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2016 年度 実績報告書

確率的演算に基づく超低消費電力IPパケット処理LSI実現に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 26700003
研究機関東北大学

研究代表者

鬼沢 直哉  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (90551557)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2018-03-31
キーワード計算機システム
研究実績の概要

昨年度までに提案したIPパケット処理向き検索アルゴリズムを元に,低消費電力性の実証を目的としたチップ実装のため,ハードウェアアーキテクチャの再検討を行った.
昨年度設計したハードウェア(IEEE JETCAS, vol. 6, no. 1, pp. 13-24, 2016)は,ある一種類のパターン検索に特化したハードウェアであったために,非常に面積効率がよいものであった.しかしながら,対象とするパターンのサイズや種類が変更となった場合,提案ハードウェアでは対応が難しいという問題があった.
そこで本年度は,異なるサイズ・種類のパターン検索に対応可能な,Network-on-Chip(NoC)ベースのフレキシブルなハードウェアアーキテクチャの検討を行った.NoCではRouterをベースにチップ内データ転送を実現することから,ハードウェアでありながら動的にデータ転送の接続先を変更可能である.つまり,記憶させたいパターンに応じて,検索処理に必要なデータ転送を設定可能となるため,異なるサイズ・種類のパターン検索が可能となる.
ハードウェア実装を行う前に,System Cによるシミュレータを実装し,データベース検索への適用・評価を行った.このシミュレーション結果により,様々なデータパターンへの適用が可能であることがわかったため,この結果を元にハードウェア設計を行っている段階である.
この研究成果は,NEWCAS2017(2017年6月)で発表予定である.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本年度は昨年度考案した検索アルゴリズムをベースに,ハードウェア設計・チップ実装を行う予定であった.
しかしながら,昨年度提案のハードウェアは,ある1種類のデータパターンに対しては非常に面積効率がよかったものの,汎用性が低いという問題が発覚した.
そのため,従来ハードウェアアーキテクチャを拡張させ,様々なデータパターン検索に対応可能なアーキテクチャを検討,及びシミュレーションによる評価を行った.
そのため,本年度提案の新ハードウェアアーキテクチャに基づくチップ実装を,次年度(H29年度)に行うこととしたため,研究計画よりもやや遅れている状況である.

今後の研究の推進方策

最終年度であるH29年度は,H28年度提案のNoCベースのハードウェアアーキテクチャのチップ実装を行う.使用するプロセスは,従来の計画と同様にTSMC 65nm CMOSプロセスを用いる予定である.
NoCベースのハードウェア実装に向けては,提案Sparse Clustered Networks(SCN)に基づく検索アルゴリズムのハードウェア化に加えて,NoC部分もハードウェア化する必要がある.NoCに必要なコンポーネントは,NoC内のデータ転送の行き先の制御を行うManager,チップ内データ転送の衝突回避を制御するRouter,データの到来に応じた検索処理を行うProcessing Elementsである.
上記のコンポーネントを含めてチップ実装を行い,そのチップ測定を行うことで,提案方式の低消費電力性の実証を行う.

次年度使用額が生じた理由

計画では本年度提案アルゴリズム・ハードウェアに基づくチップ実装(TSMC 65nm CMOSプロセスを使用)を行う予定であった.しかしながら,提案ハードウェアを拡張させることで,ある一種類のデータパターンに特化した検索処理だけでなく,サイズ・種類の異なる様々なデータパターンに対応する,新たなハードウェアアーキテクチャを考案した.
そのため,チップ試作用に計上していた予算による未使用額が生じた.

次年度使用額の使用計画

このため,最終年度であるH29年度に実施予定のチップ試作費用として,未使用額はその経費に充てることにしたい.

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 3件、 査読あり 7件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 8件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] McGill University(カナダ)

    • 国名
      カナダ
    • 外国機関名
      McGill University
  • [国際共同研究] University of Southern Brittany/Telecom Bretagne(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      University of Southern Brittany/Telecom Bretagne
  • [雑誌論文] Area/Energy-Efficient Gammatone Filters Based on Stochastic Computation2017

    • 著者名/発表者名
      N. Onizawa, S. Koshita, S. Sakamoto, M. Abe, M. Kawamata, and T. Hanyu,
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems

      巻: 25, 10 ページ: 2724-2735

    • DOI

      10.1109/TVLSI.2017.2687404

    • 査読あり
  • [雑誌論文] VLSI Implementation of Deep Neural Networks Using Integral Stochastic Computing2017

    • 著者名/発表者名
      A. Ardakani, F. Leduc-Primeau, N. Onizawa, T. Hanyu, and W. J. Gross
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems

      巻: 25, 10 ページ: 2688-2699

    • DOI

      10.1109/TVLSI.2017.2654298

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Sudden Power-Outage Resilient In-Processor Checkpointing for Energy-Harvesting Nonvolatile Processors2017

    • 著者名/発表者名
      N. Onizawa, A. Mochizuki, A. Tamakoshi, and T. Hanyu
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing (TETC)

      巻: 5, 2 ページ: 151-163

    • DOI

      10.1109/TETC.2016.2604083

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Soft/Write-Error Resilient CMOS/MTJ Nonvolatile Flip-Flop Based on Majority-Decision Shared Writing2017

    • 著者名/発表者名
      N. Onizawa, and T. Hanyu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 56 ページ: 04CF12~1-6

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A Generalized Stochastic Implementation of the Disparity Energy Model for Depth Perception2017

    • 著者名/発表者名
      K. Boga, F. Leduc-Primeaur, N. Onizawa, K. Matsumiya, T. Hanyu, and W. J. Gross
    • 雑誌名

      Journal of Signal Processing Systems (JSPS)

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1007/s11265-016-1197-3

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Analog-to-Stochastic Converter Using Magnetic Tunnel Junction Devices for Vision Chips2016

    • 著者名/発表者名
      N. Onizawa, D. Katagiri, W. J. Gross, and T. Hanyu
    • 雑誌名

      IEEE Trans. on Nanotechnology

      巻: 15 ページ: 705-714

    • DOI

      10.1109/TNANO.2015.2511151

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Standby-Power-Free Integrated Circuits Using MTJ-Based VLSI Computing2016

    • 著者名/発表者名
      T. Hanyu, T. Endoh, D. Suzuki, H. Koike, Y. Ma, N. Onizawa, M. Natsui, S. Ikeda, and H. Ohno
    • 雑誌名

      Proc. of the IEEE

      巻: 104 ページ: 1843-1863

    • DOI

      10.1109/JPROC.2016.2574939

    • 査読あり
  • [学会発表] NoC-MRAM Architecture for Memory-Based Computing: Database-Search Case Study2017

    • 著者名/発表者名
      M. Rizk, J.-P. Diguet, N. Onizawa, M. J. Sepulveda, Y. Akgul, V. Gripon, A. Baghdadi, and T. Hanyu
    • 学会等名
      15th IEEE International New Circuits and Systems Conference (NEWCAS)
    • 発表場所
      ストラスブール(フランス)
    • 年月日
      2017-06-25 – 2017-06-28
    • 国際学会
  • [学会発表] Three-Terminal MTJ-Based Nonvolatile Logic Circuits with Self-Terminated Writing Mechanism for Ultra-Low-Power VLSI Processor2017

    • 著者名/発表者名
      T. Hanyu, D. Suzuki, N. Onizawa, and M. Natsui
    • 学会等名
      Design, Automation & Test in Europe (DATE) 2017
    • 発表場所
      ローザンヌ(スイス)
    • 年月日
      2017-03-27 – 2017-03-31
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] A Soft/Write-Error Resilient CMOS/MTJ Nonvolatile Flip-Flop Based on Majority-Decision Shared Writing2016

    • 著者名/発表者名
      N. Onizawa, and T. Hanyu
    • 学会等名
      2016 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
    • 発表場所
      つくば国際会議場(つくば市)
    • 年月日
      2016-09-26 – 2016-09-29
    • 国際学会
  • [学会発表] VLSI Implementation of Deep Neural Networks Using Integral Stochastic Computing2016

    • 著者名/発表者名
      A. Ardakani, F. Leduc-Primeau, N. Onizawa, T. Hanyu, and W. J. Gross
    • 学会等名
      6th International Symposium on Turbo Codes & Iterative Information Processing
    • 発表場所
      ブレスト(フランス)
    • 年月日
      2016-09-16 – 2016-09-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Redundant STT-MTJ-Based Nonvolatile Flip-Flops for Low Write-Error-Rate Operations2016

    • 著者名/発表者名
      N. Onizawa, and T. Hanyu
    • 学会等名
      14th IEEE International New Circuits and Systems Conference (NEWCAS)
    • 発表場所
      バンクーバー(カナダ)
    • 年月日
      2016-06-26 – 2016-06-29
    • 国際学会
  • [学会発表] Stochastic Implementation of Gammatone Filters for Auditory Processing2016

    • 著者名/発表者名
      N. Onizawa
    • 学会等名
      Workshop on Stochastic Computing and Related Topics
    • 発表場所
      ウォータールー(カナダ)
    • 年月日
      2016-06-20 – 2016-06-20
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Realization of FIR Digital Filters Based on Stochastic/Binary Hybrid Computation2016

    • 著者名/発表者名
      S. Koshita, N. Onizawa, M. Abe, T. Hanyu, and M. Kawamata
    • 学会等名
      46th IEEE International Symposium on Multiple-Valued Logic (ISMVL)
    • 発表場所
      北海道大学(札幌市)
    • 年月日
      2016-05-18 – 2016-05-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Power-Gated Single-Track Asynchronous Circuits Using Three-Terminal MTJ-Based Nonvolatile Devices for Energy Harvesting Systems2016

    • 著者名/発表者名
      T. Yoneda, N. Onizawa,M. Imai, and T. Hanyu
    • 学会等名
      22nd IEEE International Symposium on Asynchronous Circuits and Systems (ASYNC) Fresh Idea Track
    • 発表場所
      ポルト・アレグレ(ブラジル)
    • 年月日
      2016-05-08 – 2016-05-11
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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