2018 Fiscal Year Annual Research Report
Research on Ultra-Low-Power Sub-terahertz Superconductor Quantum Digital Systems Based on Pulse-Driven Circuit Technology
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18H05211
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
藤巻 朗 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20183931)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高木 直史 京都大学, 情報学研究科, 教授 (10171422)
牧瀬 圭正 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (60363321)
山下 太郎 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (60567254)
吉川 信行 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (70202398)
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| Project Period (FY) |
2018-04-23 – 2023-03-31
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| Keywords | 半磁束量子回路 / 単一磁束量子回路 / 磁性ジョセフソン接合 / パルス駆動回路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、パルス駆動回路（単一磁束量子（SFQ）回路、半磁束量子（HFQ)回路）を用いた高速低消費電力のメモリ及びマイクロプロセッサプロトタイプを構築することを目的としている。
2018年度では、(1)パルス駆動回路の設計最適化手法、(2)HFQ回路の基本素子となる磁性ジョセフソン接合・回路技術、(3)高速化に向けた高臨界電流密度ジョセフソン接合技術、(4)電磁波配線の細線化ならびに三次元実装技術を中心に研究を進めた。
(1)については、信号の到来時刻の推定精度を向上させ、配線長を考慮した概略配線手法を提案した。また、クロック信号とデータ信号と統合して、総配線量を低減する回路設計手法を提案し、信号の統合と分離に必要な回路を示した。
(2)に対応し、HFQ回路では、ジョセフソン電流と超伝導位相差の関係が、従来とは反転するpiジョセフソン接合が必要となる。この接合は、強磁性体の交換相互作用を利用して具現化できる。そこで、Nb/PdNi/Niの超伝導-強磁性体-超伝導（SFS)ジョセフソン接合、ならびにPdNiとNbの間にトンネル障壁を設けたSFISジョセフソン接合において、特性のPdNi膜厚依存性を調査した。piシフトが観測されており、現在は集積回路化に向け、従来のSFQ回路との融合技術を着手している。
(3)の高臨界電流密度化を実現するため、原子層堆積装置とNb・Moスパッタ室、および6元スパッタ室をクラスター化した新規装置を導入した。現在、立ち上げ中であり、デバイス再現性と歩留まりの評価を進めている。
(4)に関連し、3次元実装に向け、高密度バンプを介したフリップチップデバイスを設計、作製し、チップ間の超伝導接続を実証した。また、3次元パラメータ抽出ツールと電磁界シミュレータを立ち上げ、超伝導遅延線の伝送特性を解析するとともに、実験においてそれらの伝送特性を評価した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実績の欄では、スペースの関係で触れられなかったが、半磁束量子（HFQ)回路の数値解析は大きな進展があり、回路設計のガイドラインを作成させた。これは既にある程度設計技術が確立された単一磁束量子（SFQ)回路の要素を置き換えることで、HFQ回路が具現化できることを示したもので、今後の回路開発の大きな指針となる。同時に、回路の振る舞いが明確となり、低消費電力化や高速化の定量的な議論が可能となった。
従来のジョセフソン接合による集積回路上に磁性ジョセフソン接合を形成する技術を開発した点も計画以上の進展である。これにより、半磁束量子回路のメモリなどの構成の目途が立った。
一方、従来のジョセフソン接合の高臨界電流密度化については、装置改造の納入遅れもあり、現時点でも条件抽出中とやや遅れ気味である。ただし、集積回路自身は別装置で作製もでき、従来の臨界電流密度を持つSFQ回路のテスト自身は順調に進んでいる。
磁性ジョセフソン接合については、別の装置搬入の関係で、成膜できない時間が生じたこともあり、想定より2か月ほど遅れての研究進捗となる。ただこれも、今後の研究に大きな影響を与えるものではない。
そのほかはほぼ計画通りである。以上より、「おおむね順調に進展している。」と自己評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
高速マトリクスメモリ、低消費エネルギーパルス駆動回路としての半磁束量子回路の実験的な取り組みを本格的に取り組む。そこでは、磁性ジョセフソン接合（pi接合）と通常のジョセフソン接合（0接合）による量子干渉素子（0-pi SQUID）が鍵を握る。最初のステップとして、半磁束量子単位の周期で動作する量子干渉計を実証する。同時に、従来のジョセフソン接合による集積回路上に磁性ジョセフソン接合を形成する技術をベースに、メモリセルと論理回路の実証を図る。
設計技術としては、遅延時間制御を最優先に自動配線を行うツールを開発する。これを用いて、マイクロプロセッサの試作を行う。
並列演算では、配線が占める面積が相対的に増大する。この影響を回避するために、配線（ストリップ線構造導波路）の細線化を図る必要がある。2019年度は、層間絶縁膜の膜厚の変更等も視野に、細線化とビット誤り率の関係を調査する。
パルス駆動回路のさらなる高速化に向け、0接合の高臨界電流密度化が必要となる。これには新たに導入した装置を用い、安定したトンネル障壁層の形成を図る。これは、ジョセフソン接合自身の出力インピーダンスを向上させることから、ストリップ線構造導波路の細線化につながる。オンチップ測定手法等によって、高周波信号伝送特性を評価する。また、単一磁束量子(SFQ)回路とメモリチップを、face-to-faceで三次元実装し、SFQ信号に伴うパルスの伝送特性を評価する。
量子雑音が古典的計算に与える影響実験的に解析するために、0-0-pi SQUIDによる1/2分周回路を試作し、評価する。量子雑音が熱雑音よりも大きい環境の創出のために、希釈冷凍機を導入する。これは、量子計算機との融合の基礎実験の意味も持つ。高度なノウハウが必要なため、2019年度は、冷凍機の立ち上げと動作させるスキルの習熟度を上げる努力をする。
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Research Products
(30 results)
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[Presentation] 30-GHz Operation of Datapath for Bit-Parallel, Gate-Level-Pipelined Rapid Single- Flux-Quantum Microprocessors2018
Author(s)
M. Tanaka, Y. Hatanaka, Y. Matsui, I. Nagaoka, K. Ishida, K. Sano, T. Yamashita, O. Takatsugu, K. Inoue, A. Fujimaki
Organizer
Applied Superconductivity Conference (ASC2018)
Int'l Joint Research / Invited
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