The development and characterisation of a parameterised RSFQ cell library for layout synthesis
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Superconductor electronics have shown great promise for interfacing quantum computers to conventional electronics. Several superconductor logic families show potential,
but one particular logic family has shown reliable results: Rapid Single Flux Quantum
(RSFQ). RSFQ logic implements single SFQ pulses to represent binary data instead of
the traditional voltage levels used by semiconductor electronics. RSFQ is so ubiquitous
to superconductor digital systems that it serves as the entry to superconductor digital
design. Presently, however, the field of RSFQ logic cell design is very exclusive with
a small number of physicists and engineers able to design efficient RSFQ cells. This
research aims to provide a formalised RSFQ design methodology with education quality
circuit theory. Several RSFQ examples are designed, analysed and improved using phasebased circuit equations. Similar to Kirchhoff’s current and voltage laws, these phase-based
equations can be used to accurately determine the current distribution within a cell. The
design methodology for multi-state RSFQ cells is also discussed. Multiple simulation
methods confirming cell functionality and operating margins are also presented. The
education regarding the design, analysis and implementation of RSFQ cells is vastly
expanded through this research which can accelerate the field of quantum circuit design.
RSFQ cells can be connected using a non-storing inductive loop, Josephson transmission lines (JTLs) or, alternatively, superconductor passive transmission lines (PTLs)
to bridge longer distances. Signal transmission of SFQ pulses through PTLs and JTLs
are analysed and compared. Impedance matching for PTL interconnects to reduce pulse
reflection is also investigated.
An example of a portable RSFQ cell library for layout synthesis is developed as
part of the IARPA SuperTools program. The challenges of RSFQ cell layouts for the
Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory (MIT-LL) SFQ5ee fabrication
process are discussed. A methodology for establishing a standardised cell layout synthesis
is presented. The research contributes to the design and characterisation of track routing
architecture for RSFQ on a multilayer fabrication process.
Lastly, methods to test fabricated RSFQ circuits are presented. This includes testing
the functionality of individual cells, as well as measuring throughput delays. As the SFQ
pulses are only a few picoseconds wide, it is not possible to observe these pulses using
conventional measuring equipment. The fabricated tests must therefore be designed in
such a way that it is possible to extract meaningful measurements.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Tot op hede het supergeleier-elektronika groot belofte getoon vir die koppeling van kwantumrekenaars, aan konvensionele elektronika. Verskeie supergeleierlogika-families toon potensiaal, maar tot dusver toon die “Rapid Single Flux Quantum” (RSFQ) logika-familie baie betroubare resultate. In kontras met tradisionele halfgeleier-elektronika, wat spanningsvlakke benut, implementeer RSFQ-logika enkele SFQ-pulse om binˆere data voor te stel. RSFQ is so alomteenwoordig vir supergeleier-digitale stelsels dat dit as toegang dien tot digitale supergeleier-ontwerp. Op die oomblik is die veld van RSFQ-logika selontwerp egter baie eksklusief, met slegs ‘n handvol fisici en ingenieurs wat RSFQ-selle doeltreffend kan ontwerp. Hierdie navorsing mik om ‘n geformaliseerde RSFQ-ontwerpmetodologie te bied tesame met onderwys-kwaliteit RSFQ-teorie. Verskeie RSFQ-selle word ontwerp, geanaliseer en verbeter deur middel van fase-gebaseerde stroombaanvergelykings. Hierdie fase-gebaseerde vergelykings kan gebruik word om die stroomverdeling binne ‘n sel, akkuraat te voorspel. Die ontwerpmetodiek vir multi-stadium RSFQ-selle word ook bespreek. Verskeie simulasiemetodes word aangebied om selfunksionaliteit te bevestig. Die navorsing brei uit oor die opleiding rakende die ontwerp, analise en implementering van RSFQ-selle wat verder kan lei tot die versnelling van die kwantumstroomontwerp-veld. RSFQ-selle kan verbind word met ‘n induktiewe lus (wat nie vloed stoor nie), Josephsontransmissielyne (JTL’s) of supergeleier-passiewe transmissielyne (PTL’s) om langer afstande te oorbrug. Die seinoordrag van SFQ pulse deur PTL’s en JTL’s word geanaliseer en vergelyk. Impedansie-aanpassing vir PTL-verbindings om pulsrefleksie te verminder, word ook ondersoek. ‘n Voorbeeld van ‘n draagbare RSFQ-selbiblioteek vir uitlegsintese is ontwikkel as deel van die IARPA SuperTools-program. Die uitdagings vir RSFQ-seluitleg vir die SFQ5ee vervaardigingsproses aan die Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory (MIT-LL), word bespreek. ‘n Metodiek vir die stigting van ‘n gestandaardiseerde seluitlegsintese word aangebied. Die navorsing dra by tot die ontwikkeling en karakterisering van ‘n spoorroete-argitektuur vir RSFQ vir ‘n multilaag-vervaardigingsproses. Laastens word metodes aangebied om vervaardigde RSFQ-stroombane te toets. Dit sluit in die toets van die funksionaliteit van individuele selle, asook die meting van deursetvertragings. Aangesien die SFQ-pulse slegs ’n paar piko-sekondes breed is, is dit nie moontlik om hierdie pulse bloot waar te neem deur gebruik te maak van konvensionele meettoerusting nie. Die vervaardigde toetse moet dus so ontwerp word dat dit moontlik is om betekenisvolle metings te onttrek.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Tot op hede het supergeleier-elektronika groot belofte getoon vir die koppeling van kwantumrekenaars, aan konvensionele elektronika. Verskeie supergeleierlogika-families toon potensiaal, maar tot dusver toon die “Rapid Single Flux Quantum” (RSFQ) logika-familie baie betroubare resultate. In kontras met tradisionele halfgeleier-elektronika, wat spanningsvlakke benut, implementeer RSFQ-logika enkele SFQ-pulse om binˆere data voor te stel. RSFQ is so alomteenwoordig vir supergeleier-digitale stelsels dat dit as toegang dien tot digitale supergeleier-ontwerp. Op die oomblik is die veld van RSFQ-logika selontwerp egter baie eksklusief, met slegs ‘n handvol fisici en ingenieurs wat RSFQ-selle doeltreffend kan ontwerp. Hierdie navorsing mik om ‘n geformaliseerde RSFQ-ontwerpmetodologie te bied tesame met onderwys-kwaliteit RSFQ-teorie. Verskeie RSFQ-selle word ontwerp, geanaliseer en verbeter deur middel van fase-gebaseerde stroombaanvergelykings. Hierdie fase-gebaseerde vergelykings kan gebruik word om die stroomverdeling binne ‘n sel, akkuraat te voorspel. Die ontwerpmetodiek vir multi-stadium RSFQ-selle word ook bespreek. Verskeie simulasiemetodes word aangebied om selfunksionaliteit te bevestig. Die navorsing brei uit oor die opleiding rakende die ontwerp, analise en implementering van RSFQ-selle wat verder kan lei tot die versnelling van die kwantumstroomontwerp-veld. RSFQ-selle kan verbind word met ‘n induktiewe lus (wat nie vloed stoor nie), Josephsontransmissielyne (JTL’s) of supergeleier-passiewe transmissielyne (PTL’s) om langer afstande te oorbrug. Die seinoordrag van SFQ pulse deur PTL’s en JTL’s word geanaliseer en vergelyk. Impedansie-aanpassing vir PTL-verbindings om pulsrefleksie te verminder, word ook ondersoek. ‘n Voorbeeld van ‘n draagbare RSFQ-selbiblioteek vir uitlegsintese is ontwikkel as deel van die IARPA SuperTools-program. Die uitdagings vir RSFQ-seluitleg vir die SFQ5ee vervaardigingsproses aan die Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory (MIT-LL), word bespreek. ‘n Metodiek vir die stigting van ‘n gestandaardiseerde seluitlegsintese word aangebied. Die navorsing dra by tot die ontwikkeling en karakterisering van ‘n spoorroete-argitektuur vir RSFQ vir ‘n multilaag-vervaardigingsproses. Laastens word metodes aangebied om vervaardigde RSFQ-stroombane te toets. Dit sluit in die toets van die funksionaliteit van individuele selle, asook die meting van deursetvertragings. Aangesien die SFQ-pulse slegs ’n paar piko-sekondes breed is, is dit nie moontlik om hierdie pulse bloot waar te neem deur gebruik te maak van konvensionele meettoerusting nie. Die vervaardigde toetse moet dus so ontwerp word dat dit moontlik is om betekenisvolle metings te onttrek.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Layout synthesis, UCTD, Superconducting generators, Rapid Single Flux Quantum, Digital electronics