We have designed and tested an RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) NDRO (Non Destructive Read Out) circuit for the development of a high speed superconducting ALU (Arithmetic Logic Unit). When designing the NDRO circuit, we used Julia, XIC and Lmeter for the circuit simulations and layouts. We obtained the simulation margins of larger than $\pm$25%. For the tests of NDRO operations, we attached the three DC/SFQ circuits and two SFQ/DC circuits to the NDRO circuit. In tests, we used an input frequency of 1 KHz to generate SFQ Pulses from DC/SFQ circuit. We measured the operation bias margin of NDRO to be $\pm$15%. The circuit was measured at the liquid helium temperature.
Confluence buffers and single flux quantum (SFQ) switches are essential components in constructing a high speed superconductive Arithmetic Logic Unit (ALU). In this work, we developed a SFQ confluence buffer and an SFQ switch. It is very important to optimize the circuit parameters of a confluence buffer and an SFQ switch to implement them into an ALU. The confluence buffer that we are currently using has a small bias margin of $\pm$11%. By optimizing it with a Josephson circuit simulator, we improved the design of confluence buffer. Our simulation study showed that we improved bias global margin of 10% more than the existent confluence buffer. In simulations, the minimal bias margin was $\pm$33%. We also designed, fabricated, and tested an SFQ switch operating in a DC mode. The mask layout used to fabricate the SFQ switch was obtained after circuit optimization. The test results of our SFQ switch showed that it operated correctly and had a reasonably wide margin of $\pm$15%.
RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) circuits are used in many practical applications. RSFQ DFFC (Delay Flip-Flop with complementary outputs) circuits can be used in a RAM, an ALU (Arithmetic Logic Unit), a microprocessor, and many communication devices. A DFFC circuit has one input, one switch input, and two outputs (output l and output 2). DFFC circuit functions in such way that output 1 follows the input and output 2 is the complement of the input when the switch input is "0." However, when there is a switch input "1."the opposite output signals are generated. In this work, we have designed an RSFQ DFFC circuit based on 1 ㎄/$\textrm{cm}^2$ niobium trilayer technology. As circuit design tools, we used Xic, WRspice, and Lmeter After circuit optimization, we could obtain the bias current margins of the DFFC circuit to be above 32%.
최근 RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) 기술은 초고속, 극저전력의 초전도 디지털 전자회로의 구현 가능성으로 인해 많은 관심을 모으고 있다.[1] 특히 정밀측정 및 표준 분야에 있어서, 기존의 직류 전압표준 소자에 비해 작동이 간편하며, 다양한 측정기술에 활용할 수 있는 차세대 조셉슨 전압표준용 소자에 응용가능성이 주목받고 있다. 그러나 RSFQ의 이러한 강점들이 제대로 발휘되려면 1 ㎄/$\textrm{cm}^2$ 수준의 고임계전류, 10 $\mu\textrm{m}$ 이하의 미소 조셉슨 접합을 신뢰성 있고 재현성 있게 제작할 수 있어야한다. (중략)
We have designed and measured an SFQ(Single Flux Quantum) OR gate for a superconducting ALU (Arithmetic Logic Unit). To optimize the circuit, we used WRspice, XIC and Lmeter for simulations and layouts. The OR gate was consisted of a Confluence Buffer and a D Flip-Flop. When a pulse enters into the OR gate, the pulse does not propagate to the other input port because of the Confluence Buffer. A role of D Flip-Flip is expelling the data when the clock is entered into D Flip-Flop. For the measurement of the OR gate operation, we attached three DC/SFQs, three SFQ/DCs and one RS Flip -Flop to the OR gate. DC/SFQ circuits were used to generate the data pulses and clock pulses. Input frequency of 10kHz and 1MHzwere used to generate the SFQ pulses from DC/SFQ circuits. Output data from OR gate moved to RS flip -Flop to display the output on the oscilloscope. We obtained bias margins of the D Flip -Flop and the Confluence Buffer from the measurements. The measured bias margins $\pm$38.6% and $\pm$23.2% for D Flip-Flop and Confluence Buffer, respectively The circuit was measured at the liquid helium temperature.
In this work, we have studied about an RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) switch element. The circuit was designed, simulated, and laid out for mask fabrication. The switch cell was composed of a D flip-flop, a splitter, a confluence buffer, and a switch core. The switch core determined if the input data could pass to the output. “On” and o“off” controls in the switch core could be possible by utilizing an RS flip-flop. When a control pulse was input to the “on” port, the RS flip-flop was in the set state and passed the input pulses to the output port. When a pulse was input to the “off” port, the RS flip-flop was in the reset state and prevented the input pulses from transferring to the output port. We simulated and optimized the switch element circuit by using Xic, WRspice, and Julia. The minimum circuit margins in simulations were more than $\pm$20%. We also performed the mask layout of the circuit by using Xic and Lmeter.
Due to the very fast switching speed of Josephson junctions, superconductive digital circuit has been a very good candidate fur future electronic devices. High-speed and Low-power microprocessor can be developed with Josephson junctions. As a part of an effort to develop superconductive microprocessor, we have designed an RSFQ 4-bit ALU (Arithmetic Logic Unit) in a pipelined structure. To make the circuit work faster, we used a forward clocking scheme. This required a careful design of timing between clock and data pulses in ALU. The RSFQ 1-bit block of ALU used in this work consisted of three DC current driven SFQ switches and a half-adder. We successfully tested the half adder cell at clock frequency up to 20 GHz. The switches were commutating output ports of the half adder to produce AND, OR, XOR, or ADD functions. For a high-speed test, we attached switches at the input ports to control the high-speed input data by low-frequency pattern generators. The output in this measurement was an eye-diagram. Using this setup, 1-bit block of ALU was successfully tested up to 40 GHz. An RSFQ 4-bit ALU was fabricated and tested. The circuit worked at 5 GHz. The circuit size of the 4-bit ALU was 3 mm ${\times}$ 1.5 mm, fitting in a 5 mm ${\times}$ 5 mm chip.
The problem of fluctuation-induced digital errors in a rapid single flux quantum (RSFQ) circuit has been very important issue. So in this experiment, we calculated error rate of RSFQ switch in superconductiyity ALU, The RSFQ switch should have a very low error rate in the optimal bias. We prepared two circuits Placed in parallel. One was a 10 Josephson transmission lines (JTLs) connected in series, and the other was the same circuit but with an RSFQ switch placed in the middle of the 10 JTLs. We used a splitter to feed the same input signal to the both circuits. The outputs of the two circuits were compared with an RSFQ XOR to measure the error rate of the RSFQ switch. By using a computerized bit error rate test setup, we measured the bit error rate of 2.18$\times$$10^{12}$ when the bias to the RSFQ switch was 0.398mh that was quite off from the optimum bias of 0.6mA.
The Arithmetic Logic Unit (ALU) is a core element of a computer processor that performs arithmetic and logic operations on the operands in computer instruction words. We have developed and tested an RSFQ multi-bit ALU constructed with half adder unit cells. To reduce the complexity of the ALU, We used half adder unit cells. The unit cells were constructed of one half adder and three de switches. The timing problem in the complex circuits has been a very important issue. We have calculated the delay time of all components in the circuit by using Josephson circuit simulation tools of XIC, $WRspice^{TM}$, and Julia. To make the circuit work faster, we used a forward clocking scheme. This required a careful design of timing between clock and data pulses in ALU. The designed ALU had limited operation functions of OR, AND, XOR, and ADD. It had a pipeline structure. The fabricated 1-bit, 2-bit, and 4-bit ALU circuits were tested at a few kilo-hertz clock frequency as well as a few tens giga-hertz clock frequency, respectively. For high-speed tests, we used an eye-diagram technique. Our 4-bit ALU operated correctly at up to 5 GHz clock frequency.
An RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) counter can be used as a frequency divider that was an essential part of a programmable voltage standard chip. The voltage standard chip is composed of two circuit parts, a counter and an antenna Analog signal of tens to hundreds ㎓ may be applied to a finline antenna part. This analog signal can be converted to the stream of SFQ voltage pulses by a DC/SFQ circuit. The number of voltage pulses can be reduced by 2n times when they pass through a counter that is composed of n T Flip-Flops (Toggle Flip-Flop). Such a counter can be used not only as a frequency divider, but also to build a programmable voltage standard chip. So, its application range can be telecommunication, high speed RAM, microprocessor, etc. In this work, we have used Xic, WRspice, and L-meter to design an RSFQ counter. After circuit optimization, we could obtain the bias current margins of the T Flip-Flop circuit to be above 31% Our RSFQ counter circuit designs were based on the 1 ㎄/$\textrm{cm}^2$ niobium trilayer technology.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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