Journal Article 単一磁束量子回路向けマイクロプロセッサのアーキテクチャ探索
Exploring Design Space of a Single-flux-quantum Microprocessor

石田, 浩貴  ,  田中, 雅光  ,  小野, 貴継  ,  井上, 弘士

58 ( 3 )  , pp.629 - 643 , 2017-03-15
近年,CMOSマイクロプロセッサは消費電力の問題のため動作周波数の向上が頭打ちとなっている.この問題に対し,我々はCMOS集積回路が直面している消費電力問題を根本的に解決する特徴を原理的に有している単一磁束量子(SFQ: Single-Flux-Quantum)回路を用いた超高性能マイクロプロセッサに着目した.本論文では,SFQマイクロプロセッサの実現に向け,それに適したアーキテクチャを検討した.得られた検討結果に基づきSFQマイクロプロセッサを論理設計し,性能および消費電力を見積もりCMOSマイクロプロセッサと定量的に比較した.その結果,設計したSFQマイクロプロセッサは,最大でCMOSマイクロプロセッサ・モデルの約35倍の性能を1.46Wという低消費電力で達成する可能性があることが分かった.また,回路面積をSFQに適したアーキテクチャの実装前と比較したところ,3.58倍になることが明らかになった.
CMOS microprocessors have been facing a limitation for clock speed improvement because of increasing computing power. Using SFQ (Single-Flux-Quantum) devices and circuits is a promising way to solve the power wall problem. In this paper, we explore architecture design space of SFQ microprocessors to exploit SFQ potential. In addition, we estimate performance, area, and power consumption of the proposed SFQ microprocessor based on gate-level logic design. The results show that the SFQ microprocessor is able to outperform a CMOS microprocessor model by 35X with 1.46W. Moreover, the area of the SFQ microprocessor is 3.58X larger than a baseline SFQ microprocessor.

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