Research on ultra-low power sub-terahertz superconducting quantum digital systems based on pulse-driven circuits

基于脉冲驱动电路的超低功耗亚太赫兹超导量子数字系统研究

基本信息

批准号：
18H05211
负责人：
藤巻朗
金额：
$ 393.87万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-23 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

2022年度は、当初計画に沿って、大きく3つの課題について研究を進めてきた。１つはパルス駆動の高速マイクロプロセッサの開発である。具体的には、単一磁束量子回路を用いて、8ビット並列のマイクロプロセッサの実証を進めた。世界で本研究グループのみが、ビット並列で50GHz以上の動作速度での大規模集積回路の実績を持つが、マイクロプロセッサは各機能ブロック間で処理速度が異なり、各ブロック間のデータのやりとりが極めて複雑になる。加えて、データパスは50GHz以上で動かす必要があることから、設計において最も難易度が高い。精緻な信号伝搬の遅延時間の制御法を確立ことで、64GHzまでの命令実行を確認した。なお、設計技術に関しては、各論理ゲートに到来する信号のタイミングのよりいっそうの厳密制御をサポートするため、様々な論理ゲートを含む回路を対象とする静的タイミング解析ツールを開発するとともに、レイアウトエディタによる配線環境の整備を行った。2つ目の課題は、磁性接合によるパルス駆動のマトリクスメモリを中心とする半磁束量子回路の実証に関するものである。磁性接合を世界で唯一安定に形成する技術を有しており、この技術をベースにパルス駆動マトリクスメモリの解析や開発を進めた。論理値0と1の状態間に存在するエネルギー障壁をパルスの持つエネルギー10zJオーダーで制御することに成功し、ワード線とビット線で選ばれたところの記憶セルの書込みや読出しに成功している。なお、このメモリとマイクロプロセッサを将来は3次元実装する必要がある。これまで、マルチチップ構造においてパルスのチップ間伝送特性を測定し、120GHzでの伝送を確認している。3つ目の課題は、量子限界に近い環境での半磁束量子回路の動作の実証である。この目的のために、独自の半磁束量子回路用プロセスを開発し、トグルフリップフロップの動作を確認した。

2022财年，我们按照初步计划对三个主要问题进行了研究。一是脉冲驱动高速微处理器的开发。具体来说，我们演示了使用单通量量子电路的 8 位并行微处理器。该研究小组是世界上唯一一个拥有以 50 GHz 或更高运行速度以位并行方式运行的大规模集成电路的跟踪记录，但微处理器在每个功能块之间具有不同的处理速度，并且数据交换每个块之间都变得非常复杂。此外，数据路径是最难设计的，因为它必须在 50 GHz 或更高频率下运行。通过建立信号传播延迟时间的精确控制方法，我们确认命令执行频率高达 64 GHz。在设计技术方面，为了支持对到达每个逻辑门的信号时序进行更严格的控制，我们开发了一种针对包含各种逻辑门的电路的静态时序分析工具，并通过布局编辑器维护布线环境。第二个挑战涉及演示以使用磁性结的脉冲驱动矩阵存储器为中心的半磁通量子电路。我们拥有世界上唯一的稳定形成磁结的技术，并基于该技术，我们进行了脉冲驱动矩阵存储器的分析和开发。我们成功地控制了逻辑值0和1状态之间存在的能量势垒，脉冲能量约为10zJ，并成功地写入和读取了字线和位线选择的存储单元。请注意，该内存和微处理器将来需要以 3D 方式实现。到目前为止，我们已经测量了多芯片结构中脉冲的芯片间传输特性，并确认了在120GHz下的传输。第三个挑战是演示半通量量子电路在接近量子极限的环境中的运行。为此，我们开发了半通量量子电路的独特工艺，并确认了切换触发器的操作。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Planarized Nb 4-Layer Fabrication Process for Superconducting Integrated Circuits and Its Fabricated Device Evaluation

超导集成电路平面化铌四层制造工艺及其制造器件评估

DOI：
10.1587/transele.2020sup0001
发表时间：
2021
期刊：
IEICE Transactions on Electronics
影响因子：
0.5
作者：
NAGASAWA Shuichi;TANAKA Masamitsu;TAKEUCHI Naoki;YAMANASHI Yuki;MIYAJIMA Shigeyuki;CHINA Fumihiro;YAMAE Taiki;YAMAZAKI Koki;SOMEI Yuta;SEGA Naonori;MIZUGAKI Yoshinao;MYOREN Hiroaki;TERAI Hirotaka;HIDAKA Mutsuo;YOSHIKAWA Nobuyuki;FUJIMAKI Akira
通讯作者：
FUJIMAKI Akira

単一磁束量子回路における受動伝送線路微細化の検討

单通量量子电路中无源传输线小型化的考虑