Hızlı Tek Akı Kuantum Teknolojisi ile Kogge-stone Toplama Devresi Tasarımı ve Özgün Birleşik Kapı Geliştirilmesi

Abstract

Geçmişten günümüze, gelişen bilgisayarlardaki aritmetik ve mantık işlemlerinin hesaplama zorluğu, işlemci tasarımında önde gelen problemlerden biri olmuştur. Bu problem, daha hızlı ve verimli devreler tasarlanması üzerinde çalışılmasına ve farklı yapılarda, toplama ve çarpma devreleri gibi özelleştirilmiş mantık devreleri tasarlanmasına yol açmıştır. Günümüzde kullanılan yarı iletken teknolojisi, işlem hızı ve bu hıza bağlı enerji tüketiminde teorik öngörülen limitlere yaklaşmaktadır. Yarı iletken teknolojisine alternatif olan Hızlı Tek Akı Kuantumu (RSFQ) teknolojisi ise, düşük enerji tüketimi, yüksek operasyon ve iletim hızı ile öne çıkmaktadır. Bu teknoloji kullanılarak özellikle son 20 yıl içerisinde yüksek hızlarda çalışabilen ve yarıiletken eşdeğerlerine göre enerji tüketimi 10000'de 1'i kadar olan çeşitli devreler geliştirilmiştir. Ancak halen gelişim aşamasında olan RSFQ teknolojisi, tasarım araçlarının az ve yetersiz olması sebebiyle, birçok noktada el ile tasarlamayı gerektirmektedir. Bu çalışma kapsamında dalga boru hattı yöntemi ile çalışan 8 bitlik özgün bir Kogge-Stone toplama devresi ve devrede kullanılan Tam Toplayıcı mantık bloğu gibi özgün mantık bloklarının tasarımları yapılmıştır. Bu çalışmadaki mantık blokları ve bağlantı hatları tamamen el ile tasarlanmıştır. Tasarlanan blokların devre parametreleri, Parçacık Sürüsü Optimizasyonu (PSO) aracı kullanılarak optimize edilmiştir. Böylece toplama devresinin performansının arttırılması hedeflenmiştir. Ayrıca, tamamlanan toplayıcı devresinin veriminin ve çalışma toleransının artırılması amacıyla İstatistiksel Zamanlama Analiz Aracı (STATS) kullanılarak iyileştirmeler yapılmıştır. Sonuç olarak hedef frekansı 25GHz olan ve 6581 Josephson Eklemi'nden oluşan 8 bitlik bir Kogge-Stone toplayıcı devresi tasarlanmıştır.

Since the invention of computers, arithmetic and logic operations using digital circuits have been one of the leading problems in processor design. This problem forced designers to develop specialized logic circuits for faster and efficient calculations, namely adder and multiplier circuits. Nowadays straight forward usage of conventional Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) logic circuits, have encountered a fundamental obstacle in terms of power consumption. One of the major alternatives to this technology, Rapid Single Flux Quantum (RSFQ), presents the advantage of higher operation speed while ensuring very low power consumption. In the last 20 years, different circuits have been designed via RSFQ technology with faster operation speed and a third order of magnitude lower power consumption compared to CMOS technology. However, RSFQ is a relatively new technology therefore, there is not many commercially available design and routing tools for the circuit level design and the entire routing have to be done manually. In this study, a custom, wave pipelined, 8 bit Kogge Stone Adder circuit and a custom compound logic gate similar to Full Adder, is designed. It is noteworthy to mention that all wiring and logic block designs are made manually and component parameters of the designed compound gate are optimized using Particle Swarm Optimization tool. Besides, timing analyses are made to the whole circuit by using Statistical Timing Analysis Tool for SFQ Cells (STATS) to improve jitter and timing of the whole circuit. Finally, an 8 bit Kogge-Stone Adder circuit is designed with a 25GHz target working frequency which also utilizes 6581 Josephson Junctions.