VLSIシンポジウム2020(8) 量子コンピュータチップとAIチップの注目論文 - 10年後の主流技術は何か？

2020年6月15日～18日(米国時間)にかけて開催された「2020 Symposium on Technology and Circuits(VLSIシンポジウム2020)」では最先端のコンピューティング分野である量子コンピュータや人工知能(AI)に関する多くの発表が行われた。中でもAI技術に関する論文はメモリ技術の48件に次いで多い31件の応募があったものの、採択されたのはわずか6件(採択率19%)という激戦の技術分野となった。

九大/名大が開発した32GHz動作の極低温超電導4ビットプロセッサ

九州大学(九大)と名古屋大学(名大)の研究チームは、超伝導単一磁束(SFQ:Single-Flux-Quantum)回路を用いた4ビットプロセッサを開発したことを発表した。

九州大学と名古屋大学の発表資料 (著者によるスクリーンショット)

ゲートレベルパイプラインアーキテクチを初めて採用し、最大32GHzでの動作を実現した。またSFQ回路の特性を引き出すために、実験は液体ヘリウムを用いて4.2Kまで冷却したほか、一般的なプロセッサで用いられる従来のパイプライン設計と異なり、論理がフィードフォワードパスかフィードバックパスかに応じて、コンカレントフロー式とカウンタフロー式を組み合わせたクロック同期方式を採用したとする。結果、これらの技術により、今回実装した4ビットプロセッサは2.5TOPS/Wの電力効率を実現したという。

(a)は走査電子顕微鏡(SEM)で撮影したジョセフソン接合(JJ)素子の断面図。(b)はJJを含むSFQリングのマイクロ写真。(c)は直列接続したSFQリングと等価な回路図

SFQ-GLP1チップのクロック分配が記載された写真

仏Leti/STが発表した量子コンピューティング向け極低温28nm FD-SOI技術

量子コンピュータでは、4.2Kから1Kをはるかに下回る極低温(ULT)でも動作する高性能・低電力な制御エレクトロニクス技術が求められている。仏CEA-LETIとSTMicroelectronicsの研究者らは共同で、このようなアプリケーションに適したCMOSデバイスとしてFD-SOIトランジスタを提案し、28nm FD-SOIトランジスタを用いた極低温におけるデバイス性能、およびそのばらつきへの影響について報告した。

短チャネルトランジスタでは順方向の基板バイアス印可(FBB)によるデバイス性能メリットが室温から100mKに温度を下げても保持された結果、ULTでも高い性能が得られ、Ionは1mA未満、Ioffは1fA未満(計測器の検出精度以下)を達成したとする。ULTで増加したMOSFETのミスマッチ特性(しきい値電圧(VTH)および電流ゲイン係数(β)のばらつき)は、室温やその他のCMOS技術に比べて小さく、極低温域での適用に有望だという。