ウェーハスタック構造型自律再構成超並列コンピュータの研究

1995 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 05044090
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 北陸先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 堀口 進 北陸先端科学技術大学院大学, 情報科学研究科, 教授 (60143012)
• 研究分担者: 沼田 一成 北陸先端科学技術大学院大学, 情報科学研究科, 助手 (50272993) ; 阿部 亨 北陸先端科学技術大学院大学, 情報科学研究科, 助教授 (80222652) ; 武田 利浩 山形大学, 工学部, 助手 (90236472) ; 丹野 州宣 山形大学, 工学部, 教授 (40007018) ; 小林 広明 東北大学, 工学部, 助教授 (40205480) ; 阿曽 弘具 東北大学, 工学部, 教授 (10005522) ; JAIN Vijay 南フロリダ大学, 電子工学科(アメリカ), 教授 ; LOMBARDI Fan テキサスM&A大学, 計算機科学科(アメリカ), 教授 ; KIM Jung Hwa ルイジアナ州立大学, 先端計算機科学科(アメリカ), 準教授 ; KNIGHT Thoma MIT人工知能研究所(アメリカ), 主席研究員 ; TAKETA Hiroshi Faculty of Engineering, Yamagata University Associate Researcher ; SHIMODAIRA Hiroshi Graduate School of Information Science, Japan Advanced Institute of Science and ; THOMAS Knight jr. Arificial Intelligence Laboratory, MIT Professor ; FABRIZIO Lambardi Department of Computer Science Taxas A & M University Professor
• 研究期間 (年度): 1993 – 1995
• キーワード: 超並列システム / 自己診断回路技術 / ウェーハスッタク構造 / 3次元ウェーハ / 自律再構成 / 動的再構成アーキテクチャ / 超並列コンピュータ

研究概要

集積回路技術の発展とともにウェーハ上に高機能・超密度集積回路システム、いわゆるウェーハスケール集積デバイスを実現しようとする研究が、ウェーハスケール・インテグレーションWSI(Wafer Scale Integration)であり、超並列コンピュータを実現する技術として注目されている。これらの研究から、超並列コンピュータ研究で最も重要なことは、柔軟で効率の良いプロセッサ間の結合ネットワーク方式の提案ならびにWSIシステムなどに要求される高信頼性能ならびに高いシステム構成率を達成できる欠陥・故障箇所の救済技術(Fault Tolerance,Defect Tolerance)の研究であることがわかった。現在まで、スーパーコンピュータの処理能力をはるかに凌ぐコンピュータパワーを満足させる超並列コンピュータに対する幾つかの提案がなされてきた。Seitzは、n-バイナリキューブと称されるコスミックキューブ・マルチプロセッサシステムを構築した。また、いくつかの商用マルチプロセッサシステムは、n-バイナリキューブ結合のハイパーキューブ結合網をプロセッサ間結合に採用している。PreparataとVuilleminは、ハイパーキューブ結合の各ノードをループ結合に置き換えた巡回キューブ結合CCC (the cube connected cycles) (CCC)を提案している。3次元超並列コンピュータに関して、M.Little et al.は、32×32のセルラ-アレイを5層のウェーハから成るイメージ処理用3次元コンピュータの試作に成功している。彼らは、同様のシステムでニューロコンピュータの構築を提案し、積層ウェーハ間の結線は非常に短くでき、プロセッサ間のネットワークに適している事を指摘している＼cite{Michael93}。しかしながら、3次元コンピュータで最も重要な欠陥・故障箇所の救済技術やアーキテクチャに関しては十分な研究が成されていなかった。
本研究では、スタック構造型3次元アレイプロセッサのアーキテクチャおよび冗長構成を用いたフォールトトレランスアーキテクチャの提案を行なっている。ここで提案した3次元コンピュータアーキテクチャは、再帰シフト法を用いた自律再構成が可能である。Anuj Chandra et al.はS.Y.Kung et al.により提案された補償パス法を拡張した3D 1/2 トラックモデルについて議論している。しかし、彼らは、2次元アレイプロセッサで開発された2D 1/2トラックモデルを3D 1/2トラックモデルへ拡張する理論検討のみで終っている。本研究では、理論的な検討に留まらず、先に提案した再帰シフト法を用いた自律再構成方式によりスタック構造型超並列コンピュータの欠陥・故障箇所の救済性能を求め、詳しく議論した。
本研究では、現在までのWSIデバイスの詳しい研究・開発動向をサーベイしWSI技術や超並列コンピュータの問題点を議論し、WSIによる超並列コンピュータの可能性を指摘した。これらの詳細な検討により、超並列コンピュータの結合方式の1つである格子結合型マルチプロセッサアーキテクチャならびにWSIへの実装を考慮した再構成方式について詳しく研究を行なった。提案した自律再構成方式と従来の再構成方式について詳細な検討を行ない、自律再構成方式の優れていることを明らかにした。これは、新らしい知見である。また、ハイパーキューブ結合の各ノードをループ結合に置き換えた巡回キューブ結合CCCのWSI構成方式について提案を行なって。CCCのWSI構成方式では、プロセッサ、スイッチやネットワーク結線の面積からシステム歩留まりを解析的に求める方式を示し、その歩留まり性能について検討し、階層型ハイパーキューブ結合によるより高い歩留まりを実現できる冗長構成であることを示した。さらに、超並列コンピュータのプロセッサ結合の直径や平均距離を軽減できるクロスドキューブ結合網を更に改良したHCQ結合を提案した。提案したHCQのネットワーク性能にいついて詳しい解析を与え、優れたネットワークであることを明らかにした。これも、本研究の新らしい有用な知見である。最後に、超並列コンピュータとしてスタック構造型3次元格子結合アレイプロセッサアーキテクチャを提案した。3次元格子結合アレイプロセッサに対する再帰シフト法を用いた自律再構成アルゴリズムについて、詳しい議論を行なった結果、比較的高い欠陥・故障箇所の救済性能が得られる事を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] T.Liu,F.Lombardi,S.Horiguchi and J.H.Kim,: ""A Structureed Walking-1 Approach for the Diagnosis of Interconnects and FPICs"," IEICE Trans.Information and Systems,. Vol.E79-D.No.1,. 29-40 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] F.Lombardi,N.Park and S.Horiguchi: ""On the Mutiple Bridge Fault Diagnosis of Baseline Multistage Interconnection Networks"" submitted to IEICE Trans. Information and Systems. (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] V.K.Jain,T.Ghirmai and S.Horiguchi: ""TESH : A New Hierarchical Interconnection Network for massively Parallel Computing"" submitted to IEEE Trans.on Parallel and Distributed System. (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 井口 寧,堀口 進: "“マルチポートメモリを用いたハイパーキューブ型マルチプロセッサシステム"," 電子情報通信学会論文誌. Vol.J79-D-I.(1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Tanno,T.Taketa and S.Horiguchi,: ""Parallel FFT Algorithms Using Radix 4 Butter Computation on an Eight Neighbor Processor Array"" Parallel Computing. vol.21. 121-136 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] I.Numata and S.Horiguchi: ""Wafer-Scale Integration Implementation of Mesh-Connected Multiprocessor Systems"," Systems and Computers in Japan,. vol.26,No.1,. 1-10 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Liu, F.Lombardi, S.Horiguchi and J.H.Kim: ""A Structureed Walking-1 Approach for the Diagnosis of Interconnects and FPICs"" IEICE Trans. Information and Systems. Vol.E79-D.No.1. 29-40 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] F.Lombardi, N.Park and S.Horiguchi: ""On the Mutiple Bridge Fault Diagnosis of Baseline Multistage Interconnection Networks"" submitted to IEICE Trans. Information and Systems (1996).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] V.K.Jain, T.Ghirmai and S.Horiguchi: ""TESH : A New Hierarchical Interconnection Network for massively Parallel Computing"" submitted to IEEE Trans. on Parallel and Distributed System (1996).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Inoguchi and S.Horiguchi: ""A Hypercube Multiprocessor system with Multiport Memory (in Japanese)"" to be published, IEICE Trans. Information and Systems. Vol.J79-D-1. (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Tanno, T.Taketa and S.Horiguchi: ""Parallel FFT Algorithms Using Radix 4 Butterfly Computation on an Eight-Neighbor Processor Array"" Parallel Computing. Vol.21. 121-136 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] I.Numata and S.Horiguchi: ""Wafer-Scale Integration Implementation of Mesh-Connected Multiprocessor Systems"" Systems and Computers in Japan. Vol.26, No.1. 1-10 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より