超伝導可逆回路を用いた超低電力計算機の研究

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20J20495
• 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
• 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。

研究成果

• [雑誌論文] Scalable flux controllers using adiabatic superconductor logic for quantum processors (2023)
  • 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 ページ: 013145～013145
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.013145
  • 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 Clocking (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamae Taiki、Takeuchi Naoki、Yoshikawa Nobuyuki
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 33 ページ: 1300704～1300704
  • DOI: 10.1109/TASC.2023.3239833
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adiabatic Quantum-Flux-Parametron: A Tutorial Review (2022)
  • 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 ページ: 251～263
  • DOI: 10.1587/transele.2021SEP0003
  • 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 Currents (2022)
  • 著者名/発表者名: YAMAE Taiki、TAKEUCHI Naoki、YOSHIKAWA Nobuyuki
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Electronics 巻: E105.C ページ: 277～282
  • DOI: 10.1587/transele.2021SEP0004
  • 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
  • 雑誌名: 電子情報通信学会論文誌C 巻: J105-C ページ: 329～338
  • DOI: 10.14923/transelej.2022JCI0003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low-Latency Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Circuit Integrated With a Hybrid Serializer/Deserializer (2022)
  • 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
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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
• [学会発表] Design of a Reversible Quantum-Flux-Parametron 4-bit Arithmetic Logic Unit (2022)
  • 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
  • 国際学会
• [学会発表] An adiabatic quantum-flux-parametron 8-bit ripple carry adder using delay-line clocking (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Yamae, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
  • 学会等名: Applied Superconductivity Conference 2022 (ASC 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Scalable flux controllers using adiabatic quantum-flux-parametron logic for quantum processors (2022)
  • 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)
  • 国際学会
• [学会発表] Design and demonstration of a reversible quantum-flux-parametron 8-word by 4-bit register file (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Yamae, N. Takeuchi, and N. Yoshikawa
  • 学会等名: Applied Superconductivity Conference 2022 (ASC 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Extremely energy-efficient integrated circuit technology beyond the thermodynamic limit (2022)
  • 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)
  • 国際学会 / 招待講演