R.S.F.Q 的應用與未來

1. R.S.F.Q 的應用與未來 p.s.kuo

2. 簡介 • 當今世界上最快的集成電路採用的是超導金屬鈮，而非半導體化合物製造。該技術基於約瑟夫森結(Josephson junction)元件和超導連接間單個磁通量子的傳送。 • 這些工作在10K溫度下的超導IC，於1980年早期研究的超導IC大有不同。正是在那些項目快結束的時候，一些新發現導致第二代超導材料和電路製造工藝的出現,發展出一種基於單個磁通量子的儲存和傳輸，稱為快速單磁通量子(RSFQ)的邏輯電路結構。

3. R.S.F.Q 基本原理 • 約瑟夫森效應於1962年由約瑟夫森提出，1963年由安德孫和夏皮羅實驗証實。現代約瑟夫森元件由兩層超導薄膜及中間的絕緣層構成，電子對因穿隧效應穿越絕緣層，在超導體內引起電流。 • RSFQ電路中代表信號位的不是靜態電壓，而是磁通量子的存在與否。

4. R.S.F.Q 基本原理 • RSFQ電路不直接利用逃逸的量子，而是依靠磁通量子進入或離開環路時在Junction中產生的短電壓脈衝。如約瑟夫森結為1um邊長的方形，電壓脈衝持續時間約1ps，幅度2mV。隨結尺寸減小，SFQ脈衝變窄，但幅度-時間乘積保持不變2mV-ps {2x10-15韋伯 }。 • 電壓脈衝可通過微傳輸線或主動約瑟夫森傳輸線快速傳輸到其它們。所有傳輸都是超導的，損失極小，時鐘頻率高達750GHz。

5. R.S.F.Q 的主要優點 • RSFQ technology ,one of the superconductor Josephson-junction digital technologies,has attracted significant attention because of- • (1)high speed • (2)low power operation

6. R.S.F.Q 的主要優點 • Extremely high operation speed clock period : (1) 10-20pS(100GHz) for fabricated Josephson junction while bit error is well below (2) as small as 1-2pS if submicron niobium technology were used----------Theoretical.

7. R.S.F.Q 的主要優點 • Power consumption • Source : (1) energy dissipation inside the Josephson junction : -----很小 (2)dissipation in dc current supply resistors: per gate -----比較大 • 與矽元件之比較 : 0.8μm 100GHz的RSFQ元件功率消耗約為普通矽元 件的十萬分之一。

8. R.S.F.Q 的其它優點 • 精度高: 交流約瑟夫森效應使得可用簡單的電壓測量導出輸出磁通量子的頻率. • 電路密度高 : Josephson-junction 超導連接 • 信號傳輸幾乎無色散:可改善晶片中互連相關的延遲-----進而增加時鐘(clock)速度 ∴可密集封裝而不會過熱 功率消耗～0

9. 用R.S.F.Q 做成的邏輯 (1) • AND function F=(A+B) ×(C+D) AND circuit (a) equivalent circuit

10. 用R.S.F.Q 做成的邏輯(1) (b) Dynamics for two set of data : {A=B=1,C=D=0} and {A=C=1, B=D=0}

11. 用R.S.F.Q 做成的邏輯(1) • (1)A=B=1,C=D=0 : J3 “1” state SFQ is applied to J5,J7 but Ic5<Ic7 no output pulse J4 “0” state • (2)A=C=1,B=D=0 : J3 “1” state J3,J4 are switched simultaneously SFQ inject to J7 through L1,L2 J4 “0” state Ic5+Ic6>Ic7output pulse produce Ic : critical current

12. 用R.S.F.Q 做成的邏輯(2) • XOR cell (a) Equivalent circuit Two storage interferometers: :J1, J3, L1, J5, J7 And J2, J4, L2, J5, J7 which are biased by Ib1 and Ib2 .

13. 用R.S.F.Q 做成的邏輯(2) • (b)State transition diagram of XOR Ic5<Ic3+Ic4 ; State “10” , A輸入“1”, J5 transit to initial “00” state

14. 用R.S.F.Q 做成的邏輯(3) • Template circuit of a subfamily of B flip-flop.

15. 用R.S.F.Q 做成的邏輯(3) state transition diagram

16. Dual –rail logic gate based on RSFQ cells • 目的 : RSFQ 的靈敏度受限於電路參數和電源供應變異的影響,尤其在極高頻時,時鐘(clock)脈衝的分佈將更為複雜.為解決此一問題,我們可使用dual-rail 資料型式的非同步資料驅動閘. • 缺點 : 硬體使用量大 for example : 44 Josephson junction for dual-rail gate XOR gate : only 9 junctions for classical RSFQ gate

17. Dual –rail logic gate based on RSFQ cells • General structure of two-input data-driven dual-rail ligic gate

18. Dual –rail logic gate based on RSFQ cells Optimum solution : Using the clock-driven logic for “local” computations in the blocks,and dual-rail logic to exchange the data betweem blocks

19. On-chip and off-chip • Package 的重要性 : • RSFQ 技術可望解決現今on-chip的問題,使的CPU速度大為提昇

20. SFQ pulse 的傳輸 • Josephson junction impedance matching • Superconductor allows ballistic transfer of SFQ pulses between them

21. SFQ pulse 的傳輸 On-chip ballistic transfer of SFQ pulses along superconductor microstrip lines • 未來的用途: SFQ pulse transfer between chip to chip + superconductor microstrip lines are used as chip interconnects

22. Chip-to-chip ballistic pulse transfer • Equivalent circuit of chip interconnects • Minimize the L effect : adding groundcapacitors on each side of L to match the Impedance between L and Z L will distort and reflect the fast rise signal pulses

23. Chip-to-chip ballistic pulse transfer • Limitation of L value : time constant of incoming pulses

24. Multiple Flux Quantum(MFQ) pulses • 目的 : 為了提高L的最大容許值 ,必須使用具有高阻的傳輸線 -------方法 : 使用由多個Josephson junctions 堆疊而 成的驅動器以產生MFQ脈衝.

25. MFQ driver equivalent circuit of MFQ driver N nonlatching superconducting quantum interferometers connected in series

26. MFQ driver • Output : sum of simultaneous SFQ pulses produced by N superconducting quantum interferometers • Input : SFQ pulses • Interferometer : magnetically controled by the corresponding output of an SFQ splitter

27. MFQ driver • Result of using MFQ driver : L can be as large as 20～30 pH

28. R.S.F.Q 的主要應用 • 基於相位調制/解調結構的 RSFQ高精度A/D轉換器 超導A/D轉換器的性能已超過以往任何技術。 (1)包含了2500多個約瑟夫森結 (2)工作時鐘為12.8GHz。 (3)再結合超導A/D的量子級精度

29. R.S.F.Q A/D 轉 換 器 的 特 性 • 寬頻動態可編程性能 : 用戶可以時時在位寬度和帶寬之間做平衡 ; 與此相比，半導體A/D轉換器則很少針對幾種工作頻率設計 寬頻通信和雷達系統中，特別是全軟件無線電實現的無線通信 提高接收靈敏度和精度，可簡化手機和終端的配置要求。 應用 優點

30. 結 論 • 商業化前景 : (1)RSFQ不需要昂貴的製造設備,在矽晶片製造中幾乎過時的1μm級設備就夠了，而且RSFQ元件的製造本身比任何半導體製造都簡單，不需要包括外延生長、摻雜或離子注入在內的複雜步驟,僅需要在矽晶圓片上濺射超導薄膜和絕緣層，而晶圓可保持在接近室溫 ----------------------------製程便宜且容易。 速度是目前最快半導體IC的100倍，所有技術都需要考慮到電磁信號的分布式本質。

31. 結 論 • (2)市場對高頻寬應用的需求------促使超導RSFQ技術和當前已近極限的半導體製造技術結合。 • (3)最大的問題 : 為了做大尺寸的RSFQ系統, 封裝(packaging)是最大需克服的難題, 而解決的方法就是使用 SFQ/MFQ drivers

32. Reference • (1) Stas Polonsky. RSFQ: What we know and what we don’t . SUNY-Stony Brook Physics Department. Stony Brook,NY 11794-3800 • (2) 《世界電子元器件》2月號  • (3) O.A.Mukhanov, S.V. Polonsky ,and V.K.Semenov. New elements of the RSFQ logic famaily . IEEE Trans. on Magnetics, vol. 27, NO. 2, March 1991.