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冷却プローブ上の超電導プロセッサー(写真:横浜国立大学)
冷却プローブ上の超電導プロセッサー(写真:横浜国立大学)
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 脱炭素時代の到来に合わせて、コンピューターの消費電力を圧倒的に低減する技術が登場してきた。それが「超電導コンピューター」だ。横浜国立大学 工学研究院 知的構造の創生部門 教授の吉川信行氏の研究室は、4ビット動作の超電導RISC型マイクロプロセッサー「MANA 1」を開発した(図1)。動作周波数は5G~10GHz前後で、消費電力は冷却用電力を別にした場合、一般的なSi半導体に基づくマイクロプロセッサーの約100万分の1以下と猛烈に低い。

MANA=Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture Processor。
(a)ダイの写真
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(b)プロセッサーの構成
(b)プロセッサーの構成
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図1 4ビット動作超省電力の超電導プロセッサーを実現
ダイの寸法は1cm角。ワード長は4ビット、命令は16ビットを利用。チップ全体でジョセフソン接合(JJ)を、産業技術総合研究所の超電導回路用1µmプロセスで2万個超集積した。動作周波数は5G~10GHzで、演算速度は200MOPS。消費電力は冷却用電力込みで10µW。希釈冷凍機などは使わず、液体ヘリウムの温度4.2Kで動作する。(写真と図:横浜国立大学 吉川研究室)

1960年代後半には脚光

 超電導コンピューターは、ジョセフソン接合(JJ)を利用した回路を超電導状態で稼働させることで、超高速動作または超低消費電力の実現を目指した装置である。取り組み開始は非常に早く、1969年には米IBMによる「ジョセフソン・コンピューター」の開発プロジェクトが発足した。

ジョセフソン接合(Josephson Junction)=2つの超電導体を薄い絶縁体を挟んで接合させた素子。1963年に開発された。超電導体は、ボース=アインシュタイン凝縮によって電子対の量子状態がマクロ的にも1つしかない状態になる。JJでは、近接した2つの超電導体間でも量子状態を1つにしたいという作用によって、電位差なしで絶縁体を越えてトンネル電流が流れるといった幾つかの量子力学的な現象が起こる。JJのこうした性質は、超高感度磁気センサーとして超電導量子干渉計(SQUID)やさらにそれを用いた量子コンピューターの量子ビットなどにも用いられている。

 ところが、その実現は容易ではなかった。当初は世界中で研究されたものの、幾つかの技術的な困難があったことやトランジスタベースのプロセッサーに対する優位性を実証できなかったことなどからIBMが1983年に開発から撤退。2000年代初めには「HTMT」プロジェクトを主導していた米NASAが事実上撤退した。

HTMT(Hybrid Technology Multi-Threaded Architecture)プロジェクト=NASA Jet Propulsion Laboratoryが主導した超電導スーパーコンピューターの開発計画。100GHz動作のマイクロプロセッサーとそれを用いたペタフロップス(PFLOPS)マシンの開発を目標として掲げたが、実現しなかった。

 一方、日本では当時の工業技術院電子技術総合研究所(現・産業技術総合研究所)が1989年に約1GHzで動作可能な4ビットのマイクロプロセッサー、2007年には横浜国立大学と名古屋大学が18GHzで動作する8ビットのマイクロプロセッサーを試作し動作も確認するなど、一定の成果を上げ続けている。