高性能コンピュータを作ろう

田中研究室　TANAKA Laboratory
教授：田中 清史（TANAKA Kiyofumi）

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［研究分野］
計算機アーキテクチャ、リアルタイム組込みシステム
［キーワード］
キャッシュメモリ、低消費電力、高機能メモリシステム、FPGA、相互結合網、リアルタイムスケジューリング、組込みOS

研究を始めるのに必要な知識・能力

「デジタル論理と計算機構成」、「計算機アーキテクチャ特論」、および「オペレーティングシステム特論」の知識を基に研究を行います。コンピュータの動作原理の理解と高性能化・低消費電力化に対する意欲が要求されます。また、ほとんどの研究でプログラミングが必要となります。

この研究で身につく能力

大学院での修士・博士研究を遂行することにより、調査、問題発見、立案と計画書作成、実装、評価、論文（報告書）作成、プレゼンテーションといった、将来の仕事において様々な場面で必要とされる能力を凝縮した形でトレーニングすることができます。特にこの研究室では、計算機ハードウェアの論理設計を経験することにより、オブジェクト群の並行動作（システム全体）をイメージする力と、それを実現するためのオブジェクト設計（個々の問題解決）能力が養われます。

【就職先企業・職種】 情報通信・情報処理産業

研究内容

　我々の生活環境において、携帯電話、家電製品、ネットワーク機器、自動車など、いたるところにコンピュータが組み込まれており、これらのほとんどでリアルタイム性が要求されています。従来のリアルタイム組込みシステムは機器の急速な普及と高機能化・グローバル通信化にともないIoT（Internet of Things）やCPS（Cyber-Physical Systems）といったパラダイムへ発展しつつあります。本研究室ではハードウェアと基本ソフトウェアの両面から効率の良いリアルタイム処理を実現する方式を研究します。実際にシステムを設計・実装することによる実証的な研究を目標とします。

■リアルタイム組込みシステムの実現

　あらゆる組込みシステムにおいて共通して使用されるコンポーネントである制御用プロセッサ、メモリ制御、および基本ソフトウェアであるリアルタイムオペレーティングシステムの研究開発を行っています。
組込み用リアルタイムRISC プロセッサ
　組込みシステムに使用されるプロセッサ は低コスト、低消費電力であることが要求されますが、加えて制御・通信機器などでは高速な応答性能が重要となります。我々は従来のRISC 型プロセッサアーキテクチャを拡張し、マルチコンテキストアーキテクチャと低コスト・高効率キャッシュメモリによる高速割込み応答機構を実現する組込みRISCコアを研究し、独自設計のLSIを開発しています。
リアルタイムオペレーティングシステム
　リアルタイムシステムでは時間制約を満たすことに加え、重要なタスクの応答性が重視されます。リアルタイムタスクの応答性向上のためには、オペレーティングシステムが行うタスクスケジューリング方式の選択が重要です。本研究室ではITRON 等の従来の組込みOS が提供するシステム開発のためのインタフェースを保ちつつ、更にタスク実行時に動的に変化する各種時間属性を考慮して、可能な限りリアルタイム性を向上させる適応型スケジューリング法を提案・評価し、本スケジューリング方式を実現するリアルタイム組込みOS を研究開発しています。

■暗号処理アクセラレータ

　今日のICT 環境において暗号技術は必須となっています。特に組込み／ IoT機器では省資源で効率の良い暗号処理を提供することが求められています。本研究室では楕円曲線暗号をFPGA で実装することにより、組込み機器に適した暗号システムを提供します。特徴としては、データフローに基づく並列性の抽出による高速性、およびサイドチャネル攻撃に耐性を持つことが挙げられます。

■その他の研究

　本研究室ではその他、機械学習ハードウェア、ハードウェア・基本ソフトウェア（OS）に対するコンフィギュレーションによるアプリケーションへの適応化手法、FPGA 上でのマルチコア・ソフトプロセッサアーキテクチャ、低消費電力アーキテクチャ、RISC-V プロセッサなどの研究を実装を含めて行っています。

主な研究業績

1. T.Suzuki, K.Tanaka, “Real-time Scheduling Algorithm with Execution Right Delegation for Multiprocessor,” Journal of Information Processing, Vol.31, pp.67-77, 2023.
2. K.Tanaka, A.Miyaji, Y.Jin, “Efficient FPGA Design of Exception-Free Generic Elliptic Curve Cryptosystems,” Proc. of 19th International COnference on Applied Cryptography and Network Security (ACNS), LNCS 12726, pp.393-414, 2021.
3. Y.Chen, K.Tanaka, “Acceleration of Residual Binarized Neural Network,” Proc. of the 23rd Workshop on Synthesis And System Integration of Mixed Information technologies (SASIMI), pp.126-131, 2021. (Outstanding Paper Award)

使用装置

Linux/Solaris サーバ群およびストレージ
FPGA 開発環境・各種FPGA 評価ボード
各種設計CAD/ 検証ツール
各種計測器（オシロスコープ，ロジックアナライザ，等）