新型高温超导互连技术研究

New superconducting interconnects are made by high-temperature superconductors with approximately zero resistance, which have absolute advantage of high speed, high performance, and low power consumption. The proposal will do research on novel high-Tc superconducting interconnect technique，including: 1) developing 2D quasi-static and efficient full-wave simulation methods and accurate transmission line model with temperature-dependent and frequency-dependent performance for novel superconducting interconnects based on two-fluid model; 2) developing model order reduction technique and improved fast Fourier transform (FFT) method based on superconducting transmission line model and proposing a fast analysis method for rapid-single-flux-quantum（RSFQ） time-domain response of superconducting interconnect system; 3) introducing microwave waveguide structures into advanced superconducting technology, and designing novel superconducting interconnects and transitions with good electromagnetic compatibility (EMC) performance; 4) designing and optimizing superconducting interconnect system which integrates superconducting interconnects and transitions to satisfy requirement of reliable transmission and high-density routing; 5) building measurement and simulation platform for novel superconducting interconnects, and making numerical simulation and measurement of transmission performance. The research achievements will be helpful for understanding and grasping physical and electromagnetic performance of high-Tc superconducting interconnects, and will provide solid theoretical basis, analysis method and critical technique reserves for application of novel superconducting interconnects in high-speed RSFQ digital circuits.

新型超导互连由接近零电阻的高温超导材料制作，在高速、高性能和低功耗等方面具有无可替代的优势。本申请项目拟研究新型高温超导互连技术，具体研究内容包括：1）基于超导二流体模型，发展超导互连的改进二维准静态与高效全波方法，建立具有频变、温变特性的精确超导传输线模型；2）结合超导传输线建模发展模型降阶技术、快速改进傅氏算法，提出超导互连系统的快速单磁通量子（RSFQ）时域响应快速分析方法；3）将微波波导结构与先进超导集成工艺相结合，设计具有良好电磁兼容特性的新型超导互连及其转接结构；4）设计优化集成多种超导互连与转接结构的新型超导互连系统，满足信号可靠传输与高密度布线的需求；5）搭建超导互连的仿真与测试平台，对新型超导互连的传输性能进行数值模拟和实验评估。研究成果将有助于掌握超导互连的物理与电磁特性，为新型超导互连在高速RSFQ数字电路的应用提供坚实的理论基础、分析方法和关键技术储备。

新型高温超导互连由高温超导材料制作，具有低损耗、低失真等特点，在高速、高性能、低功耗互连中具有显著优势。课题按研究计划圆满完成了新型高温超导互连的研究任务，提出了分析高温超导互连的数值方法，设计了多种高温超导互连结构和转接结构，搭建了高温超导互连的仿真与测试平台，为高温超导互连的应用提供了理论方法和关键技术。项目的主要成果为：.1）提出了分析超导互连线传播性能和参数提取的WLP-FDTD数值方法，其计算超导互连线电磁场和分布参数的时间为传统方法的46%。.2）提出了分析工艺不确定性对超导传输线性能影响的S-FDTD方法，计算超导互连线的工艺不确定性对性能影响的时间为传统蒙特卡洛方法的3%。进一步提出了S-WLP-FDTD方法，其计算同样工艺不确定性影响的时间为S-FDTD方法的2.4%，传统蒙特卡洛方法的0.0084%。.3）提出了基于FDTD和Newton-Raphson迭代法的约瑟夫森结和超导互连线的协同分析方法，其计算典型约瑟夫森结与超导互连线时域响应的时间仅为WRspice软件的21.2%。.4）设计了新型基片集成同轴线（SICL）阵列结构，传输速率达到1.35Tb/s。设计了加脊基片集成同轴线（RSICL）结构，与SICL相比，RSICL的宽度减少了6%，单模带宽提升了6.7%，能量损耗仅为SICL的1/120。设计了加脊等离子激元半模基片集成波导（RHMSIW-SSPP）结构，与半模基片集成波导（HMSIW）相比可以降低纵向尺寸50%以上，降低横向尺寸40%。.5）提出了可用于新型超导转接设计的贝叶斯优化方法，优化微带-SIW转接时迭代次数比模式搜索法减少39%，比准牛顿法和基因算法分别减少52%和89%。.6）搭建了超导互连测试系统，测量了超导互连线的微波传输参数。.上述工作的科学意义和应用价值在于： 本课题开展新型超导互连技术研究，提出了分析超导互连线的仿真算法、新型超导互连结构、转接设计方法、测试方法等，对解决超导互连技术中的信号完整性问题具有十分重要的学术价值和科学意义。同时，本课题可为超导高速互连提供基础架构和设计思想，在超导计算芯片、超导微波设备、超导电子系统等领域具有应用前景。