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보고서 상세정보

초고속 초전도 ALU 개발
Development of ultra high speed superconductive ALU(Arithmetic Logic Unit)

  • 사업명

    21C 프론티어연구개발사업

  • 과제명

    초고속 초전도 ALU(Arithmetic Logic Unit) 개발

  • 주관연구기관

    한국광기술원
    Korea Photonics Technology Institute

  • 연구책임자

    한택상

  • 참여연구자

    박종혁   임해용   정구락   김왕기   김정헌  

  • 보고서유형

    1단계보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2004-07

  • 과제시작년도

    2002

  • 주관부처

    과학기술부

  • 사업 관리 기관

    한국과학재단
    Korea Science and Engineering Foundtion

  • 등록번호

    TRKO201000012501

  • 과제고유번호

    1350020785

  • 키워드

    단자속 양자.논리산술연산자.초전도소자.엔드.오아.에스오아.에드.RSFQ.ALU.Superconductor Device.AND.OR.XOR.ADD.

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    Due to the rapid progress in the computing, wired or wireless communications, and information technologies, the development of th...

    Due to the rapid progress in the computing, wired or wireless communications, and information technologies, the development of the ultra high speed digital devices and their systems operating at very high frequency (tens hundreds GHz) is needed. The most popular digital devices used at present are using CMOS and their performances are rapidly progressing. However, it is expected that the maximum speed of those devices may reach a plateau at about 4-5 GHz because the faster CMOS devices need more power. Since the superconductive devices intrinsically operate at very high speed and need a very low power, they can improve the system performance by replacing some of the present CMOS devices in the future. Recently, rapid single flux quantum (RSFQ) superconductive electronics has been recognized as a promising technology for superconductive digital applications. To apply RSFQ technology to the real application area, we need to demonstrate a prototype system. As the part of an effort to develop an RSFQ microprocessor or an RSFQ micro-controller we identified an RSFQ ALU as our first target. Our program, developing an ultra-fast RSFQ ALU, started at the end of Sept. 2001. In the first year of the program that lasted from Sept. 2001 to July 2002, we constructed a Nb circuit fabrication facility by purchasing the required equipments and installing them in Korea Photonics Technology Institute (KOPTI). The circuit design programs have been installed and utilized to design the basic RSFQ circuits that include DC/SFQ, JTL, Confluence Buffer, SFQ/DC, and D-FF. Those circuits were tested at GHz frequencies. We also designed and fabricated some logic circuits that include an AND gate, an OR gate, and a XOR gate. The correct operations of these circuits were tested at 1 MHz. In the second year of the program that started on July 25th of 2002, we finished installing all the necessary equipments needed to develop Nb circuits. Correct operations of all the installed equipments were established. We established all the deposition conditions of the thin film layers. As a preliminary design of a 1 bit ALU, we initially designed an RSFQ ALU similar to the current semiconductor ALU. However, due to the difficulties in timing in this design, we have developed an ALU in the pipeline architecture. The circuit was designed and the chip design was done. Without the proper RSFQ amplifiers, the output signal from the ALU was too small to detect with current semiconductor high speed scopes. Therefore, we constructed a measurement system to test the circuit performance at high speed by using an eye diagram technique. In the third year of the program that start at July 25th of 2003, we tested the performance of the fabricated 1-bit ALU. The circuit operated correctly at 20 GHz. Multiple layers of superconducting, metallic, and insulating layers were deposited, and the optimum conditions to get the clean interfaces and good step coverage were obtained. Currently, we are performing the full process steps by using the optimum conditions of the various process steps obtained during the course of this project. We have designed 2-bit ALU and the mask was prepared to fabricate the circuit. An RSFQ 4 bit, 5 GHz ALU, our final goal of this three year program, has been designed and the circuit layout is in progress. We tested the performance of the fabricated 4-bit ALU. The circuit operated correctly at 10 MHz and 5 GHz.


    $\bigcirc$ 단자속양자(RSFQ, Rapid single flux quantum) 초전도 소자의 고속성과 저소비전력은 CMOS 소자를 대체할 수 있을 것이라 인정받고 있다. RSFQ 마이크로프로세서나 마이...

    $\bigcirc$ 단자속양자(RSFQ, Rapid single flux quantum) 초전도 소자의 고속성과 저소비전력은 CMOS 소자를 대체할 수 있을 것이라 인정받고 있다. RSFQ 마이크로프로세서나 마이크로컨트롤러를 개발하기 위하여, 첫 번째 단계로 초고속 RSFQ ALU를 개발하였다.
    $\bigcirc$ 1차년도에는 Nb 초전도 소자를 제작하기 위한 장비의 구입과 설치에 중점을 두었으며, 설계 프로그램을 설치하고 DC/SFQ, JTL, Confluence Buffer, DC switch, SFQ/DC, D Flip-Flop의 설계에 이용하였으며, 이들 회로가 수 GHz에서 동작하는 것을 확인하였다. 또한 논리 회로인 AND gate, OR gate, XOR gate, Inverter(NOT)를 설계하고 제작하였으며, 1MHz에서 정확하게 동작하는 것을 확인하였다.
    $\bigcirc$ 2차년도에는 Nb 회로의 제작에 필요한 모든 장비들을 설치하였으며, 최적화된 증착조건을 수립하였다. 초기에는 1-bit ALU의 설계로서 기존 반도체 ALU와 유사한 RSFQ ALU를 설계하였다. 하지만, 이 ALU는 timing을 맞추기가 어렵기 때문에 새로운 파이프라인 ALU를 설계하였다. 그리고 ALU에서 출력되는 신호가 미세하여, RSFQ 증폭기 없이는 고속 측정이 불가능하므로, eye diagram의 형태로 고속측정을 할 수 있도록 측정 시스템을 구성하였다.
    $\bigcirc$ 3차년도에는 제작된 1-bit ALU가 200 kHz, 5 GHz 및 20 GHz에서 ADD, OR, AND, XOR가 잘 동작함을 확인하였다. 초전도, 저항 그리고 절열 층의 멀티 층에 대한 증착과 식각 조건을 최적화 하여, 깨끗한 웨이퍼 표면의 상태와 step coverage 문제를 해결하였다. 최종 목표인 4-bit ALU는 클럭이 forward 방향으로 진행하도록 설계를 하였으며, 10 MHz와 5 GHz에서 ADD, OR, AND, XOR의 function이잘 동작함을 확인하였다.


  • 목차(Contents) 

    1. 표지 ...1
    2. 제출문 ...4
    3. 보고서초록 ...5
    4. 요약문 ...6
    5. SUMMARY ...10
    6. CONTENTS ...11
    7. 목차 ...12
    8. 제1장 연구개발과제의 개요 ...13
    9. 제2장 국내외 기술개발 현황 ...16
    10. 제3장 연구개발 수...
    1. 표지 ...1
    2. 제출문 ...4
    3. 보고서초록 ...5
    4. 요약문 ...6
    5. SUMMARY ...10
    6. CONTENTS ...11
    7. 목차 ...12
    8. 제1장 연구개발과제의 개요 ...13
    9. 제2장 국내외 기술개발 현황 ...16
    10. 제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 ...19
    11. 제1절 연구범위 및 수행방법 ...19
    12. 제2절 연구수행 내용 및 결과 ...22
    13. 제3절 세부 연구 결과 ...27
    14. 1. 설계 프로그램의 설치...27
    15. 2. 장비의 구축...34
    16. 4. RSFQ 회로의 제작...45
    17. 5. RSFQ 디지털회로 제작 공정의 최적화...50
    18. 6. RSFQ 기초 및 논리 회로...56
    19. 7. RSFQ 1-bit ALU...75
    20. 8. RSFQ 4-bit ALU...80
    21. 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...84
    22. 제1절 연구개발의 최종목표 ...84
    23. 제2절 연도별 연구개발 목표 및 평가 착안점 ...84
    24. 1. 1차년도(2001년9월25일 - 2002년 7월24일)...84
    25. 2. 2차년도(2002년7월25일 - 2003년 7월24일)...85
    26. 3. 3차년도(2003년7월25일 - 2004년 6월30일)...86
    27. 제3절 연도별 연구개발 목표의 달성도 ...87
    28. 1. 1차년도(2001년9월25일 - 2002년 7월24일...87
    29. 2. 2차년도(2002년7월25일 - 2003년 7월24일)...88
    30. 3. 3차년도(2003년7월25일 - 2004년 6월30일)...89
    31. 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...90
    32. 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...91
    33. 제7장 참고문헌 ...94
    34. 요약문 ...95
    35. SUMMARY ...96
    36. 목차 ...97
    37. 제1장 연구개발과제의 개요 ...98
    38. 제1절 연구개발의 목적 및 필요성 ...98
    39. 제2절 연구개발의 범위 ...98
    40. 제2장 국내외 기술개발 현황 ...99
    41. 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...100
    42. 제1절 조셉슨 접합 제작기술 ...100
    43. 제2절 조셉슨 회로 제작기술 ...111
    44. 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...115
    45. 제1절 연구개발목표의 달성도 ...115
    46. 제2절 기술발전에의 기여도 ...117
    47. 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...118
    48. 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...118
    49. 제7장 참고문헌 ...119
    50. 요약문 ...120
    51. SUMMARY ...121
    52. 제1장 연구개발과제의 개요 ...122
    53. 제2장 국내외 기술개발 현황 ...123
    54. 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...123
    55. 제1절 저항법을 이용한 Nb 전극의 자기장 침투깊이 측정 ...123
    56. 제2절 조셉슨 접합의 임계전류 분포와 탈출율 ...128
    57. 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...137
    58. 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...137
    59. 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...137
    60. 제7장 참고문헌 ...137
    61. 요약문 ...138
    62. SUMMARY ...140
    63. 제1장 연구개발과제의 개요 ...141
    64. 제2장 국내외 기술개발 현황 ...141
    65. 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...141
    66. 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...152
    67. 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...152
    68. 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...152
    69. 제7장 참고문헌 ...152
  • 참고문헌

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