Логическое семейство RSFQ. Основные принципы работы схемы SFQ

Джозефсоновская передающая линия
Основные принципы работы схемы SFQ
Обработка данных в схемах SFQ может быть представлена на примере работы ячеек RSFQ. Шина данных RSFQ показана на рисунке. Это параллельный массив сверхпроводящих петель, состоящий из джозефсоновских переходов (показаны крестиками) и сверхпроводящих индуктивностей, широко известных как сверхпроводящие устройства квантовой интерференции - СКВИДы.

Эта структура называется линией передачи Джозефсона (JTL). SFQ можно переносить вдоль этой JTL путем последовательного переключения джозефсоновских контактов. Основной принцип работы логических ячеек SFQ сводится к суммированию токов, которые являются токами SFQ, и токов смещения. Это суммирование приводит (или не приводит) к последовательному переключению джозефсоновского перехода, приводящему к воспроизведению (или не воспроизведению) SFQ. Поступление импульса SFQ в течение тактового периода в логическую ячейку имеет двоичное значение “1”, а отсутствие означает “0”.

Джозефсоновская передающая линия (JTL).
Ib - ток смещения. Синяя стрелка представляет собой циркулирующий ток SFQ. Оранжевой стрелкой выделен переход Джозефсона, перешедший в резистивное состояние.

Пример тактового считывания информации из логической ячейки RSFQ показан на следующем слайде. Синхронизация осуществляется путем приложения SFQ’s к ячейке. Верхняя JTL служит для распространения тактовых SFQ. SFQ ответвляются в ячейку через дополнительную ветвь, связанную с JTL, как показано на рисунке. Ib - приложенный ток смещения. Синие стрелки показывают циркулирующие токи SFQ. Оранжевыми стрелками выделены джозефсоновские переходы, включенные в резистивное состояние. Пунктирным прямоугольником обозначена пара, принимающая решение.

Операция считывания выполняется парой переходов, отмеченных пунктирным прямоугольником. Эта пара обычно называется парами принятия решений. Наличие (или отсутствие) циркулирующего тока SFQ в контуре логической ячейки приводит к тому, что нижний переход находится ближе (или дальше) к своему критическому току по сравнению с верхним переходом. Тактовая частота SFQ переключает нижний (или верхний) переход соответственно. Воспроизведение SFQ нижним переходом означает логическую «1» на выходе, а отсутствие SFQ означает логический «0». Рассматриваемая логическая ячейка действует как конечный автомат (его выход зависит от истории его входа). Она работает как широко используемый D-триггер («D» означает «данные» или «задержка») - основа регистров сдвига и поэтому RSFQ является последовательной логикой в отличие от полупроводниковой логики, которая является комбинационной (где выход логической ячейки является функцией только ее текущего входа).

Логика RSFQ
Логика RSFQ доминирует в сверхпроводниковой цифровой технологии с 1990-х годов. На ее основе были реализованы многие устройства с цифровыми и смешанными сигналами, такие как аналого-цифровые преобразователи, процессоры цифровых сигналов и данных. В начале развития RSFQ энергоэффективности не придавали значения и считалось, что высокая тактовая частота является основным преимуществом RSFQ. Так, был представлен чрезвычайно быстрый цифровой делитель частоты на основе RSFQ (T-триггер) с тактовой частотой до 770 ГГц и это одна из самых быстрых цифровых схем.

Первыми базовыми ячейками RSFQ на практике были сверхпроводящие петли с двумя джозефсоновскими переходами (т.е. ПТ-СКВИДы). Эти ячейки были соединены резисторами (так , что «R» в сокращении означает «резистивный»). Соединение шины питания также было резистивным.

Резисторы, соединяющие ячейки, определили стационарное рассеивание энергии, PS = IbVb, где Ib и Vb - постоянный ток смещения и соответствующее напряжение. Типичное значение тока смещения,как правило, Ib ≈ 0,75 Ic. Напряжение смещения должно было быть порядка выше характеристического напряжения джозефсоновского перехода, Vb ~10 IcRn, чтобы предотвратить перераспределение тока смещения. Это требование определило номиналы резисторов смещения. В итоге типичная рассеиваемая мощность стационарной ячейки RSFQ составляет PS ~800 нВт, а динамическое рассеяние мощности, соответствующее полезному переключению джозефсоновского перехода, определяется как PD = IbΦ0f, где f - тактовая частота. Для типичной тактовой частоты 20 ГГц PD находится на уровне 13 нВт, т.е. примерно в 60 раз меньше стационарной. Для повышения энергоэффективности схем RSFQ необходимо уменьшение стационарного рассеивания энергии. Это было реализовано в энергоэффективных преемниках RSFQ, ERSFQ и eSFQ , где «E / e» означает «энергоэффективный», в которых PS полностью равен нулю.

Схема питания ERSFQ. Lb - индуктивность, ограничивающая изменение тока смещения.
cell
cell
ERSFQ
В ячейках ERSFQ резисторы в линиях питания заменены на джозефсоновский переходы, ограничивающие изменение тока смещения в этой логике. Это дает возможность схемам находиться в чистом сверхпроводящем состоянии. Основная трудность при устранении резисторов смещения - это образование сверхпроводящих контуров между логическими ячейками и возникновение токов, циркулирующих по соседним ячейкам которые препятствуют правильной работе цепей. Однако в ячейках ERSFQ паразитные набеги фазы автоматически компенсируется соответствующими переключениями джозефсоновских переходов и индуктивностями Lb в линии питания ERSFQ. Хотя большое значение этой индуктивности Lb минимизирует изменение тока смещения, ее большой геометрический размер увеличивает площадь цепи. Возможные решения этой проблемы - увеличение количества слоев разводки и использование сверхпроводящих материалов, имеющих высокую кинетическую индуктивность. Эти материалы также могут быть использованы для дальнейшей миниатюризации самих логических ячеек.

Схема питания eSFQ. Пунктирным прямоугольником обозначена пара, принимающая решение.
eSFQ
Основная идея eSFQ - «синхронная фазовая балансировка». Ток смещения подводится к паре принятия решения, см. рис. Один джозефсоновский переход этой пары всегда переключается в течение тактового цикла, независимо от содержания данных. Следовательно, среднее напряжение и приращение фазы Джозефсона всегда одинаковы для любой такой пары. Это предотвращает появление паразитных циркулирующих токов. Джозефсоновский переход в линии питания требуется только для правильной регулировки фазового баланса во время процедуры включения и во время нормальной работы цепи его паразитного переключения не происходит. Достигнутый фазовый баланс позволяет устранить большие индуктивности в линиях питания ERSFQ, и поэтому схемы eSFQ занимают почти такую ​​же площадь, как и схемы RSFQ, но работают лучше.

С другой стороны, эта синхронная фазовая балансировка делает eSFQ чистой синхронной логикой в ​​отличие от ERSFQ и переход на eSFQ требует корректировки библиотеки RSFQ , что приводит к увеличению числа джозефсоновских контактов. Например, JTL должен быть заменен регистром сдвига (последовательный массив D-триггеров, рассмотренный выше). Сходство подходов ERSFQ и eSFQ позволяет сделать общую оценку общего увеличения числа джозефсоновских переходов до 33–40% по сравнению со схемами RSFQ.

Общие особенности логического семейства RSFQ
Источник тактирования фактически являются частью данных в схемах ERSFQ. Это означает, что они глобально асинхронны, а тактовую частоту (т.е . частоту повторения SFQ в синхронизирующем JTL) можно регулировать «в полете» логическими ячейками в соответствии с данными обработки, что увеличивает функциональные возможности. Источником напряжения смещения может быть JTL, питаемый постоянным током смещения и тактовыми сигналами SFQ, подаваемыми от встроенного тактового генератора SFQ, см. рис.