| 研究課題/領域番号 |
22H05000
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| 研究種目 |
基盤研究(S)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
大区分J
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
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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| 研究分担者 |
田中 雅光 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (10377864)
中村 宏 東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (20212102)
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)
BYUN ILKWON 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (11007775)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-27 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
194,220千円 (直接経費: 149,400千円、間接経費: 44,820千円)
2025年度: 35,100千円 (直接経費: 27,000千円、間接経費: 8,100千円)
2024年度: 37,310千円 (直接経費: 28,700千円、間接経費: 8,610千円)
2023年度: 39,910千円 (直接経費: 30,700千円、間接経費: 9,210千円)
2022年度: 55,770千円 (直接経費: 42,900千円、間接経費: 12,870千円)
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| キーワード | コンピュータ・アーキテクチャ / 単一磁束量子回路 / 超伝導コンピュータ / 新奇デバイス / 極低温コンピューティング / 超伝導量子コンピュータ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究の狙いは「超伝導デバイスの活用を前提とした新計算原理の創出と革新的コンピューティング技術の開拓」にある。世界最先端となるこれまでの基礎研究を起点とし、1) SFQ回路に最適な情報表現法とそれに基づく極低温演算メカニズムの導出、2) 異種新奇デバイス融合による極低温新メモリ/通信方式の探求、3)これらに基づく極低温超伝導汎用コンピュータ・アーキテクチャの創成、を目指す。
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| 研究実績の概要 |
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、単一磁束量子回路を用いた新しいアーキテクチャを考案した。また、超伝導量子コンピュータを対象とした研究も進めた。各項目の実績概要は以下の通りである。
【新奇デバイス研究開発】強誘電体付き新奇超伝導メモリ技術に関しては、歪みに敏感な超伝導物質を強誘電体基板上に作製し、電圧印加で超伝導特性やジョセフソン接合(JJ)の特性を変調することに成功した。エキシトントランジスタ技術に関しては、デバイスの動作に不可欠な歪量子井戸構造の高品質形成に取り組み，壁層に対してシュードモルフィック成長が可能な井戸層の臨界膜厚を実験的に導出した。また、励起子寿命が主に非平衡型点欠陥によって律速されることを明らかにし、寿命制御の指針を得た。新SFQデバイス/回路技術では、量子干渉素子のパラメータを調整することで、動作速度を同程度に保ちつつスイッチングエネルギーを1桁程度低減した。また、タイミング違反を回避するための同期器に関する検討と詳細設計、回路試作を進めた。
【超伝導コンピュータアーキテクチャ研究開発】超伝導古典コンピューティングに関しては、汎用CPUならびにAI学習アクセラ レータの洗練により、さらなる電力効率の改善を行った。インオーダ型SFQプロセッサ向けの新アーキテクチャを提案し、従来のCMOSアウトオブオーダ型に対し大きな優位性を示した。また、冷凍機内マルチステージ分散メモリアーキテクチャの探索を実施し、VQEアルゴリズムの実行を前提とした古典量子連携の新アーキテクチャを考案した。
【異分野連携(デバイスサイエンス×コンピュータサイエンス)】SFQ回路に着目したモデリング手法を構築し、アプリケーションレベルでは無視できる程度の計算精度低下を許容することで大幅に電力性能を向上できるポテンシャルを見いだした。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
2024年度までの進捗は極めて良好である。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、古典ならびに量子の両面、さらには、これらの融合を見据えた技術開発へと研究を展開できたことは大きな成果である。実際、古典コンピューティングを対象とした超伝導技術においては、世界で初となるビットパラレル・ゲートレベルパイプライン型の汎用プロセッサ・アーキテクチャを提案し、その有効性を実証した。また、量子コンピューティングに関しては、量子ビットでの処理、超伝導回路を用いた古典処理、ならびに、室温での古典処理、の３方式を連携させる新しい方式を提案し、その有効性を示した。これは、超伝導古典技術を基本とし、その研究スコープを量子コンピュータへと拡大した本研究テーマだからこそ実現できたものだと考える。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、以前としてチップ試作のスケジュールに遅れが生じているが、新たなモデリング法の導入やシミュレーション環境構築によりカバーすることができた。
同期器に関しては、タイミング違反が生じたときにフリップフロップの遅延時間が大きくなることに着目し、ソウル大、九大との国際協力により研究を進め、新しい解決指針を見出した。原理実証のためのチップ試作、評価を進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
基本的には2024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。新奇デバイス研究開発においては、これまでに確立してきた各デバイスの要素技術を違いに連携させるフェーズへと移行する。また、アーキテクチャ研究においては、これまでにデバイス連携として進めてきた回路の信頼性モデリングに基づき、現状から一桁の電力効率改善を目指す誤り許容型の新アーキテクチャ開発を加速する。また、現在世界的に注目を集めている誤り耐性量子コンピュータの実現を見据えた方向へと展開予定である。なお、特に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に伴う影響が改善されつつあるが、安定したチップ製造が可能になるまである程度の時間を有すると考えられる。それまでの間は詳細シミュレーションでカバーし、その後チップ試作を加速する。
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| 評価結果 |
中間評価
A+: 想定を超える研究の進展があり、期待以上の成果が見込まれる
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