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単一磁束量子を用いた 超高速低電力集積回路 横浜国立大学大学院工学研究院 教授 吉川信行 1

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単一磁束量子を用いた

超高速低電力集積回路

横浜国立大学大学院工学研究院

教授 吉川信行

1

Page 2: SFQ RAM using VTM Cells - JST · 超伝導集積回路プロセス aist nb 8層1μmプロセス（adp2.2） 300 nm 400 nm 300 nm 300 nm 150 nm bc gc rc rc alox c6 c6 sio 2 bc gc jj

研究の背景

情報機器の消費電量の爆発的な増大

Facebook Data Center,

Lulea, Sweden

Performance: 27-51 PFLOP/s

Power 84 MW avg* (120 MW max)

高速集積回路の極限的低消費電力技術の創出が急務

日本の情報機器の消費電力 （経済産業省グリーン会議資料より引用）

現在の日本の総電力の53%

ITメルトダウン

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我々のアプローチ 単一磁束量子回路を用いた超高速超低消費電力化

６桁の低電力化

演算回路のビットエネルギー

１桁の高速化

２～３桁の低電力化

RSFQ

3

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単一磁束量子を用いた論理回路

Josephson

接合

F0 = h/2e

= 2.07 mV. ps

1~2 ps

SFQパルス

~1 mV

超伝導リング中の 単一磁束量子(SFQ)

dt

dV

F

高速

低消費電力

超低消費電力

RSFQ (rapid single flux quantum) 回路

AQFP (adiabatic quantum flux

parametron) 回路

５～７桁の低電力化

１桁の高速化

２～３桁の低電力化

4

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RSFQ回路

特徴

単一磁束量子(SFQ)を情報担体とする。

超高速 クロック周波数~ 100 GHz

低消費電力 半導体の100～1000分の1以下

2~3 ps

SFQパルス ~1 mV

バイアス電流

SFQ伝送線路

SFQパルスの電圧波形

横国大が大規模回路設計技術開発（特許申請）

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AQFP回路

断熱型量子磁束パラメトロン(AQFP)回路の動作原理

横国大が提案

低消費電力性実証

Iout

E

Iout

E

励起電流あり 励起電流なし

断熱的遷移

抵抗不要

特徴

単一磁束量子(SFQ)を情報担体とする。

高速 クロック周波数~ 10 GHz

超低消費電力 半導体の106分の1以下

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超伝導集積回路プロセス AIST Nb 8層1μmプロセス（ADP2.2）

300 nm

400 nm

300 nm

300 nm

150 nm150 nm

BC

GCRC RC

AlOx

C6C6

BCSiO2

GC

JJ

M1からM7まで各層で平坦化。M8とM9は平坦化なし。M6形成後に完全平坦化。

レチクル数：28

M7 (GP)

C6

M3 (PTL1)

M5 (PTL2)C5

M6 (GND3)C5 C5C5 C5

400 nm

400 nm

GC

M8 (BAS)

RES1

JC

C2C2C2 C2

C3

C4

C3

C4 C4

C3

M1 (DCP)

M2 (GND1)

M4 (GND2)C4

C3 C3

C4 150 nm150 nm

150 nm150 nm

150 nm150 nm

150 nm

150 nm

150 nm

150 nm

200 nm

200 nm

M9 (COU)

GC

C6

M2 (GND1)

M8 (BAS)

C1C1 200 nm

Si Substrate

M9 (COU)

Nb layer thickness SiO2 layer thickness

Complemented planarization layer

SiO2

SiO2

SiO2

ゲート回路

（接合を含むアクティブ層）

主グランド面と完全平坦化層

第１のPTL層

DC電源層

第２のPTL 層

Jc = 10 kA/cm2

Nb 8層

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RSFQ, AQFP回路の研究開発の状況

T フリップフロップ (770 GHz): SUNY, Stony Brook, 1993

シフトレジスタ (1024-bit @20 GHz): HYPRES, 1993

デマルチプレクサ (18 GHz): UC Berkeley & 横国大, 1998

8-bit マイクロプロセッサ(15.2 GHz): 名大 & 横国大, 2004

4 x 4 スイッチ (40 GHz): SRL/ISTEC, 2004

シフトレジスタ (4-bit @120 GHz): 名大, 2006

ディジタルRF レシーバ (34 GHz): HYPRES, 2007

2 x 3 RDPシステム (23 GHz): 名大, 2009

浮動小数点加算器、乗算器 (25 GHz): 横浜国大, 2009

2 x 2 RDPシステム (45 GHz): 名大, 2012

AQFP 超低エネルギー動作実証 (10 zJ/b): 横国大, 2013

浮動小数点加算器、乗算器 (50 GHz): 横国大, 2013

AQFP 8-bit 桁上げ先見加算器: 横国大, 2014

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これまでの我々の研究経緯

ＮＥＤＯ 低消費電力型ネットワークデバイス技術開発事業、Ｈ14～Ｈ18

科研費 特定領域研究「局在電磁波集積回路」（領域代表）、Ｈ18～Ｈ21

JST CREST 「単一磁束量子による再構成可能な低電力高性能プロセッサ」、H18～H24

科研費 基盤研究(S)「断熱モード単一磁束量子回路の導入によるサブμWマイクロプロセッサの研究」（代表）、H22～H26

ＪＳＴ ＡＬＣＡ 「低エネルギー情報ネットワーク用光・磁気・超伝導融合システム」、H23～H28

科研費 基盤研究(S)「熱力学的極限に挑む断熱モード磁束量子プロセッサの研究」（代表）、H26～H30

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これまでの研究成果の紹介

RSFQ回路を用いたコンピューティング

RSFQマイクロプロセッサの高速動作実証

RSFQ浮動小数点演算器の高速動作実証

RSFQ FFTプロセッサの高速動作実証

AQFP回路を用いたコンピューティング

AQFP回路の動作原理の提案と高速動作実証、エネルギー評価

8bit桁上げ先見加算器の動作実証

単一磁束量子回路の計測応用

飛行時間型質量分析装置の開発

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RSFQ単精度浮動小数点演算器(FPA)

プロセス AIST Advanced 2.2

Nb 9-layer

回路寸法 4.66 × 5.88 mm2

接合数 16830

クロック周波数 50 GHz

処理能力 2 GFLOPS

消費電力 4.92 mW

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AQFP回路

AQFP 論理ゲートの1GHz動作 8-bit AQFP桁上げ先見加算器の

動作実証

接合数: 1272 JJ

回路寸法: 1.06 mm x 1.57 mm

１演算あたりの消費エネルギー@5GHz: ~10 aJ

ASC2014 2EOr2C-05, 4EOr3A-05 12

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超伝導飛行時間型質量分析(TOF-MS)システム(1)

超伝導検出器(SSID) の高性能性

巨大高分子に対する感度大

高い時間分解能 ~100 ps

同一なm/Zの分子の識別可能

RSFQ 回路の高速性、高機能性

高い時間分解能 ~ps

信号処理による出力バンド幅低減

検出器のアレイ化が可能

K. Suzuki et al., Appl. Phys. Exp.,1, 031702, 2008.

高分子に対するSSIDの応答

RSFQ回路によるピコ秒時間計測

ＡＩＳＴと共同研究を実施

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超伝導TOF-MSシステム(2)

超伝導検出器 (SSID)

SFQ コンバータ

RSFQ 時間計測器 (TDC)

MALDI TOF mass spectroscope with

pulse tube cryocooler at AIST

検出信号 SFQ パルス デジタルデータ

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超伝導TOF-MSシステム外観

SFQ module

冷凍機に実装しSFQ TDCを測定 15

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RSFQ 時間測定回路

Size 2.40 x 1.12 mm2

junction 2684

Supply current 303 mA

(1) (0000 0001 1000 0110 1011 0010)2 = (100018)10 → 10.0018 ms

(2) (0000 0111 1010 0001 0011 0010)2 = (500018)10 → 50.0018 ms

(3) (0000 1111 0100 0010 0100 1011)2 = (1000018)10 →100.0018 ms

16

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遅延時間測定結果

t = 10 ms t = 50 ms t = 100 ms

Input time intervals

1000回測定

ヒストグラムを作成

急峻なピークを確認

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高分子のマススペクトル測定結果

2,000回測定

測定試料：リゾチーム

（分子量：14.388 kDa） 飛行時間：約150 ms

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新技術の特徴

高速性

RSFQ回路 クロック周波数～100 GHz

AQFP回路 クロック周波数～10 GHz

低消費電力性

RSFQ回路 半導体の100～1000分の１

AQFP回路 半導体の105～107分の１

高感度性

～1 mV, ~10 mAの高感度

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想定される用途

信号の高感度、高時間分解能計測

時間計測回路

ＡＤコンバータ

イメージング

高速信号処理

ＦＦＴ

オートコリレータ

画像再構成処理

コンピューティング

スパコン

データセンター用サーバ

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実用化に向けた課題

大規模集積化

現在は数万接合規模の回路が実現可能

これを１桁～２桁向上したい

バイアス電流の増加が課題

新しいバイアス電流供給法（特許申請）により解決可能

冷凍機実装

現在は6.5kWの冷凍機を使用

熱流入、雑音対策を配慮した実装方法が課題

入出力インターフェイス

電気配線では10Gbps/channel程度

光入出力が課題

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企業に期待すること

RSFQ回路、AQFP回路を用いた応用分野の共同開拓

50GHz, １万トランジスタ規模

信号処理回路、計測回路の応用分野開拓と実用化

冷凍機内へのRSFQ回路やAQFP回路の実装技術の共同開発

冷凍機のコンパクト化、低消費電力化

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関連する知的財産・学術論文

学術文献 1. N. Takeuchi, D. Ozawa, Y. Yamanashi and N. Yoshikawa, “An Adiabatic quantum flux parametron as an ultra-low-power logic device,” Supercond. Sci. Tech., vol.

26, 2013, 035010.

2. N. Takeuchi, Y. Yamanashi and N. Yoshikawa, “Measurement of 10 zJ energy dissipation of adiabatic quantum-flux-parametron logic using a superconducting

resonator,” Appl. Phys. Lett., 102, 052602 (2013).

3. N. Takeuchi, Y. Yamanashi and N. Yoshikawa, “Simulation of sub-kBT bit-energy operation of adiabatic quantum-flux parametron logic with low bit-error-rate,” Appl.

Phys. Lett., 103, 062602 (2013).

4. N. Takeuchi, K. Ehara, K. Inoue, Y. Yamanashi and N. Yoshikawa, “Margin and Energy Dissipation of Adiabatic Quantum-Flux-Parametron Logic at Finite

Temperature,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23, 2013, 1700304.

5. K. Inoue, N. Takeuchi, K. Ehara, Y. Yamanashi, and N. Yoshikawa, “Simulation and Experimental Demonstration of Logic Circuits Using an Ultra-low-power

Adiabatic Quantum-flux-parametron,” IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23, 2013, 1301105.

6. K. Ehara, A. Takahashi, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, “Development of pulse transfer circuits for serially biased SFQ circuits using the Nb 9-layer 1-μm process,”

IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23, 2013, 1300504.

7. K. Sano, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, “Design and Demonstration of a Single-Flux-Quantum Multi-Stop Time-to-Digital Converter for Time-of-Flight Mass

Spectrometry,” IEICE Trans. Electron., vol. E97-C, 2014, pp. 182-187.

8. X. Peng, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, A. Fujimaki, N. Takagi, K. Takagi, M. Hidaka, “Design and High-Speed Demonstration of Single-Flux-Quantum Bit-Serial

Floating-Point Multipliers Using a 10kA/cm2 Nb Process,” IEICE Trans. Electron., vol. E97-C, 2014, pp. 188-193.

9. K. Sano, Y. Muramatsu, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, N. Zen, M. Ohkubo, “Reduction of the Jitter of Single-Flux-Quantum Time-to-Digital Converters for Time-of-

Flight Mass Spectrometry,” to be published in Physica C, vol. 504, 2014, pp. 97-101.

10. N. Takeuchi, T. Ortlepp, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, “Novel latch for adiabatic quantum-flux-parametron logic,” Journal of Appl. Physics, vol. 115, 2014, 103910.

11. N. Takeuchi, T. Ortlepp, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, “（Invited）High-speed Experimental Demonstration of Adiabatic Quantum-Flux-Latches,” IEEE Trans. Appl.

Supercond., vol. 24, 2014,1300204.

12. N. Takeuchi, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, “Reversible logic gate using adiabatic superconducting devices,” Scientific Reports 4, 6354 (2014).

知的財産権

発明の名称：超伝導集積回路装置、特許出願番号：特願2014-181355

出願人：国立大学法人横浜国立大学、発明者：吉川信行、鈴木秀雄

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お問い合わせ先

横浜国立大学

産学官連携推進部門 知的財産支援室

知的財産マネージャー

北村 正

ＴＥＬ ０４５－３３９－４４５２

FAX ０４５－３３９－４４５７

E-mail [email protected]

24


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