単一磁束量子論理回路を用いた新機能単一量子集積システムの研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12450144
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 吉川 信行 横浜国立大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (70202398)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金田 久善 横浜国立大学, 大学院・工学研究院, 助手 (30242382)
• Keywords: 単一磁束量子 / SFQ / 超伝導集積回路 / Josephson素子 / BDD / 二分決定グラフ / セルベース設計法 / マイクロプロセッサ

Research Abstract

超伝導回路中の単一磁束量子を情報担体とする単一磁束量子論理回路は、演算の高速性、低消費電力性の面で半導体論理回路を大きく上回る性能を有し、次世代の高速高密度集積回路の基礎技術として注目されている。本研究は、非ブーリアン系の論理表現である二分決定グラフ(BDD)に基づいた単一磁束量子論理回路の構成方法について検討を行い、単一量子集積システムの実現を目指す。
昨年度は主に、BDDに基づく単一磁束量子論理回路の基本セルの最適化とそれらの動作検証、ならびに小規模な単一磁束量子マイクロプロセッサの設計とシステム評価を行った。本年度はこれらの成果を踏まえて、BDD単一磁束量子論理回路の大規模化を目指し、マイクロプロセッサシステムの要素システムを製作し、その特性を評価した。具体的には以下の成果を得た。
(1)単一磁束量子マイクロプロセッサの設計
非同期手法に基づくビットシリアルマイクロプロセッサの設計を行い、大規模回路設計における問題点や課題を抽出した。ビットシリアルアーキテクチャの採用により、現行のプロセスを用いてマイクロプロセッサのクロック周波数が12GHz程度であることを示した。更に加算器の設計の変更により16GHz程度の動作が可能であること、その他、大規模回路設計に対する多くの知見を得た。
(2)基本セルの高マージン化
大規模単一磁束量子集積回路の実現に向けて、セルベース設計法に基づき作製した基本セルの高マージン化を行い、±30%以上の動作マージンを持つセルライブラリを完成させた。
(3)大規模単一磁束量子論理回路の動作実証
マイクロプロセッサの構成要素であるレジスタ、マルチプレクサ、プログラムカウンタ、ALUの試作を行った。ALUについてと回路動作の測定を行い、正常動作を検証した。以上により、現在のプロセス技術で1000接合規模の論理回路が実現可能であることを示した。

Research Products

• [Publications] N.Yoshikawa, J.Koshiyama, K.Motoori, F.Matsuzaki, K.Yoda: "Cell-based top-down design methodology for RSFQ digital circuits"Physica C. 357-360. 1529-1539 (2001)
• [Publications] A.Fujimaki, Y.Takai, N.Yoshikawa: "High-End Server Based on Complexity-Reduced Architecture for Supercnductor Technology"IEICE Transactions on Electronics. E85-C(To be published). (2002)
• [Publications] F.Matsuzaki, K.Yoda, J.Koshiyama, K.Motoori, N.Yoshikawa: "Design of small RSFQ Microprocessor based on Cell-Based Top-Down Design Methodology"IEICE Transactions on Electronics. E85-C(To be published). (2002)
• [Publications] N.Yoshikawa, K.Yoda, H.Hoshina, F.Matsuzaki: "Cell-Based Design Methodology for BDD RSFQ Logic Circuits Tolerance of Basic Cells to Circuit Parameter Variations"Supercond. Sci. Technol. 15(To be published). (2002)
• [Publications] N.Yoshikawa, F.Matsuzaki, N.Nakajima, K.Yoda: "Design and Component Test of a 1-bit RSFQ Microprocessor"Physica C. (To be published). (2002)
• [Publications] K.Fujiwara, H.Hoshina, J.Koshiyama, N.Yoshikawa: "Design and Component Test of RSFQ Packet Decoders for Shift Register Memories"Physica C. (To be publishied). (2002)