保存しない非可逆AQFP回路と情報エントロピーを保存する可逆AQFP回路をハードウエア量と消費エネルギーの面から比較した。1GHz以上の周波数ではハードウェアコストの小さな非可逆AQFP回路が消費エネルギーの面で有利であるのに対して、低周波数では可逆性により可逆AQFP回路が優れていることを回路シミュレーションにより明らかにした。一方、多数の可逆AQFP回路を並べたチップを試作して消費エネルギーの実験による評価を試みたが、低抵抗率の基板によるエネルギー損失が大きく、エネルギー評価には至らなかった。今後は、高抵抗率基板を用いた実験を進める予定である。可逆AQFPの設計基盤技術の確立については、情報のゴミを再利用する論理合成方法を確立し、本方法の妥当性を示した。新規可逆量子磁束回路の創生については、EXOR等の複雑な可逆AQFP回路を提案し、その動作を実験的に調べた。新規プロセッサアーキテクチャの研究においては、可逆AQFPプロセッサプロトタイプを設計し、ALUやレジスタファイルなどの可逆回路コンポーネントの試作と動作検証を行った。
位相シフト可逆AQFPゲートの研究については、これまでに強磁性体薄膜の成膜方法等を再検討した結果、PdNi合金による強磁性体薄膜の作製プロセスの制御性、再現性が改善したことを確認した。これを基にPdNi合金を用いた作製プロセスを念頭に、再構成可能なAQFPゲートの設計を行った。
3次元超伝導回路については、現有のAQFP回路を上下2段に配置したデバイス構造を最終目標である二段のAQFP回路間に配線層を設けた構造に進化させるために、AQFP回路の下に3層のストリップ構造PTL配線が設置可能なNb11層のデバイスプロセスを開発した。本プロセスを用いて可逆AQFP経路を試作し、良好な回路特性を得た。

Strategy for Future Research Activity

可逆AQFPの学理の解明においては、チップ上に集積化した多数の可逆AQFP ゲートアレイを用いて可逆AQFP回路の消費エネルギーの実験的評価を試みる。これにより可逆AQFP回路の動作速度と消費エネルギーの関係を実験的に明らかにし、可逆AQFP回路が熱雑音エネルギーを下回る消費エネルギーで動作することを実験的に示す。可逆AQFPの設計基盤技術の確立においては、これまでに開発した可逆回路の論理合成手法の開発をさらに進め、論理記述から可逆AQFPゲートのネットリストを得るツールにおいて、ゴミ情報を再利用するアルゴリズムの効率化を図る。新規可逆量子磁束回路の創生においては、複数のAQFPを相互に磁気結合させた可逆論理ゲートを、数値計算と実験結果に基づいて評価する。AQFPの内部エネルギーと、AQFP同士の磁気結合エネルギーの大きさおよび比が論理ゲートの動作に与える影響を明らかにする。プロセッサアーキテクチャの研究においては、4-bit可逆AQFPマイクロプロセッサの基本アーキテクチャを完成させる。算術演算回路、レジスタファイル、制御回路などの各種可逆AQFP回路コンポーネントを設計してチップ試作を行うとともに、その動作検証を行う。
位相シフト可逆AQFP ゲートの研究においては、強磁性体を導入したゲートを組み合せ、再構成可能な特徴を生かした論理回路の設計、試作、評価を行う。本年度は、強磁性体薄膜の磁化を外部磁場により制御する機構を組み込んだ機能切り替え可能な可逆AQFPゲートを用いた算術論理演算回路の設計を行う。
3次元超伝導回路の高密度集積化においては、これまで培った技術を基にAQFP回路を最下層と最上層に配置し、中間に電源供給層とPTL配線層を設けたダブルAQFP集積回路プロセスの開発を行い、このプロセスを用いて3次元AQFP回路の作製を行う。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Report

(7 results)
  • 2021 Abstract (Interim Assessment) ( PDF )   Annual Research Report   Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Annual Research Report

Research Products

(179 results)

All 2022 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (14 results) Journal Article (27 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Peer Reviewed: 27 results,  Open Access: 4 results) Presentation (134 results) (of which Int'l Joint Research: 48 results,  Invited: 12 results) Book (1 results) Remarks (1 results) Funded Workshop (2 results)

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      Volume: 120 Pages: 062601-062601

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      Volume: 69 Pages: 671-681

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      10.1109/tmtt.2020.3039814

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      Yamae Taiki、Takeuchi Naoki、Yoshikawa Nobuyuki
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      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      Volume: 31 Pages: 1-5

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      10.1109/tasc.2020.3044677

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      Volume: 31 Pages: 1301105-1301105

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      Volume: 56 Pages: 1152-1165

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      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 1975 Pages: 012027-012027

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      Volume: 31 Pages: 1-1

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      10.1109/tasc.2021.3070460

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      Saito Ro、Ayala Christopher Lawrence、Yoshikawa Nobuyuki
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      Volume: - Pages: 1-1

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      Saito Ro、Ayala Christopher L.、Chen Olivia、Tanaka Tomoyuki、Tamura Tomohiro、Yoshikawa Nobuyuki
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      Volume: 31 Pages: 1-5

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      10.1109/tasc.2021.3061636

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      電子情報通信学会論文誌

      Volume: J104-C Issue: 6 Pages: 193-201

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      10.14923/transelej.2020JCI0013

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      1881-0217
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      Yamazaki Yuichi、Takeuchi Naoki、Yoshikawa Nobuyuki
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      Volume: 31 Pages: 1-5

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      Yamae Taiki、Takeuchi Naoki、Yoshikawa Nobuyuki
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      Superconductor Science and Technology

      Volume: 34 Pages: 125002-125002

    • DOI

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      NAGASAWA Shuichi、TANAKA Masamitsu、TAKEUCHI Naoki、YAMANASHI Yuki、MIYAJIMA Shigeyuki、CHINA Fumihiro、YAMAE Taiki、YAMAZAKI Koki、SOMEI Yuta、SEGA Naonori、MIZUGAKI Yoshinao、MYOREN Hiroaki、TERAI Hirotaka、HIDAKA Mutsuo、YOSHIKAWA Nobuyuki、FUJIMAKI Akira
    • Journal Title

      IEICE Trans. Electron.

      Volume: E104.C Issue: 9 Pages: 435-445

    • DOI

      10.1587/transele.2020sup0001

      10.1587/transele.2020SUP0001

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      130008082182

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      IEICE Trans. Electron.

      Volume: E-104C Issue: 9 Pages: 405-410

    • DOI

      10.1587/transele.2020sui0002

      10.1587/transele.2020SUI0002

    • NAID

      130008082178

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      Ayala Christopher L、Saito Ro、Tanaka Tomoyuki、Chen Olivia、Takeuchi Naoki、He Yuxing、Yoshikawa Nobuyuki
    • Journal Title

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      Volume: 33 Pages: 054006-054006

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      Yamae Taiki、Takeuchi Naoki、Yoshikawa Nobuyuki
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      Journal of Applied Physics

      Volume: 126 Pages: 173903-173903

    • DOI

      10.1063/1.5119306

    • NAID

      120006786475

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      Volume: 115 Pages: 072601-072601

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      10.1063/1.5111599

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      2020年度春季低温工学・超電導学会、1C-a02、オンライン、2020年 7月28-30日
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      山田 剛久、齋藤 蕗生、田中 智之、Ayala Christopher、吉川 信行
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      2020年度春季低温工学・超電導学会、1C-a03、オンライン、2020年 7月28-30日
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      浅井 和人、竹内 尚輝、山梨 裕希、吉川 信行
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      2020年度春季低温工学・超電導学会、1C-p01、オンライン、2020年 7月28-30日
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      田中 智之、AYALA Christopher、吉川 信行
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      2020年度春季低温工学・超電導学会、1C-p02、オンライン、2020年 7月28-30日
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      2020年度春季低温工学・超電導学会、1C-p03、オンライン、2020年 7月28-30日
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      高橋 大地、山梨 裕希、吉川 信行
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      2020年度春季低温工学・超電導学会、1C-p05、オンライン、2020年 7月28-30日
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      高川 佳大、竹内 尚輝、山梨 裕希、吉川 信行
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      2020年度春季低温工学・超電導学会、1C-p06、オンライン、2020年 7月28-30日
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      山﨑 祐一、竹内 尚輝、吉川 信行
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      2020年度春季低温工学・超電導学会、1C-p07、オンライン、2020年 7月28-30日
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      伊東 大樹、竹内 尚輝、山梨 裕希、吉川 信行
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      2020年度春季低温工学・超電導学会、1C-p09、オンライン、2020年 7月28-30日
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      2020年度春季低温工学・超電導学会、1C-p10、オンライン、2020年 7月28-30日
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      吉川 信行
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      令和2年電気学会基礎・材料・共通部門大会、3-A-a1-2、オンライン、2020年9月3日
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      令和2年電気学会基礎・材料・共通部門大会、3-A-p1-3、オンライン、2020年9月3日
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      令和2年電気学会基礎・材料・共通部門大会、3-A-p1-5、オンライン、2020年9月3日
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      伊東 大樹、竹内 尚輝、山梨 裕希、吉川 信行
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      2020年第81回応用物理学会秋季学術講演会、8a-Z24-8、オンライン、2020年9月8日
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      2020年第81回応用物理学会秋季学術講演会、8a-Z24-9、オンライン、2020年9月8日
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      山栄 大樹、竹内 尚輝、吉川 信行
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      2020年第81回応用物理学会秋季学術講演会、8p-Z27-17、オンライン、2020年9月8日
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      山田剛久、Christopher L. Ayala、齋藤蕗生、田中智之、吉川信行
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      2020年電子情報通信学会ソサイエティ大会、C-8-1、オンライン、2020年9月17日
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      2020年度秋季第100回低温工学・超電導学会、1C-a06、京都大学吉田キャンパス(京都府)+オンライン、2020年12月8日
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      13th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2020), Yokohama, Japan, January 16-17, 2020
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      13th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2020), Yokohama, Japan, January 16-17, 2020
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      2020年第67回応用物理学会春季学術講演会、13a-B408-1、上智大学四谷キャンパス(東京都)、2020年 3月13日
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      N. Yoshikawa, N. Takeuchi, C. Ayala, O. Chen, Y. He, Y. Yamanashi
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      N. Yoshikawa
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  • [Presentation] High-Speed and High-Sensitivity Sensor Readout and Signal Processing using Superconducting Circuits2019

    • Author(s)
      N. Yoshikawa
    • Organizer
      Workshop on the Future of Silicon Detector Technologies (FuTuRe), Erfurt, Germany, December 2-3, 2019
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Investigation of influence by flux trapping for interconnection of adiabatic quantum-flux-parametron circuits2019

    • Author(s)
      T. Tanaka, C. L. Ayala, N. Yoshikawa
    • Organizer
      The 32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019), Kyoto, Japan, December 3-5, 2019
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of Majority-Logic-Based Top-Down Environment for Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Circuits2019

    • Author(s)
      R. Saito, C. L. Ayala, O. Chen, T. Tanaka, N. Yoshikawa
    • Organizer
      The 32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019), Kyoto, Japan, December 3-5, 2019
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Design-For-Testability Components for Large-Scale Digital Circuits2019

    • Author(s)
      C. L. Ayala, N. Takeuchi, N. Yoshikawa
    • Organizer
      The 32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019), Kyoto, Japan, December 3-5, 2019
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Investigation on the Method to Evaluate the Energy Dissipation of General Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Logic Gates2019

    • Author(s)
      T. Yamae, N. Takeuchi, N. Yoshikawa
    • Organizer
      The 32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019), Kyoto, Japan, December 3-5, 2019
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  • [Presentation] 断熱的量子磁束パラメトロン16-bit桁上げ先読み加算器の誤動作原因の解析2019

    • Author(s)
      田中智之、アヤラ クリストファー、チェン オリビア、齋藤蕗生、吉川信行
    • Organizer
      電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会、SCE2019-27、東北大学 電気通信研究所、2019年10月10日
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  • [Presentation] 任意の断熱量子磁束パラメトロン論理ゲートの消費エネルギー評価方法の検討2019

    • Author(s)
      山栄大樹、竹内尚輝、吉川信行
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      電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会、SCE2019-28、東北大学 電気通信研究所、2019年10月10日
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  • [Presentation] Adiabatic Quantum Flux Parametron 回路のためのTop Down環境の開発2019

    • Author(s)
      齋藤蕗生、Christopher L. Ayala、Olivia Chen、田中智之、吉川信行
    • Organizer
      電気学会金属・セラミックス超電導機器合同研究会、MC-19-004、ASC-19-010、ちよだプラットフォームスクエア本館、2019年11月7日
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  • [Presentation] 直結式量子磁束パラメトロン回路における回路パラメータの最適化2019

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      石田椋平、山栄大樹、竹内尚輝、吉川信行
    • Organizer
      電気学会金属・セラミックス超電導機器合同研究会、MC-19-006、ASC-19-012、ちよだプラットフォームスクエア本館、2019年11月7日
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  • [Presentation] 断熱量子磁束パラメトロン回路と単一磁束量子回路間のインターフェース回路の設計と動作実証2019

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      山﨑祐一、山栄大樹、竹内尚輝、吉川信行
    • Organizer
      電気学会金属・セラミックス超電導機器合同研究会、MC-19-007、ASC-19-013、ちよだプラットフォームスクエア本館、2019年11月7日
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  • [Presentation] 熱雑音を考慮した断熱量子磁束パラメトロン回路のシミュレーションと実験的評価2019

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      伊東大樹、竹内尚輝、山梨裕希、吉川信行
    • Organizer
      電気学会金属・セラミックス超電導機器合同研究会、MC-19-008、ASC-19-014、ちよだプラットフォームスクエア本館、2019年11月7日
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  • [Presentation] 断熱量子磁束パラメトロン回路を用いた32-word by 8-bitレジスタファイルの設計2019

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      田村智大、竹内尚輝、Ayala Christopher、山梨裕希、吉川信行
    • Organizer
      電気学会金属・セラミックス超電導機器合同研究会、MC-19-009、ASC-19-015、ちよだプラットフォームスクエア本館、2019年11月7日
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  • [Presentation] 広帯域クライオプローブの評価と電極パッドの影響2019

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      鈴木秀雄、竹内尚輝、吉川信行
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      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会、C-8-7、大阪大学豊中キャンパス(大阪)、2019年 9月13日
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  • [Presentation] Adiabatic Quantum Flux Parametron 回路のためのMajority-Logic Top Down環境の開発2019

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      齋藤蕗生、Christopher Ayala、Olivia Chen、田中智之、山田剛久、吉川信行
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      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会、C-8-10、大阪大学豊中キャンパス(大阪)、2019年 9月13日
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  • [Presentation] 断熱量子磁束パラメトロン16-bit 桁上げ先読み加算器の設計と評価2019

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      田中智之、Christopher L. Ayala、Olivia Chen、齋藤蕗生、吉川信行
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      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会、C-8-11、大阪大学豊中キャンパス(大阪)、2019年 9月13日
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  • [Presentation] Josephson-CMOSハイブリッドメモリにおける断熱的量子磁束パラメトロンの入力感度の調査2019

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      弘中祐樹、竹内尚輝、山梨裕希、吉川信行
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      2019年電子情報通信学会ソサイエティ大会、C-8-12、大阪大学豊中キャンパス(大阪)、2019年 9月13日
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  • [Presentation] 断熱量子磁束パラメトロン回路と単一磁束量子回路間のインターフェース回路の設計2019

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      山崎祐一、山栄大樹、竹内尚輝、吉川信行
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      2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会、北海道大学札幌キャンパス(北海道)、2019年 9月20日
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      田村智大、竹内尚輝、Christopher Ayala、山梨裕希、吉川信行
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      2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会、北海道大学札幌キャンパス(北海道)、2019年 9月20日
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      山栄大樹、竹内尚輝、吉川信行
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      2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会、北海道大学札幌キャンパス(北海道)、2019年 9月20日
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      伊東大樹、竹内尚輝、山梨裕希、吉川信行
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      2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会、北海道大学札幌キャンパス(北海道)、2019年 9月20日
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      竹内尚輝、何魚行、吉川信行
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      2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会、北海道大学札幌キャンパス(北海道)、2019年 9月20日
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  • [Presentation] 単一磁束量子マイクロプロセッサを用いたJosephson-CMOSハイブリッドシステムの動作実証2019

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      弘中祐樹、山梨裕希、吉川信行
    • Organizer
      令和元年基礎・材料・共通部門大会、4-C-a2-4、岩手大学上田キャンパス(岩手県)、2019年 9月4日
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  • [Book] Fundamentals and Frontiers of the Josephson Effect2019

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      Editors: Tafuri Francesco
    • Publisher
      Springer Nature
    • ISBN
      9783030207243
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      https://www.yoshilab.dnj.ynu.ac.jp/yoshilab_hp/index.html

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Published: 2019-06-27   Modified: 2022-12-28  

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