超電導でできること

デバイス研究開発 （コンピュータ、ルータ）（ ンピタ ル タ）

内容
9 進歩してきた半導体回路の現状
9 なぜ超電導回路？
9 超電導コンピュータ、ルータの研究コンピュータの基礎： 2進数
普段の我々の生活

コンピュータ内部の世界“0~90~9”の1010個で表現“11” と”00”の22個で表現

10進数

2進数

103の位 102の位 101の位 100の位

23の位 22の位 21の位 20の位

0

0

1

3

1

10

1

103×0 ＋102×0 ＋101×1＋100×3

23×1 ＋22×1 ＋21×0＋20×1= 13 ((10進数表示）= 13 ((10進数表示）

01100111
11100101

求められる高度な計算
9進歩を続けてきた半導体回路

今後も今後も更に求められる高度な計算求められる高度な計算

環境

バイオ天文

しかし、半導体回路もかなり問題が見え始めています。

半導体コンピュータ動作スピードの現状

動 スピード動作ス
ド [GHzz]

5
Pentium 43

1.1x / year
1 6 / year
1.6x1
0.8
0.6
0.40.2

Xeon
Pentium III

Celeronhttp://www.
intel.com/
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

以前のようには上がらない．

半導体チップの熱の問題

半導体チップの熱の問題

たまご焼きが実際に出来るくらい熱を持っています。

超電導を使ったら…
• 消費電力が低い！
(千倍から１万倍低い)• 速い！
速(十倍 百倍速 )(十倍~百倍速い)• 超電導配線が使える。

電圧で”1”
電圧で”電圧で1”と“1”と1”と“0”と0”を表現
0”を表現

単一磁束量子で“1”単一磁束量子で“1”と“と“0”0”を表現
を表現~1 V(ボルト)V()~1兆分の~1兆分の1
1秒~千分の千分の1
1V(ボルトV(ボルト))Φ0 = h/2e= 2.07 mV. ps

超電導1ビット波形

超電導半導体電力
電力とスピードの比較
比較
Pow
wer coonsum
mption
消費電力
消力の大大きさ （Ｗ）

大きい大1.E+01

InP-HEMT 2:1 Selector

InP-HBT DFF

InP-HBT 2:1Selector

1.E+00
1.E-01CMOS 2:1MUX

InP-HEMT DFF
SiGe-HBT 4:1
InP-HEMT MUX
4:1 MUX

化合物半導体1 E 02
1.E-02CMOS Selector

1.E-03

半導体
SFQ 8b-Shift Register

1.E-04超電導回路

1.E-05
1.E05

SFQ DFF

1.E-06小さい0遅い20406080

100

Clockfrequency (GHz)
動作スピード120

ギガ：10億140速い超電導回路の設計
Fil Definition
D fi i i
Functional

回路設計

Logic Synthesis
Schematic Design

CONNECT
Cell Library

Logic Simulation

動作評価
最終設計図

Placement & Routing

Layout Verification
Chip design

超電導回路の構造
抵抗
インダクタンス

超電導ループジョセフソン接合(JJ)

2 μm

2 μm

Nb (超電導体) Mo (抵抗体)
SiO2 (絶縁体)

Si 基板

超電導コンピュータ （CORE1α ver. 5）
 4999 JJs
 15.215 2 GHz
GH (Local clock) 1.6 mW
 167 MIPS
世界初の超電導マイクロプ セッサ
プロセッサ

M. Tanaka, F. Matsuzaki, T. Kondo, N. Nakajima, Y. Yamanashi, A. Fujimaki, H. Hayakawa, N.
Yoshikawa, H. Terai, and S. Yorozu, in Tech. Dig. IEEE Int. Solid-State Circuit Conf., San
Francisco, CA, Feb. 2004.

超電導コンピュータ CORE1α ver.
ver 10 7220 JJs
 21 GHzGH (内部クロック)(内部クク)
 2.3 mW
 200 MIPS
超電導メモリを搭載した超電導マイクロプロセッサ

K. Fujiwara
KFujiwara, Y.
Y Yamashiro,
Yamashiro N.
N Yoshikawa,
Yoshikawa A.
A Fujimaki,Fujimaki H.
H Terai,
Terai andS. Yorozu, Supercond. Sci. Technol. 16, 2003.

超電導コンピュータ
超電導コンピュタ CORE1γ
 8 bit, bit-serial
 1000 MOPS at peak
 25 GHz bit-operation
controller 4-stage
4 stage pipelining

data cache(128 b)

 22302 JJs
 2.63
2 63 A (6(6.55 mW)
 128-bit inst. Cache

registergfile
inst. cache(64 b)

 64-bit
64 bit Data Cache 6.36 x 6.36 mm2
 8 mm die

ALUs

パイプライン、デュアルALU
パイプライン、デュアルALU
デ タ キ
データ、キャッシュメモリ
シTanaka et al., Presented at ISEC 2007, P-B04, I-S02.

CONNECT
cooperated with SRL, NiCT, NU & YNU

10 ぺタフロップス（京速）コンピュータ開発（京 ）開発
1秒間に1京(10の16乗)回の演算性能
文部科学省 計画する
文部科学省が計画するプロジェクトで2012年完成を目指す。
ジ ク
年完成を目指す。

地球シミュレータ (NEC)の経験など国産技術を集結

理化学研究所を拠点

BlueGene/L 米国IBM
360 テラフロップス
テラプス
2007年6月現在 第1位

1ぺタフロップス 級の計算に必要な大きさ
地球シミュレータ：35 テラフロップス• 消費電力– 8 MW

半導体技術（電子レンジ約2万個分）

50 m

• 配線量
– 8万本、2400 km• 寸法法– 50m×50m

X 30

超電導スーパーコンピュータ：1ぺタフロップス
消費電力を100倍低く、消費電力を100倍低く、大きさ10大きさ10分の分の11以下で実現可能
4m

超電導コンピュータの今後の目標
小型な10 テラフロップス級コンピュータ
半導体を用いた並列コンピュータ

超電導スーパーコンピュータ~150
150 kW、30
kW 30 ラック~2 kW、1ラック

インターネット利用量の増大
2007年1月

ルータ
ルータ

ル タ
ルータ

2005年1月

2002年1月

http://www.jpix.ad.jp/jp/techncal/traffic.htm参照l

ルータとは、中継や接続を行う機器。

半導体ルータの限界
要求

どこにつなぐか処理する

許可
スイッチ

高速、高速大容量化

ルータ

超高速処理が超高速処
半導体では厳しい。
超電導ルータ超電導ルータ用回路の40GHz動作（半導体より100倍早い処理スピード）

4x4スイッチ制御用処理回路
40GHz動作、約3,000接合
3 mmx2 mm

4×4スイッチ、約2,800接合、40GHz動作
スイッチ容量160Gbps
Cisco社の最大容量ルータの1/4を3x2mmで実現

超電導ル タのデモ
超電導ルータのデモ

PC4台からの映像を超電導スイッチにより切り替える。

まとめ
9 超電導回路は”高速”、”低消費電力”、”小型”
半導体や光技術との融合

Line Line
Card CardLine Line
CardCarrd

次々世代の ンピ
次々世代のコンピュータ、ルータ実現へ
タ ル タ実現
Switch card

参考：計算スピ ドの単位
参考：計算スピードの単位
Flops = １秒間に行える浮動小数点演算数
1京
1000兆 1015

1兆P FlFlops （ペタ）1014Blue Gene/L

1013

地球シミュレータ

1012

T Flops （テラ）

1011
1010

10億109

通常のパソコン
G Flops （ギガ）

参考：論理演算 NOT演算AAA

1001

 OR演算A B A+B
0011A“出力は入力の反転”010
10111AA+B
B“片方でも片方でも11ならなら1”1”

 AND演算A B AB00
1101010001AAB
B“両方が両方が11ならなら1”1”

この三つの論理ゲートで、全ての演算が実現出来る。