超导与半导体集成电路高速互联接口技术研究

In the next few years, the limitation of CMOS fabrication process probably become a wall in front of the development of conventional computer and integrated circuits. The superconductive computer based on single-flux quantum (SFQ) circuit technique is a promising alternative of CMOS in conventional computer field. Compare with CMOS circuits, the superconductive circuits have the merits of ultra-high speed and ultra-low power consumption, which is able to solve the problem of low power efficient in nowadays supercomputers. On the other hand, it is difficult for superconductive circuits to realize several specific functional circuits such as large-scale memory and high-performance data converters. As a result, in field as computing, communication, superconductive circuits must be combined with CMOS circuits, therefore high-speed interface between superconductor and CMOS becomes the bottleneck of the whole performance. This research will focus on the interface technique between superconductive circuits (major in SFQ circuits) and CMOS circuits, especially on the implementation of high-speed, high output amplitude, large-scale array interface. In this research, I will survey and design various interface structures, derive the theories for structure and parameter design, and finally implement a large-scale array interface circuit. Its frequency is more than 4GHz or its output amplitude is more than 10mV.

未来，基于单磁通量子（SFQ）电路技术的超导计算机有望成为CMOS技术在传统计算机领域的替代者。超导电路具有超高速和极低功耗的优势，可以解决目前超级计算机性能功耗比较低的问题。但超导电路目前难以实现大规模存储器、高性能数据转换器等功能模块，使得在计算机、通信等诸多领域必须与CMOS电路搭配使用，因此与CMOS的高速接口电路成为制约其性能的瓶颈，也是业界研究的重难点。我国的超导电路研究刚起步，与CMOS的接口电路领域更是完全空白，急需追赶与美国和日本的差距。本研究将着眼于超导电路（以SFQ电路为主）与CMOS电路间的接口互联技术，重点研究如何实现高速、高输出电压、易于大规模阵列化的接口互联电路。本研究将提出一套接口电路的设计和参数设置理论，建立电路设计中非理想因素的模型，最终实现一款输出电压振幅不低于10mV或频率不低于4GHz的超导/CMOS接口电路。

未来，基于单磁通量子（SFQ）电路技术的超导计算机有望成为CMOS技术在传统计算机领域的替代者。超导电路具有超高速和极低功耗的优势，可以解决目前超级计算机性能功耗比较低的问题。但超导电路目前难以实现大规模存储器、高性能数据转换器等功能模块，使得在计算机、通信等诸多领域必须与CMOS电路搭配使用，因此与CMOS的高速接口电路成为制约其性能的瓶颈，也是业界研究的重难点。本项目旨在开发超导集成电路与CMOS集成电路间的高速接口电路。项目组以Suzuki stack为基础，设计并实现了4JL电路作为前置放大器，Suzuki stack 作为次级放大器的两级接口电路。在输入电流为80uA时，工作范围达到±22.29%。同时，通过设计过程中对版图寄生的反复迭代、仿真、流片验证，定量建立了电路寄生对性能影响的模型，对电路参数的选择、输入接口结构、输出负载结构等部分总结出了一套有设计指导意义的理论。本项目以两级放大电路为基础，设计了21通道的阵列接口电路，测试结果表明，阵列接口电路各通道输出电平均大于40mV，并且可以保证18通道任意输入码字无串扰，满足设计要求。利用该阵列接口电路，完成了超导信号的跨芯片传输实验，使接口电路可以独立集成于单芯片上，隔离了交流偏置的影响，同时增加了系统设计的灵活性。.本项目成果不但可以作为超导计算系统的缓存解决方案，攻克超导存储器这一技术难题，同样可用作超导处理器与外部半导体设备的通信接口，实现从 SFQ 至 CMOS 之间信号的自由交换，使 SFQ 集成电路可以与 CMOS 集成电路联合使用，极大拓展将来包括超导计算机在内的超导设备的应用范围并显著降低它们的实现难度。