Low Power High Speed Computing Using Rapid Single Flux Quantum Circuits

Abstract

Günümüzde, daha yüksek hız ve daha az güç tüketen bilgisayarlara olan ihtiyaç, CMOS teknolojisine alternatif mantık arayışına yol açmaktadır. Süperiletken mantık teknolojisi ve süperiletken çok geniş çaplı entegrasyon (VLSI) devre fabrikasyonu alanındaki son gelişmeler, tek bir çip üzerinde çok sayıda Josephson kavşağı içeren karmaşık hızlı tek akımlı kuantum (RSFQ) devrelerini ve yapılarını tasarlamamızı mümkün kılmaktadır. Bu ilerlemeler, çok sayıda MOSFET tüketen ve nispeten yüksek frekansta çalışan mantık devrelerinin geliştirilmesine yol açar. Bu çalışmada 4-bit paralel mimarisinde aritmetik mantık birimi (ALU), süperiletken tek akış kuantum mantıksal devrelerle tasarladık. Paralel mimari, iyi bir gecikmeyi korurken Kogge-Stone'dan daha basit bir yapıya izin verir. ALU, STP2 standart (2.5 KA / cm2) işlemi kullanılarak tasarlanmış ve 2.5mV kutuplama yapanda, 25 GHz saat frekansında 620pS gecikme özelliğine sahiptir. ALU, 9000'den fazla kavşaktan oluşur ve çarpma, toplama ve çıkarma da dahil olmak üzere 8 farklı işleme sahiptir ve yaklaşık 2.4 mW güç tüketir. Bu mantık birimi, harici CMOS işlemcileri ve CMOS bellekleriyle birlikte bir işlemci olarak kullanılmak üzere tasarlanmıştır. ALU'nun çalışmasını teyit etmek için, ilk önce tüm parçalar ayrı olarak üretildi ve 4K nabız tüpü özel tasarlanmış kriyo-soğutucu içinde test edildi. Soğutucu ve çip paketı yüksek akım kutuplama için değiştirilmiş.

Nowadays, the need for the higher speed and lower power consuming computers lead to searching for alternative logics to CMOS technology. Recent advances in the field of superconductor logic technology and superconducting very large-scale integration (VLSI) circuit fabrication allows us to design complex rapid single flux quanta (RSFQ) circuits and structures with high number of Josephson junctions on one chip. These advances lead to developing logic circuits that consume power orders of magnitude less than MOSFETs and working at the relatively higher frequency.In this work, we have designed a 4-bit arithmetic logic unit (ALU) with bit-parallel architecture in rapid single flux quantum logic regime. The parallel architecture allows the simpler structure than Kogge-Stone while maintaining the good latency. The ALU was designed using standard cell library to be fabricated with STP2 standard (2.5 KA/cm2) process and have a latency of 620ps at the most critical path at 2.5 mV bias in 25 GHz clock frequency. The ALU consists of more than 9000 junctions and has 8 different operations including multiplication, add and subtract, and consumes about 2.4 mW of power. This logic unit was designed to be used as a coprocessor with external CMOS processors and be able to function with CMOS memories. To confirm the working of the ALU, first all the parts were separately fabricated and tested in 4K pulse-tube custom designed cryocooler. The cooler and package is modified to measure high bias circuits.