信号伝搬時間の電源電圧依存性の制御 による超伝導単一磁束量子回路の 動作余裕度の改善

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1 信号伝搬時間の電源電圧依存性の制御 による超伝導単一磁束量子回路の 動作余裕度の改善
Bグループ　山梨研究室 　大坪　樹生

2 目次 研究背景 高周波動作時における動作領域を 制限する要因 信号伝搬時間の電源電圧依存性を調整する回路の提案 提案回路の遅延時間の測定
提案回路の加算器への適用

3 研究背景 乗算器は25 GHz動作 [1] ビット直列加算器は80 GHz動作 [2] 単一磁束量子(SFQ)回路
ジョセフソン接合をスイッチング素子とする 1つの磁束量子が信号を表し、動作する 　　　(磁束量子：F0 = 2.07×10-15 Wb) 低消費電力で高速な動作が可能 高速動作回路の動作実証 乗算器は25 GHz動作 [1] ビット直列加算器は80 GHz動作 [2] [1] Hara, H. et. al., IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.19, pp , (2009) [2] Kainuma et. al., IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.21, pp , (2011)

4 研究目的 動作領域 ビット直列加算器 高周波数帯で広い領域を確保する a b out input put
Kainuma et. al., IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.21, pp , (2011) 高周波数帯で広い領域を確保する

5 目次 研究背景 高周波動作時における動作領域を 制限する要因 信号伝搬時間の電源電圧依存性を調整する回路の提案 提案回路の遅延時間の測定
提案回路の加算器への適用

6 単一磁束量子論理ゲートの動作 Delay Flip Flop (DFF) clock data out clock data 1 out 1

7 高周波動作時における 動作領域制限の要因 logic gate clock経路 clock経路 Delay time [ps] data経路
100% (2.5 mV) clock Bias voltage [%] クロックとデータの伝搬時間の電源電圧依存性の差が大きいとエラーが発生 data out

8 動作領域の改善方法 clock data out clock経路 Delay time [ps] Delay time [ps]
Bias voltage [%] Bias voltage [%]

9 目次 研究背景 高周波動作時における動作領域を 制限する要因 信号伝搬時間の電源電圧依存性を調整する回路の提案 提案回路の遅延時間の測定
提案回路の加算器への適用

10 信号伝搬時間の電源電圧依存性 JTL (Josephson Transmission Line) Bias voltage ジョセフソン接合
JJ JJ 初期バイアス電流 初期バイアス電流 大 初期バイアス電流 小 遅延時間 小 遅延時間 大

11 信号伝搬時間の電源電圧依存性の調整用回路の特性
Bias voltage Ic JTL ジョセフソン接合 JTL. Ic = 216 mA JTL

12 信号伝搬時間の電源電圧依存性の調整用回路の特性
Bias voltage R Ic JTL ジョセフソン接合 JTL. Ic = 216 mA JTL

13 信号伝搬時間の電源電圧依存性の調整用回路の特性
Bias voltage R Ic JTL ジョセフソン接合 JTL. Ic = 216 mA 2. Ic = 279 mA、R = 36 W JTL

14 信号伝搬時間の電源電圧依存性の調整用回路の特性
Bias voltage R Ic JTL ジョセフソン接合 JTL. Ic = 216 mA 2. Ic = 279 mA、R = 36 W JTL 4. Ic = mA、R = W

15 信号伝搬時間の電源電圧依存性の調整用回路の特性
Bias voltage R Ic JTL ジョセフソン接合 JTL. Ic = 216 mA 1. Ic = 252 mA、R = 67 W 2. Ic = 279 mA、R = 36 W 3. Ic = 300 mA、R = 27.2 W JTL 4. Ic = mA、R = W

16 目次 研究背景 高周波動作時における動作領域を 制限する要因 信号伝搬時間の電源電圧依存性を調整する回路の提案 提案回路の遅延時間の測定
提案回路の加算器への適用

17 提案回路の遅延時間の測定 V = fF0 提案回路の挿入 連続した出力信号列 1つの入力信号 f [Hz] 平均電圧 V [V]
・・・ 平均電圧 V [V] SFQ信号 F0 V = fF0 平均電圧を測定することで周期を実測できる (磁束量子：F0 = 2.07×10-15 Wb)

18 測定系 データ ジェネレータ 電源 ナノボルトメータ テスト回路　in 液体ヘリウム

19 リングオシレータの測定結果 シミュレーション 測定値 120% (3.0 mV)から140% (3.5 mV)で正常動作

20 目次 研究背景 高周波動作時における動作領域を 制限する要因 信号伝搬時間の電源電圧依存性を調整する回路の提案 提案回路の遅延時間の測定
提案回路の加算器への適用

21 ビット直列加算器 (BSA) 動作領域 din_aに入力されたビット列と din_bに入力されたビット列の 和を出力する回路
タイミングエラー により制限

22 BSAへの提案回路の適用 提案回路の挿入 clock経路 clock経路 data経路 data経路 23 ps 23 ps 16 ps

23 シミュレーションによる 動作領域の比較 通常のBSA 動作領域 ANDF回路 による誤動作 提案回路を適用

24 まとめ 信号伝搬時間の電源電圧依存性の調整用回路を設計した クロックとデータの信号伝搬時間の電源電圧 変化時のずれを合わせることができる
提案した回路を測定し、バイアス電圧120％から140％の間での動作を確認 提案した回路を用いた加算器のシミュレーションを行い低周波数での動作領域を改善

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27 信号分岐用回路で遅延時間の差を 調整したときの動作領域
通常のBSA 提案回路を適用