超伝導信号処理回路と その天文分野への応用 March 8, 2016 横浜国立大学工学研究院 山梨裕希, 小箱紗希, 小野智裕, 坂下洋介, 吉川信行 第 16 回ミリ波サブミリ波受信機ワーク ショップ.

Slides:



Advertisements
Similar presentations
情報通信システム( 2 ) 年 4 月 26 日 火曜日 午後 4 時 10 分~ 5 時 40 分 NTT-IT Corp. 加藤 洋一.
Advertisements

超伝導磁束量子ビットにおける エンタングルメント 栗原研究室 修士 2 年 齋藤 有平. 超伝導磁束量子ビット(3接合超伝導リング) 実験 結果 ラビ振動を確認 Casper H.van der Wal et al, Science 290,773 (2000) マクロ変数 → 電流の向き、 貫く磁束.
第10章 マイコン機器とマイコンプロ グラム ● マイコン回路とプログラミン グ ● サーボモータ,直流モータ制 御以外のプログラム マイコンでどのようなことができるのか? モータのマイコン制御を使いこなす!
磁歪素子を用いた3軸球面モータの 駆動原理と特性評価
LZ圧縮回路の設計とハード・ソフト 最適分割の検討 電子情報デザイン学科 高性能計算研究室 4回生 中山 和也 2009/2/27.
CMBカメラ開発における アルミ超伝導トンネル接合素子(STJ)の基礎特性評価
コンパレータノイズがA/Dコンバータの性能に与える影響に関する研究
発表内容 研究背景・目的 伝送線路の構造 伝送線路間カップリングシミュレーション - 1段増幅器シミュレーション
計算機アーキテクチャ特論Chapter.6.6~6.9
発表内容 研究背景 Txリークの概念 測定・シミュレーションの方法 測定結果・誤差解析 Txリークの主な原因を特定 まとめ
Verilog HDL 12月21日(月).
テープ(メモリ)と状態で何をするか決める
デジタル信号処理①
集積回路 6.回路・レイアウト設計 松澤 昭 2004年 9月 2004年 9月 新大VLSI工学.
担当 : 山口 匡 伊藤 祐吾 (TA) 宮内 裕輔 (TA)
640 GHz 帯 SIS 受信機の 利得線形性の測定 菊池、瀬田、稲谷、SMILES ミッションチーム 概要:
USB2.0対応PICを用いたデータロガーの製作
磁歪式振動発電の 高出力化と発電床への応用
ディジタル回路 1. アナログ と ディジタル 五島 正裕.
1. アナログ と ディジタル 五島 正裕.
7. 順序回路 五島 正裕.
8. 順序回路の簡単化,機能的な順序回路 五島 正裕.
高感度性と広ダイナミックレンジを有する 超伝導ディジタル磁気センシングシステム
ー 第1日目 ー 確率過程について 抵抗の熱雑音の測定実験
電子回路Ⅰ 第12回(2009/1/26) 整流回路、電圧安定化回路.
汎用テストベンチ作成ツール を用いた シミュレーションからテストまで
第8回  論理ゲートの中身と性質 論理ゲートについて,以下を理解する 内部構成 遅延時間,消費エネルギー 電圧・電流特性 瀬戸.
京大岡山 3.8m 望遠鏡 分割鏡制御に用いる アクチュエータの特性評価
情報電子実験Ⅰ-説明 測定器の使い方.
第6回 よく使われる組合せ回路 瀬戸 重要な組合せ回路を理解し、設計できるようにする 7セグディスプレイ用デコーダ 加算回路・減算回路
ミリ波検出にむけた超伝導トンネル接合素子検出器(STJ)の開発研究
電界効果トランジスタの動作原理 トランジスタを用いた回路のバイアス
Multi-Pixel Photon Counter(MPPC)の開発
高速剰余算アルゴリズムとそのハードウェア実装についての研究
電界効果トランジスタの動特性 FET(Field Effective Transistor)とは 電圧制御型の能動素子
電界効果トランジスタの静特性 FET(Field Effective Transistor)とは 電圧制御型の能動素子
電界効果トランジスタの動作原理 トランジスタを用いた回路のバイアス
2. 論理ゲート と ブール代数 五島 正裕.
P4 通信システム P4.1 ディジタルフィルタの設計とその応用 P4.2 伝送線路のFDTD解析 P4.2 H4.1 P4.1 H4.1
5 テスト技術 5.1 テストとは LISのテスト 故障診断 fault diagnosis 故障解析 fault analysis
ディジタル回路 6. 順序回路の実現 五島 正裕.
電力 P ( Power ) 単位 ワット W = J / sec
動的な内部初期化機構による 低消費電力超伝導単一磁束量子回路の 高速化
1次元量子系の超伝導・ 絶縁転移 栗原研究室 G99M0483 B4 山口正人 1.1次元量子系のSI転移 2.目標とする系
逐次伝達法による 散乱波の解析 G05MM050 本多哲也.
3 次元構造インダクタと底面配置回路を用いた484-mm2 21-GHz LC-VCO
ディジタル回路 5. ロジックの構成 五島 正裕.
並列化DC/DCコンバータ Current Sharing: 低電圧-高電流(3V-50A) [z]
ディジタル回路の設計と CADによるシステム設計
電気電子情報第一(前期)実験 G5. ディジタル回路
3. 論理ゲート の 実現 五島 正裕.
瀬戸直樹 (京大理) 第7回スペース重力波アンテナDECIGOワークショップ 国立天文台
4点FFT設計 ファイヤー和田 知久 琉球大学・工学部・情報工学科 教授
ディジタル信号処理 Digital Signal Processing
超伝導回路を用いた 物理乱数発生回路の研究
IF 整合回路 JEM/SMILES 用 640 GHz SIS ミクサの開発 LOAD IF-circuit
ミリ波帯電力増幅器における 発振の検証 ○松下 幸太,浅田 大樹,高山 直輝, 岡田 健一,松澤 昭 東京工業大学
アナログ と ディジタル アナログ,ディジタル: 情報処理の過程: 記録/伝送 と 処理 において, 媒体(メディア)の持つ物理量 と
信号伝搬時間の電源電圧依存性の制御 による超伝導単一磁束量子回路の 動作余裕度の改善
ミリ波帯キャパシティブクロスカップリング差動増幅器のための対称交差レイアウトの提案
  第3章 論理回路  コンピュータでは,データを2進数の0と1で表現している.この2つの値,すなわち,2値で扱われるデータを論理データという.論理データの計算・判断・記憶は論理回路により実現される.  コンピュータのハードウェアは,基本的に論理回路で作られている。              論理積回路.
Handel-Cを用いた パックマンの設計
計算機工学特論 スライド 電気電子工学専攻 修士1年 弓仲研究室 河西良介
Photo detector circuit of KAGRA interferometer (based on LIGO circuit)
8. 順序回路の実現 五島 正裕.
Ibaraki Univ. Dept of Electrical & Electronic Eng.
信号伝搬時間の電源電圧依存性の制御 による超伝導単一磁束量子回路の 動作余裕度の改善
絶縁体を電気が流れる磁石に ―情報記憶容量の大幅向上に新たな道― 北海道大学 電子科学研究所 教授 太田裕道 POINT
並列処理プロセッサへの 実数演算機構の開発
アナログ と ディジタル アナログ,ディジタル: 情報処理の過程: 記録/伝送 と 処理 において, 媒体(メディア)の持つ物理量 と
Presentation transcript:

超伝導信号処理回路と その天文分野への応用 March 8, 2016 横浜国立大学工学研究院 山梨裕希, 小箱紗希, 小野智裕, 坂下洋介, 吉川信行 第 16 回ミリ波サブミリ波受信機ワーク ショップ

1 内容 超伝導回路技術と、天文分野応用 から見たその特徴 天文分野に使える(かもしれない) 回路  乱数生成回路  FFT プロセッサ  自己相関器

2 内容 超伝導回路技術と、天文分野応用 から見たその特徴 天文分野に使える(かもしれない) 回路  乱数生成回路  FFT プロセッサ  自己相関器

3 超伝導巨視的量子コヒーレン ス 2e2e 2e2e 巨視的な系なのに、ひとつ の 波動関数による状態記述 2e2e 2e2e 2e2e 2e2e

4 超伝導回路におけるビット 超伝導リング中の磁束: 「磁束量子」の整数倍に なる 磁束量子の有無でのビット表現 位相の量子化条件: 1周当たり 2  の整数倍 2e2e 2e2e2e2e  0 = h/2e = 2.07× Wb

5 超伝導回路におけるゲート  I ジョセフソン接合 ( JJ) :  0 にとってのゲート V  I V O IcIc f:  0 の通過数 / 秒

6 Single Flux Quantum (SFQ) 回路 超伝導体 磁束量子 電源電流 ジョセフソン 接合 Likharev, IEEE Trans Appl. Supercond. 1 (1991) 3. 直流バイアス電流

7 SFQ 伝搬(信号伝搬)の原理 I V -I c (a) (b) (c) (a) (b) > 1 mV > 10 ps 00 (c)

8 SFQ 信号伝搬回路 分岐 合流 方向性結合

9 SFQ 論理ゲートの例 din L2L2 out din L2L2 out SFQ 保持ループ (インダクタンス大) clk SFQ DFF (Delay Flip-Flop) ‘0’‘1’ ‘0’‘1’ ‘0’‘1’ ‘0’‘1’

10 電力と遅延の他デバイスとの比 較 Courtesy of Prof. Tanaka (Nagoya Univ.) 10 6 の誤り

11 SFQ 回路の得意な回路 OR ゲー ト A B C D OUT OUT = (A + B) + (C + D) 1ゲートの出力が得られれば 即時に次のデータを入力可 超高スループットのディジタル回 路

12 SFQ 回路の苦手な回路 OR ゲー ト A B C OUT 出力のフィードバックを待つ必要 スループットの低下

13 SFQ 回路の得意な計算 真理値表 A BOUT a b c (= A + B) 排他的論理和ゲート ( Exclusive-OR )

14 SFQ 回路は天文分野向き? 天文分野の解析回路: データは1次元1方向 (フィードバック不要) 排他的論理和計算が得意 ( 1 ゲートでの相関計算 可) SFQ 回路の有望な応用先 天文分野は 冷却を厭わない

15 内容 超伝導回路技術と、天文分野応用 から見たその特徴 天文分野に使える(かもしれない) 回路  乱数生成回路  FFT プロセッサ  自己相関器

16 乱数の種類 疑似乱数 計算アルゴリズム使 用 周期あり 汎用計算機で生成可 物理乱数 ランダムな自然現 象 を利用 周期なし 専用素子が必要 乱数:周期、相関のない数値列 シミュレーションや計測器の校正に利 用

17 SFQ 疑似乱数生成器(専用回路 ) Zhou et al., IEEE TAS 11 (2001) GHz 疑似乱数生成 複数出力を用いた生成レートの向 上 ( 3 outputs/clock まで実証) 武藤他, IEICE 秋季大会, 2015 年 9 月. Yamada et al., Physica C 518 (2015) 85. 量子電圧ノイズ源に使 用

18 SFQ 物理乱数生成器 I C = 216  A, Rs = 1.73 , L = 2.52 pH 49.1  A Rs ICIC ICIC ICIC Yamanashi et al., IEEE TAS 19 (2009) 630.

19 Simulation Result Rs ICIC ICIC ICIC SRL 2.5 kA/cm 2 Nb Standard process Generation rate > 20 Gbps Noise source

20 Simulated Autocorrelation versus Generation Rate Maximum generation rate: ~25 Gbps (2.5 kA/cm 2 Nb Standard Process) No correlation completely correlated

21 High-Speed Test of RNG AIST 2.5-kA/cm 2 Nb standard process 2

22 回路作製プロセス DC power Wiring Logic gates Main ground 産総研 Nb アドバンストプロセス (AIST- ADP) 超伝導配線層: Nb 線間絶縁層: SiO 2, 抵抗層: Mo

23 AIST-ADP 30 μm In Clock Out Data storage loop JJ 最小線幅: 1  m 最小接合面 積: 1  m×1  m AIST - ADP で試作した Delay Flip-Flop (DFF) の写真

24 Recorded random number: 3.2 Mbit

25 Statistical Test Result 13/16 のテストに合 格 3 つのテストは行え ず (取得データ不足) NIST : 乱数検定ツールの代表 課題は動作安定化

26 内容 超伝導回路技術と、天文分野応用 から見たその特徴 天文分野に使える(かもしれない) 回路  乱数生成回路  FFT プロセッサ  自己相関器

27 FFT Discrete Fourier Transform (DFT) N サンプル点フーリエ変換の計算 量: DFT : O(N 2 ) FFT : O(NlogN) Twiddle factor Twiddle factor in z-plane Re Im (N = 4) FFT

28 FFT プロセッサの構成 1 st stage2 nd stage3 rd stage 8-point FFT Butterfly operation FFT プロセッサ: バタフライユニット データシャッフリン グ 回転因子 ROM Real Imaginary

29 SFQ FFT プロセッサ Estimated calculation time of 32-bit SFQ FFT processors for 1024-point FFT: 6.2 μs at 50 GHz Calculation time of FFT processors using CMOS FPGA: μs FFT プロセッサ: バタフライユニット データシャッフリン グ 回転因子 ROM

30 4-bit バタフライユニット Process: AIST 10 kA/cm 2 Nb Advanced Process Number of JJs: 8349 Bias Current: 1.06 A Target Frequency: 50 GHz

31 バタフライユニット測定の例 Data pattern 1 Re[x(0)] = 0111, Im[x(0)] = 1101, Re[x(1)] = 1011, Im[x(1)] = 1111, Re[W] = 1101, Im[W] = 1001 Re[X(0)] = , Re[X(1)] = Data pattern 2 Re[x(0)] = 0110, Im[x(0)] = 1010, Re[x(1)] = 1011, Im[x(1)] = 1100, Re[W] = 1001, Im[W] = 1011, Re[X(0)] = , Re[X(1)] =

32 動作マージンの周波数依存 Simulation Measured 51.6 GHz の動作を確認 Sakashita et al., IEEE TAS 25 (2015)

33 Data Shuffling Circuit Process: AIST 10 kA/cm 2 Nb Advanced Process Number of JJs: 726 Bias Current: 87.3 mA 1.50 mm 0.42 mm Used for 4-bit 8-point FFT Bias Margin : GHz 59.5 GHz 動作

34 4 ビット回転因子メモリ 0.90 mm 0.75 mm Process: AIST 10 kA/cm 2 Nb Advanced Process Number of JJs: 1028 Bias Current: mA For 4-bit 8-point FFT Bias Margin : GHz 51.5 GHz 動作実証

35 CMOS FFT Processor との比較 Tech- nology Bit-widthPower [mW] Clock Frequency [GHz] Energy per operation (× J) [4] 0.11 μm This study 1  m Nb (J C = 10 kA/cm 2 ) [4] M. Fonsenca et al., “Design of Pipelined Butterflies from Radix-2 FFT with Decimation in Time Algorithm Using Efficient Adder Compressors”, IEEE Latin American Symposium on Circuit and Systems (LASCAS) エネルギー効率で 1 桁の優位性 (低電力 SFQ 回路を使えば 2-3 桁優位)

36 内容 超伝導回路技術と、天文分野応用 から見たその特徴 天文分野に使える(かもしれない) 回路  乱数生成回路  FFT プロセッサ  自己相関器

37 自己相関器 時間間隔 n  離れたデータ間の相関の計算

38 ミリ波分光用 SFQ 自己相関器 Vernik et al., IEEE TAS 15 (2005) チャネル 自己相関器 SIS ミキサからの出力の自己相関を 低温環境下で計算 ADC の工夫で増幅器は不要?

39 1 ビット自己相関器 D n : Delay Flip-Flop Clock signal interval :  (8  )(6  ) (4  ) (2  )

40 1-bit 自己相関器設計結果 ゼロスキュー クロッキン グ:高速だが 回路規模大 ブランチ クロッキン グ:速度は劣 るが 回路規模小

41 複数ビット AD コンバータ ・ 1-bit A/D converter …… …… ・ 2-bit A/D converter 複数ビット AD コンバータに 対応できる自己相関器の設 計

42 2-bit AD コンバータ用 自己相関器の設計 ・ The Karnaugh map of

43 2-bit AD コンバータ用 自己相関器の設計 : The calculation part of JJ 数 : 527 面積 : 0.60 mm×0.45 mm フィードバックなし 多ビット化による速度低下 なし

44 解析用回路まとめ データは整数型、 4 ビット( 16 LSB ) バタフライユニット 50 GHz 動作実 証 今後は FFT プロセッサ全体の実証へ FFT プロセッ サ 自己相関器 50 GHz を超える動作が可能 多ビット入力にも対応可 課題は拡張性と実装

45 天文分野応用への課題 室温回路との配線数制限 帯域は 10 Gbps/channel 程度 いずれの回路でも 1000 ビット や 1000 チャネルを超えるときつ い 回路作製プロセスの発展 (高 J C 化での高速化も) NbN 回路の開発 解析回路の高機能化 符号分割多重化で対応

46 全体まとめ 天文用解析回路は SFQ 回路の 有望な応用先  1方向のデータフロー  排他的論理和ゲートの有効利用 超伝導回路による解析回路例  (乱数生成器)  FFT プロセッサ  自己相関器 拡張性、実装が課題  仕様に応じた専用設計で対応  入出力 IF は頑張るしかない

47

48 超伝導? 超伝導: クーパー対の Bose-Einstein 凝縮 2電子が対(クーパー対)を 構成 Boson として振る舞う E E 波数  k k -k-k -k +  k k-  k

49 巨視的量子効果 2e2e 2e2e2e2e 巨視的な系においても、 状態が1つの波動関数 で記述可能 超伝導リング中の磁束: 「磁束量子」の整数倍に なる  0 = h/2e = 2.07× Wb

50 ジョセフソン接合( JJ )  絶縁体 I 1962, B.D. Josephson 超伝導位相が電気信号 として直接見える素子 電気信号で位相の制御