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| 講演抄録／キーワード | ||
| 講演名 | 2024-01-29 15:30 FPGAを用いた状態ベクトル型量子シミュレータ用データ圧縮技術の開発 ○ウェイ カイジ・天野英晴（慶大）・庭瀬稜平（筑波大）・三好健文（わさらぼ）・山口佳樹（筑波大）  VLD2023-87 RECONF2023-90 |
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| 抄録 | （和） | 量子コンピュータシミュレータは古典コンピュータで量子コンピュータの動作を模倣するツールである。量子ビットの状態を忠実に再現するには、状態ベクトル方式がよく使われているが、n 量子ビットを扱うため、2n+4Bytes の主記憶領域が必要とするのが課題となっていた。我々は、電力効率及びコストを考えた上で、FPGA Trefoil に直結するSerial ATA (SATA) ディスクを用いて量子コンピュータシミュレータを実装することを提案している。SATA ディスクベースの設計では、データ転送速度が限定されており、システム全体の性能の向上は難しい。一方、SATA ディスクのバースト転送のサイズを大きくすることにより性能向上が可能だが、データ転送のエラー率が高くなり、再転送を行うことで、逆に性能が悪化する場合もあった。本研究では、データ圧縮を使うことで、システム全体のスループットを向上することを提案する。状態ベクトル 方式のデータの特徴を考慮し、システム全体の構造を考えた上で、FPGA に基づいて、浮動小数点圧縮アルゴリズムZFP によって、Trefoil のホスト側通信ボトルネックを除去出きることを検証する。本論文について、Trefoil における圧縮の部分に絞って、ターゲットシステムのボトルネックを解明し、実装および評価を行う。また、一部最適化した圧縮IP の利用により、元のデザインと比べ、4 倍近く上回る性能を実現可能である。IP 全体最適化を行うことで、さらに性能向上することが期待できる。 |
| （英） | A quantum computer simulator is a tool to emulate the operation of a quantum computer on a classical computer. It is a challenge to deploy the state vector approach, which can faithfully reproduce states of n qubits, requiring 2n+4Bytes in the main memory. Considering power efficiency and manufacturing cost, we proposed an implementation of a quantum computer simulator using 32 Serial ATA (SATA) disks directly connected to an FPGA platform, Trefoil. The SATA-based design is constrained to data transfer speed, hindering the overall system performance. On the other hand, despite the burst transfer of SATA disks, system efficiency degrades due to the high error rate of data transfer and retransfers. In this study, we propose to improve the overall system throughput through data compression. We verify the feasibility of eliminating the communication bottleneck of Trefoil on the host side by using the floating-point compression algorithm ZFP based on FPGA after considering the structure of the entire system. For this paper, we focus on the compression part design using the HLS while clarifying the bottleneck of the target system. The partially optimized compression IP (FP-ZFP) outperforms the original design by nearly 4×, and it is promising to improve the system performance with overall IP optimization. | |
| キーワード | （和） | データ圧縮 / 量子コンピュータシミュレーション / 状態ベクトル方式 / / / / / |
| （英） | Data compression / Quantum computer simulation / Quantum state vector / / / / / | |
| 文献情報 | 信学技報, vol. 123, no. 374, RECONF2023-90, pp. 41-46, 2024年1月. | |
| 資料番号 | RECONF2023-90 | |
| 発行日 | 2024-01-22 (VLD, RECONF) | |
| ISSN | Online edition: ISSN 2432-6380 | |
| 著作権に ついて |
技術研究報告に掲載された論文の著作権は電子情報通信学会に帰属します．(許諾番号：10GA0019/12GB0052/13GB0056/17GB0034/18GB0034) | |
| PDFダウンロード | VLD2023-87 RECONF2023-90 |
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| 研究会情報 | |
| 研究会 | RECONF VLD |
| 開催期間 | 2024-01-29 - 2024-01-30 |
| 開催地（和） | 新川崎 創造のもり AIRBIC 会議室1～4 |
| 開催地（英） | AIRBIC Meeting Room 1-4 |
| テーマ（和） | FPGA 応用および一般 |
| テーマ（英） | FPGA Applications, etc. |
| 講演論文情報の詳細 | |
| 申込み研究会 | RECONF |
| 会議コード | 2024-01-RECONF-VLD |
| 本文の言語 | 日本語 |
| タイトル（和） | FPGAを用いた状態ベクトル型量子シミュレータ用データ圧縮技術の開発 |
| サブタイトル（和） | |
| タイトル（英） | An FPGA-based data compressor for state vector quantum simulators |
| サブタイトル（英） | |
| キーワード(1)（和/英） | データ圧縮 / Data compression |
| キーワード(2)（和/英） | 量子コンピュータシミュレーション / Quantum computer simulation |
| キーワード(3)（和/英） | 状態ベクトル方式 / Quantum state vector |
| キーワード(4)（和/英） | / |
| キーワード(5)（和/英） | / |
| キーワード(6)（和/英） | / |
| キーワード(7)（和/英） | / |
| キーワード(8)（和/英） | / |
| 第1著者 氏名（和/英/ヨミ） | ウェイ カイジ / Kaijie Wei / ウェイ カイジ |
| 第1著者 所属（和/英） | 慶應義塾大学 (略称： 慶大) Keio University (略称： Keio Univ.) |
| 第2著者 氏名（和/英/ヨミ） | 天野 英晴 / Hideharu Amano / アマノ ヒデハル |
| 第2著者 所属（和/英） | 慶應義塾大学 (略称： 慶大) Keio University (略称： Keio Univ.) |
| 第3著者 氏名（和/英/ヨミ） | 庭瀬 稜平 / Ryohei Niwase / ニワセ リョウヘイ |
| 第3著者 所属（和/英） | 筑波大学 (略称： 筑波大) University of Tsukuba (略称： Tsukuba Univ.) |
| 第4著者 氏名（和/英/ヨミ） | 三好 健文 / Takefumi Miyoshi / ミヨシ タケフミ |
| 第4著者 所属（和/英） | わさらぼ合同会社 (略称： わさらぼ) WasaLabo, LLC. (略称： WasaLabo) |
| 第5著者 氏名（和/英/ヨミ） | 山口 佳樹 / Yoshiki Yamaguchi / ヤマグチ ヨシキ |
| 第5著者 所属（和/英） | 筑波大学 (略称： 筑波大) University of Tsukuba (略称： Tsukuba Univ.) |
| 講演者 | 第1著者 |
| 発表日時 | 2024-01-29 15:30:00 |
| 発表時間 | 25分 |
| 申込先研究会 | RECONF |
| 資料番号 | VLD2023-87, RECONF2023-90 |
| 巻番号（vol） | vol.123 |
| 号番号（no） | no.373(VLD), no.374(RECONF) |
| ページ範囲 | pp.41-46 |
| ページ数 | 6 |
| 発行日 | 2024-01-22 (VLD, RECONF) |
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