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超伝導可逆回路を用いた超低電力計算機の研究

研究課題

研究課題/領域番号 20J20495
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
研究機関横浜国立大学

研究代表者

山栄 大樹  横浜国立大学, 理工学府, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2022年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード可逆計算 / 超伝導回路 / 量子磁束パラメトロン / 断熱ロジック
研究開始時の研究の概要

本研究では、計算に伴う消費エネルギーを無限小にすることが可能な可逆量子磁束パラメトロン(AQFP)回路を用いた超低消費エネルギー計算システムの実現を目的とする。大規模回路実現にむけたセルライブラリの構築、可逆論理回路の設計手法の確立、消費エネルギーの計算及び実証方法の検討を行うことで可逆計算システムの実現を目指す。可逆AQFP回路を用いた集積回路が半導体回路と比較して低消費エネルギーであることを数値計算と実験の両面から示す。

研究実績の概要

本年度では、超伝導集積回路である断熱量子磁束パラメトロン(AQFP)回路による可逆計算が可能な可逆AQFP回路を用いた超低消費エネルギー計算機の実現にむけたマイクロプロセッサの設計と消費エネルギーを測定するための大規模AQFP回路の設計を行った。
設計したマイクロプロセッサは、昨年度までに設計及び動作実証を行った算術論理演算器とレジスタファイルを組み合わせたものである。このマイクロプロセッサの消費エネルギーを数値計算を用いて計算した結果、従来の不可逆回路と比較して低消費エネルギーであることを確認した。これは、初年度に検討した回路本来の機能として関係ない可逆性を保証するために必要であるゴミ情報を消去した際に必要な消費エネルギーを見込んでも十分小さいことが確認できた。
AQFP回路が低消費エネルギーであることを実験的に示すために、AQFP回路の消費エネルギーを測定するための回路を設計した。AQFPゲート単体の消費エネルギーは非常に小さいため、それ自体を測定することは困難である。そこで、チップ内に多数のAQFPゲートを集積し、回路全体の消費エネルギーの測定を行うことでゲートあたりの消費エネルギーを見積もることを検討した。消費エネルギーは、AQFP回路が動作している場合と動作していない場合の電力を観測し、それらの差から算出することが可能である。現在回路の試作途中であり、回路が完成できしだい測定を行う予定である。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (46件)

すべて 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 1件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (35件) (うち国際学会 16件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Scalable flux controllers using adiabatic superconductor logic for quantum processors2023

    • 著者名/発表者名
      Takeuchi Naoki、Yamae Taiki、Luo Wenhui、Hirayama Fuminori、Yamamoto Tsuyoshi、Yoshikawa Nobuyuki
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 5 号: 1 ページ: 013145-013145

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.5.013145

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] An Adiabatic Quantum-Flux-Parametron 8-bit Ripple Carry Adder Using Delay-Line Clocking2023

    • 著者名/発表者名
      Yamae Taiki、Takeuchi Naoki、Yoshikawa Nobuyuki
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 33 号: 5 ページ: 1300704-1300704

    • DOI

      10.1109/tasc.2023.3239833

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 超低電力コンピューティングのための断熱磁束量子パラメトロンのパラメータ設計法2022

    • 著者名/発表者名
      竹内 尚輝、山栄 大樹、鈴木 秀雄、吉川 信行
    • 巻
      J105-C
    • 号
      11
    • ページ
      329-338
    • DOI

      10.14923/transelej.2022JCI0003

    • ISSN
      1881-0217
    • 年月日
      2022-11-01
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Adiabatic Quantum-Flux-Parametron: A Tutorial Review2022

    • 著者名/発表者名
      TAKEUCHI Naoki、YAMAE Taiki、L. AYALA Christopher、SUZUKI Hideo、YOSHIKAWA Nobuyuki
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Electronics

      巻: E105.C 号: 6 ページ: 251-263

    • DOI

      10.1587/transele.2021SEP0003

    • NAID

      130008142639

    • ISSN
      0916-8524, 1745-1353
    • 年月日
      2022-06-01
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Adiabatic Quantum-Flux-Parametron with Delay-Line Clocking Using Square Excitation Currents2022

    • 著者名/発表者名
      YAMAE Taiki、TAKEUCHI Naoki、YOSHIKAWA Nobuyuki
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Electronics

      巻: E105.C 号: 6 ページ: 277-282

    • DOI

      10.1587/transele.2021SEP0004

    • NAID

      130008142637

    • ISSN
      0916-8524, 1745-1353
    • 年月日
      2022-06-01
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Low-Latency Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Circuit Integrated With a Hybrid Serializer/Deserializer2022

    • 著者名/発表者名
      Hironaka Yuki、Yamae Taiki、Ayala Christopher L.、Yoshikawa Nobuyuki、Takeuchi Naoki
    • 雑誌名

      IEEE Access

      巻: 10 ページ: 133584-133590

    • DOI

      10.1109/access.2022.3230447

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Planarized Nb 4-Layer Fabrication Process for Superconducting Integrated Circuits and Its Fabricated Device Evaluation2021

    • 著者名/発表者名
      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
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Electronics

      巻: E104.C 号: 9 ページ: 435-445

    • DOI

      10.1587/transele.2020SUP0001

    • NAID

      130008082182

    • ISSN
      0916-8524, 1745-1353
    • 年月日
      2021-09-01
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design and Demonstration of Directly Coupled Quantum-Flux-Parametron Circuits With Optimized Parameters2021

    • 著者名/発表者名
      Ishida Ryohei、Takeuchi Naoki、Yamae Taiki、Yoshikawa Nobuyuki
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 31 号: 5 ページ: 1100505-1100505

    • DOI

      10.1109/tasc.2021.3059723

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] An Adiabatic Superconductor Comparator With 46 nA Sensitivity2021

    • 著者名/発表者名
      Takeuchi Naoki、Yamae Taiki、Suzuki Hideo、Yoshikawa Nobuyuki
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 31 号: 5 ページ: 1-5

    • DOI

      10.1109/tasc.2021.3061947

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Adiabatic quantum-flux-parametron with delay-line clocking: logic gate demonstration and phase skipping operation2021

    • 著者名/発表者名
      Yamae Taiki、Takeuchi Naoki、Yoshikawa Nobuyuki
    • 雑誌名

      Superconductor Science and Technology

      巻: 34 号: 12 ページ: 125002-125002

    • DOI

      10.1088/1361-6668/ac2e9f

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Binary Counters Using Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Logic2021

    • 著者名/発表者名
      Yamae Taiki、Takeuchi Naoki、Yoshikawa Nobuyuki
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Applied Superconductivity

      巻: 31 号: 2 ページ: 1-5

    • DOI

      10.1109/tasc.2020.3044677

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 可逆量子磁束パラメトロン回路を用いた8-word by 4-bitレジスタファイルの動作実証2022

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      2022年電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Design of a Reversible Quantum-Flux-Parametron 4-bit Arithmetic Logic Unit2022

    • 著者名/発表者名
      T. Yamae, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      2022 JSPS 146th Committee International Symposium on Superconductor Electronics, 15th Superconducting SFQ VLSI Workshop, 4th Workshop on Quantum and Classical Cryogenic Devices, Circuits, and Systems
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] An adiabatic quantum-flux-parametron 8-bit ripple carry adder using delay-line clocking2022

    • 著者名/発表者名
      T. Yamae, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2022 (ASC 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Scalable flux controllers using adiabatic quantum-flux-parametron logic for quantum processors2022

    • 著者名/発表者名
      N. Takeuchi, T. Yamae, W. Luo, F. Hirayama, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2022 (ASC 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Design and demonstration of a reversible quantum-flux-parametron 8-word by 4-bit register file2022

    • 著者名/発表者名
      T. Yamae, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference 2022 (ASC 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Extremely energy-efficient integrated circuit technology beyond the thermodynamic limit2022

    • 著者名/発表者名
      N. Yoshikawa, T. Yamae, and N. Takeuchi
    • 学会等名
      35th International Symposium on Superconductivity (ISS 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 10 kA/cm2 Nb 平坦化プロセスを用いた断熱量子磁束パラメトロン回路の歩留まり評価2022

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Delay-line clockingを用いた断熱量子磁束パラメトロン8-bit加算器の動作実証2022

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      2022年電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Delay-line clockingを用いたフィードバックループを持つ断熱量子磁束パラメトロンデータパスの検討2021

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 可逆量子磁束パラメトロン回路を用いた4-bit算術論理演算器の動作実証2021

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      2021年電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 可逆磁束量子パラメトロン回路の論理合成の最適化に関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤蕗生, Christopher L. Ayala, 竹内尚輝, 山栄大樹, 吉川信行
    • 学会等名
      2021年電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 可逆量子磁束パラメトロン回路の高周波測定2021

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 断熱量子磁束パラメトロン回路のための可逆論理合成ツールの開発2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤蕗生, Ayala Christopher L. , 竹内尚輝, 山栄大樹, 吉川信行
    • 学会等名
      電気学会金属・セラミックス超電導機器合同研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Demonstration of adiabatic quantum-flux-parametron logic gates using delay-line clocking2021

    • 著者名/発表者名
      T. Yamae, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      15th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation on the energy dissipation required for data erasure in reversible quantum-flux-parametron circuits2021

    • 著者名/発表者名
      T. Yamae, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      15th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Reversible Logic Synthesis for Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Logic2021

    • 著者名/発表者名
      R. Saito, C. L. Ayala, N. Takeuchi, T. Yamae, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      15th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Design and demonstration of a serializer/deserializer for adiabatic quantum-flux-parametron logic with delay-line clocking2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Hironaka, T. Yamae, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      15th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Low-Energy, Low-Current Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Circuits for Sub-Kelvin Operation2021

    • 著者名/発表者名
      N. Takeuchi, T. Yamae, M. Naruse, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      14th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV2021) and 3rd Workshop on Quantum and Classical Cryogenic Devices, Circuits, and Systems (QCCC2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimization of Reversible Logic Synthesis for Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Logic2021

    • 著者名/発表者名
      R. Saito, C. L. Ayala, N. Takeuchi, T. Yamae, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      The 34th International Symposium on Superconductivity (ISS2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Delay-line clockingを用いた断熱量子磁束パラメトロン論理ゲートの検討と評価2021

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Delay-line clockingを用いた断熱的量子磁束パラメトロン回路のためのシリアライザ/デシリアライザ回路の設計2021

    • 著者名/発表者名
      弘中祐樹, 山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 矩形励起電流を用いたdelay-line clockingによる断熱量子磁束パラメトロンの動作実証2021

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      2021年電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] AQFP回路を用いた可逆回路の論理合成2021

    • 著者名/発表者名
      齋藤蕗生, Christopher L. Ayala, 竹内尚輝, 山栄大樹, 吉川信行
    • 学会等名
      2021年電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 低エネルギー可逆超伝導回路の開発2020

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      ナノ学会第18回大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 断熱量子磁束パラメトロン回路を用いたアップダウンカウンタの設計と評価2020

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      2020年度春季第99回低温工学・超電導学会研究発表会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 最適回路パラメータを用いた直結式量子磁束パラメトロン回路の動作実証2020

    • 著者名/発表者名
      石田椋平, 竹内尚輝, 山栄大樹, 吉川信行
    • 学会等名
      2020年度春季第99回低温工学・超電導学会研究発表会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Numerical evaluation and experimental demonstration of reversible superconducting logic2020

    • 著者名/発表者名
      Taiki Yamae, Naoki Takeuchi, Nobuyuki Yoshikawa
    • 学会等名
      令和2年電気学会基礎・材料・共通部門大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 可逆量子磁束パラメトロン・フリップフロップの消費エネルギーの検討2020

    • 著者名/発表者名
      山栄大樹, 竹内尚輝, 吉川信行
    • 学会等名
      2020年第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 直結式量子磁束パラメトロン回路における配線長の改善2020

    • 著者名/発表者名
      石田椋平, 竹内尚輝, 山栄大樹, 吉川信行
    • 学会等名
      2020年第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 電流トランスを用いた高感度AQFPコンパレータ2020

    • 著者名/発表者名
      竹内尚輝, 山栄大樹, 鈴木秀雄, 吉川信行
    • 学会等名
      2020年第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Study and demonstration of a high-sensitivity adiabatic quantum-flux-parametron with an input transformer2020

    • 著者名/発表者名
      T. Yamae, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference (ASC2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Demonstration of interfaces between adiabatic quantum-flux-parametron and rapid single-flux-quantum circuits using the MIT-LL SFQ5ee process2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Hironaka, Y. He, C. L. Ayala, N. Takeuchi, T. Yamae, S. S. Meher, A. Inamdar, D. Gupta, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference (ASC2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Design and demonstration of an 8-word by 1-bit reversible quantum-flux-parametron register file2020

    • 著者名/発表者名
      T. Yamae, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference (ASC2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A reversible 8-bit adder using adiabatic quantum-flux-parametron logic2020

    • 著者名/発表者名
      N. Takeuchi, T. Yamae, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference (ASC2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Design and demonstration of directly-coupled quantum-flux-parametron circuits with optimized circuit parameters2020

    • 著者名/発表者名
      R. Ishida, N. Takeuchi, T. Yamae, and N. Yoshikawa
    • 学会等名
      Applied Superconductivity Conference (ASC2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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