JP2006252717A - Method of constituting superconducting random access memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、極低温で動作し超伝導性を有する集積回路で使用されるランダムアクセスメモリ(以後、RAMと略称する)の構成及びその構成方法に関するものである。 The present invention relates to a configuration of a random access memory (hereinafter abbreviated as RAM) used in an integrated circuit that operates at a cryogenic temperature and has superconductivity, and a configuration method thereof.
超伝導RAMは、半導体のRAMと同様にデコーダ回路、ドライバ回路、センス回路及びメモリセルアレイで構成される。メモリセルアレイは、メモリセルを2次元のマトリックスアレイの形状に配置したものである。RAMにおいて、アドレス信号で指定されたメモリセルへの情報の書込みは、横方向と縦方向の二つのデコーダ回路により、マトリックスアレイの行と列とが選択され、その信号を受けてドライバ回路がメモリセルアレイにデータ信号(情報)を伝搬させることにより行われる。読出しも同様に、アドレスに対応したマトリックスアレイの行と列との信号により選択されたメモリセルに保持されているデータ信号(情報)をセンス回路によって読み出す。 The superconducting RAM is composed of a decoder circuit, a driver circuit, a sense circuit, and a memory cell array, like the semiconductor RAM. The memory cell array has memory cells arranged in a two-dimensional matrix array. In RAM, information is written to a memory cell designated by an address signal by selecting a row and a column of a matrix array by two decoder circuits in the horizontal direction and the vertical direction, and the driver circuit receives the signal and the memory circuit This is done by propagating a data signal (information) to the cell array. Similarly, the data signal (information) held in the memory cell selected by the row and column signals of the matrix array corresponding to the address is read by the sense circuit.
従来の超伝導RAM構成は、RAMの規模(記憶容量)が大きくなると、メモリセルのマトリックスアレイも大きくなり、一つのドライバ回路又はセンス回路が駆動するメモリセルの数(1行又は1列のメモリセルの数)が増大し、動作時間が大きくなるという問題点があった。 In the conventional superconducting RAM configuration, as the RAM scale (storage capacity) increases, the matrix array of memory cells also increases, and the number of memory cells driven by one driver circuit or sense circuit (one row or one column of memory). There is a problem that the number of cells) increases and the operation time increases.
この問題点を解決するため、例えば、特開2000−260187号公報(特許文献1)により、RAMを小さなブロックに分割するという方法が提案されている。 In order to solve this problem, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-260187 (Patent Document 1) proposes a method of dividing a RAM into small blocks.
この提案について、図14及び図15を併せ参照して説明する。 This proposal will be described with reference to FIGS.
図14に、この従来技術による超伝導RAM(ランダムアクセスメモリ)のブロック構成図の一例を示す。図15に256RAMブロック51の一例を示す。
FIG. 14 shows an example of a block diagram of a superconducting RAM (random access memory) according to this prior art. FIG. 15 shows an example of the 256
図14に示される超伝導RAMは、64個の256RAMブロック51により形成される16kビットのRAM構成の一例である。図示の超伝導RAMは、256RAMブロック51と、ブロックデコーダ回路52と、ブロックセンス回路53と、ブロック間の信号伝搬を行う電圧型論理のドライバ回路(交流電流バイアス)54と、上述したそれぞれの回路を接続するインピーダンス整合ライン55、高周波の交流電流(AC)を供給するためのLC共振回路56とで構成されている。
The superconducting RAM shown in FIG. 14 is an example of a 16 kbit RAM configuration formed by 64 256
一個の256RAMブロック51は、16行16列の記憶セルアレイと、交流電流でバイアスされる超伝導ラッチング素子で構成された電圧型論理のドライバ回路61及びセンス回路62と、直流電流でバイアスされる超伝導単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたデコーダ回路63とで構成されている。
One 256
この回路では、10GHzクロック動作を可能にするため、一つの電圧型論理のドライバ回路61で駆動する記憶セルアレイの大きさは16行16列の256ビットに制限されている。そのため、多数のRAMブロックに並列に信号を伝えるマルチドライバ方式を採用している。一個の256RAMブロック51は、16行16列の記憶セルアレイと、交流電流でバイアスされる超伝導ラッチング素子で構成された電圧型論理のドライバ回路61及びセンス回路62と、直流電流でバイアスされる超伝導単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたデコーダ回路63とで構成されている。このように、この従来の超伝導ランダムアクセスメモリでは、256RAMブロックという小さなRAMブロックに分割することにより一つのドライバ回路が駆動する記憶セルアレイの大きさを制限して、高速動作を可能にしている。さらに、ブロック間の信号伝搬に交流電源で動作する電圧論理型のドライバ回路とインピーダンス整合ラインとを用いることで、RAM全体としての高速動作を可能にしている。
In this circuit, in order to enable 10 GHz clock operation, the size of the memory cell array driven by one voltage-type
ランダムアクセスメモリの大規模化に伴い、通常の構成では、デコーダ回路、ドライバ回路、及びセンス回路の素子数は、メモリセルの容量の平方根に比例して増大するだけである。 With the increase in scale of random access memories, in a normal configuration, the number of elements of the decoder circuit, driver circuit, and sense circuit only increases in proportion to the square root of the capacity of the memory cell.
しかしながら、従来技術の超伝導ランダムアクセスメモリは、デコーダ回路、ドライバ回路、センス回路及びメモリセルアレイを含む完全なRAM構造の小さなブロックに分割していた。このため、ランダムアクセスメモリの大容量化に伴い、分割数が正比例して増えるため、デコーダ回路、ドライバ回路、センス回路の数も正比例して増える。従って、レイアウト面積及び消費電力がメモリ容量の増大化に正比例して増大するといった問題点があった。 However, the prior art superconducting random access memory has been divided into small blocks of a complete RAM structure including a decoder circuit, a driver circuit, a sense circuit and a memory cell array. For this reason, as the capacity of the random access memory is increased, the number of divisions increases in direct proportion, so that the number of decoder circuits, driver circuits, and sense circuits also increases in direct proportion. Therefore, there is a problem that the layout area and power consumption increase in direct proportion to the increase in memory capacity.
さらに、従来の超伝導ランダムアクセスメモリでは、デコーダ回路以外は交流電源で動作する電圧論理型の素子で構成しているため、高周波の交流電源が必要であるということと、そのため消費電力もさらに大きくなるという大きな問題点があった。 Furthermore, since the conventional superconducting random access memory is composed of voltage logic type elements that operate with an AC power supply other than the decoder circuit, a high-frequency AC power supply is required, and therefore power consumption is further increased. There was a big problem of becoming.
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を除去し、大規模なランダムアクセスメモリの構成においても超高速動作が可能で、且つ、消費電力の小さい直流電源で動作可能な超伝導ランダムアクセスメモリの構成を提供することにある。 The object of the present invention is to eliminate such problems of the prior art, enable super-high-speed operation even in a large-scale random access memory configuration, and operate with a DC power source with low power consumption. It is to provide a configuration of an access memory.
本発明による超伝導RAMは、上記目的を達成するために、下記の特徴を有する。 In order to achieve the above object, the superconducting RAM according to the present invention has the following features.
第1に、メモリセルアレイを駆動するワード線又はビット線の構造は、複数個のブロックに分割される。このワード線又はビット線の各ブロックは、駆動能力の高いレベル論理を有し、メモリセルを直接駆動するブロック内の信号伝搬に使用される超伝導ドライバ回路と、単一磁束量子(SFQ)を用いて高速に信号伝搬が可能な、複数個のブロック間の信号を伝搬するために配置される超伝導パッシブトランスミッションライン(以後、PTLと略称する)とを含んでいる。 First, the structure of the word lines or bit lines that drive the memory cell array is divided into a plurality of blocks. Each block of this word line or bit line has a high level of driving capability, a superconducting driver circuit used for signal propagation in the block directly driving the memory cell, and a single flux quantum (SFQ). And a superconducting passive transmission line (hereinafter abbreviated as PTL) arranged to propagate signals between a plurality of blocks, which can be used for high-speed signal propagation.
複数個のブロック間の信号伝搬は、超伝導PTLを単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたスプリッタ(S)を介して直列に接続した構成であってもよい。又は、複数個のブロック間の信号伝搬は、超伝導PTLを単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたスプリッタ(S)を介してバイナリーツリー構造に配置した構成であってもよい。、
又は、複数個のブロック間の信号伝搬は、超伝導PTLの途中に少なくとも1個以上のラッチ回路(DL)を含み、このラッチ回路(DL)で情報を保持することにより、前記複数個のブロック間の信号伝搬を少なくとも2段以上のパイプラインで動作させることで高速動作を可能にするという構成であってもよい。
The signal propagation between the plurality of blocks may be a configuration in which superconducting PTLs are connected in series via a splitter (S) composed of single flux quantum (SFQ) elements. Alternatively, the signal propagation between a plurality of blocks may have a configuration in which a superconducting PTL is arranged in a binary tree structure via a splitter (S) configured by a single magnetic flux quantum (SFQ) element. ,
Alternatively, signal propagation between a plurality of blocks includes at least one latch circuit (DL) in the middle of the superconducting PTL, and information is held in the latch circuit (DL), thereby the plurality of blocks. It may be configured to enable high-speed operation by operating signal propagation between them in a pipeline of at least two stages.
第2に、メモリセルアレイからの情報を検出するセンス線も、複数個のブロックに分割されている。このセンス線の各ブロックは、駆動能力の高いレベル論理を有し、メモリセルを直接駆動するブロック内の信号伝搬に使用される超伝導ドライバ回路と、単一磁束量子(SFQ)を用いて高速に信号伝搬が可能な、複数個のブロック間の信号を伝搬するために配置される超伝導PTLとを含んでいる。 Second, the sense line for detecting information from the memory cell array is also divided into a plurality of blocks. Each block of this sense line has a high-level driving capability and has a superconducting driver circuit used for signal propagation in the block that directly drives the memory cell, and a single flux quantum (SFQ). And a superconducting PTL arranged for propagating signals between a plurality of blocks capable of signal propagation.
複数個のブロック間の信号伝搬は、超伝導PTLを単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたコンフルエンスバッファ(C)を介して直列に接続した構成であってもよい。又は、複数個のブロック間の信号伝搬は、超伝導PTLを単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたコンフルエンスバッファを介してバイナリーツリー構造に配置した構成であってもよい。 The signal propagation between the plurality of blocks may be a configuration in which superconducting PTLs are connected in series via a confluence buffer (C) composed of a single flux quantum (SFQ) element. Alternatively, the signal propagation between a plurality of blocks may be a configuration in which superconducting PTLs are arranged in a binary tree structure via a confluence buffer composed of single flux quantum (SFQ) elements.
又は、複数個のブロック間の信号伝搬は、超伝導PTLの途中に少なくとも1個以上のラッチ回路(DL)を有し、このラッチ回路(DL)で情報を保持して、前記複数個のブロック間の信号伝搬を少なくとも2段以上のパイプラインで動作させることにより高速動作を可能にするという構成であってもよい。 Alternatively, for signal propagation between a plurality of blocks, at least one latch circuit (DL) is provided in the middle of the superconducting PTL, and information is held in the plurality of blocks by holding the latch circuit (DL). It may be configured to enable high-speed operation by operating signal propagation between them in a pipeline of at least two stages.
第3に、本発明によるRAMは、上記本発明によるワード線、ビット線及びセンス線で構成されたメモリセルアレイと、単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたデコーダ回路とで構成されていてもよい。 Thirdly, the RAM according to the present invention is composed of a memory cell array composed of word lines, bit lines and sense lines according to the present invention, and a decoder circuit composed of single flux quantum (SFQ) elements. Also good.
本発明による超伝導性を有するランダムアクセスメモリの構成は、メモリセルアレイにアクセスするワード線、ビット線等の駆動線及びセンス線のそれぞれは複数のブロックに分割されている。そこで、そのブロック内の信号伝搬はそれぞれ負荷駆動能力の高いレベル論理のドライバ回路及びセンス回路を用いており、更に、長距離のブロック間の信号伝搬には高速動作が可能な単一磁束量子(SFQ)素子で構成された超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)を使用している。その結果、全体としての高速動作を可能にするという効果がある。 In the configuration of the random access memory having superconductivity according to the present invention, each of the drive lines such as word lines and bit lines accessing the memory cell array and the sense lines are divided into a plurality of blocks. Therefore, the signal propagation within the block uses a driver circuit and a sense circuit having a high level of load driving capability, and a single flux quantum (high-speed operation is possible for signal propagation between long-distance blocks. Superconducting passive transmission line (PTL) composed of SFQ elements is used. As a result, there is an effect of enabling high-speed operation as a whole.
その理由は、超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)が、所望の特性インピーダンスを有するストリップ又はマイクロストリップラインと、SFQ素子で構成されたドライバ回路及びレシーバ回路とで構成されるからである。すなわち、超伝導PTLは、理想的な伝送線路であり、ストリップラインを構成する絶縁層の誘電率に応じた光のスピードで信号をほとんど減衰なしに伝搬させることができるからである。 This is because a superconductive passive transmission line (PTL) is composed of a strip or microstrip line having a desired characteristic impedance, and a driver circuit and a receiver circuit composed of SFQ elements. That is, the superconducting PTL is an ideal transmission line, and can transmit a signal with almost no attenuation at the speed of light corresponding to the dielectric constant of the insulating layer constituting the stripline.
また、これらの構成要素は低消費電力のSFQ回路で構成されているので、直流電源で動作可能であり、且つ消費電力を大幅に削減できるという効果もある。更に、ブロック間の信号伝搬をパイプライン化することで、どのような大規模な超伝導ランダムアクセスメモリのワード線、ビット線及びセンス線の構成においても超高速のクロック動作を実現できるという効果がある。 In addition, since these components are constituted by low power consumption SFQ circuits, there is an effect that they can be operated with a DC power supply and that power consumption can be greatly reduced. Furthermore, by pipelining the signal propagation between blocks, it is possible to achieve ultra-high-speed clock operation in any large-scale superconducting random access memory word line, bit line, and sense line configuration. is there.
さらに、本発明のこれらのワード線、ビット線及びセンス線で構成されたメモリセルアレイと、SFQ素子で構成されたデコーダ回路とで超伝導ランダムアクセスメモリを構成することで、超高速で且つ超低消費電力の大規模な超伝導ランダムアクセスメモリを実現できるという効果がある。 Furthermore, by forming a superconducting random access memory with the memory cell array composed of these word lines, bit lines and sense lines of the present invention and the decoder circuit composed of SFQ elements, it is possible to achieve ultra-high speed and ultra-low performance. There is an effect that a superconducting random access memory with large power consumption can be realized.
全体として直流電源で動作する超高速且つ超低消費電力の大規模な超伝導RAMとするという目的を、上述したようなワード線、ビット線、及びセンス線で構成されたメモリセルアレイと、単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたデコーダ回路とで構成することにより実現した。 A memory cell array composed of word lines, bit lines, and sense lines as described above is used for the purpose of forming a super-high-speed and ultra-low power consumption large-scale superconducting RAM that operates with a DC power supply as a whole. This is realized by configuring with a decoder circuit composed of magnetic flux quantum (SFQ) elements.
上述した単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたスプリッタ、コンフルエンスバッファ、及びラッチ回路は、例えば、文献(IEEE Transaction on applied superconductivity, vol. 1, no. 1, p.7, 1991)に詳しく記載されている。スプリッタとしては、この文献の図4に示されている回路を、コンフルエンスバッファとしては、図6に示されている回路、又は同様の機能として図10に示されているOR回路を使用することができる。ラッチ回路としては、この文献の図7に記載されているRSフリップフロップ回路を使用することができる。 The splitter, confluence buffer, and latch circuit composed of the single flux quantum (SFQ) element described above are described in detail in, for example, the literature (IEEE Transaction on applied superconductivity, vol. 1, no. 1, p. 7, 1991). Are listed. As the splitter, the circuit shown in FIG. 4 of this document can be used, and as the confluence buffer, the circuit shown in FIG. 6 or the OR circuit shown in FIG. 10 as a similar function can be used. it can. As the latch circuit, an RS flip-flop circuit described in FIG. 7 of this document can be used.
また、パッシブトランスミッションライン(PTL)に関しては、例えば、文献(Extended Abstracts of ISEC’01, 175-176.)又は特開2004−72141号公報に詳しく記載されている。ブロック内の信号伝搬には、それぞれ負荷駆動能力の高いレベル論理のドライバ回路及びセンス回路が用いられているが、例えば、文献(IBM J. RES. DEVELOP. Vol. 24, no. 2, pp. 143-154, 1980)に記載されている直流電源で動作可能なドライバ回路及びセンス回路を用いることもできる。 The passive transmission line (PTL) is described in detail in, for example, a document (Extended Abstracts of ISEC'01, 175-176.) Or Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-72141. For signal propagation in the block, a driver circuit and a sense circuit having a high level of load driving capability are used. For example, documents (IBM J. RES. DEVELOP. Vol. 24, no. 2, pp. 143-154, 1980), a driver circuit and a sense circuit which can be operated with a DC power source can also be used.
また、ワード線、ビット線、又はセンス線を、上述したようにブロック内の信号伝搬回路とブロック間の信号伝搬回路とに分けることで、これらの線路の構造は複雑になる。しかし、メモリセルアレイが大規模になった場合にも高速動作を可能にしている。なお、このような、多少複雑な線路構造は、デバイス構造上、ニオブ(Nb)の多層配線構造を採用することにより、メモリセルのレイアウト面積を増やすことなく実現できる。 Further, dividing the word line, bit line, or sense line into the signal propagation circuit in the block and the signal propagation circuit between the blocks as described above complicates the structure of these lines. However, high-speed operation is possible even when the memory cell array becomes large. Such a somewhat complicated line structure can be realized without increasing the layout area of the memory cell by adopting a niobium (Nb) multilayer wiring structure in terms of the device structure.
RAMの規模が大きくなり、メモリセルアレイが大きくなると、一つのドライバ回路が駆動するメモリセルの数が増大し、動作速度は必然的に遅くなる。このため、本発明では、一つのドライバ回路及びセンス回路が駆動するメモリセルの数を分割により限定することにより高速動作を可能としている。そして、分割した複数個のドライバ回路又はセンス回路に対して、超高速で超低消費電力という特性を有する単一磁束量子(SFQ)素子で構成された回路と超伝導PTLとにより、超高速で信号の伝搬が行われる。本発明では、このようなブロック間の信号伝搬とブロック内の信号伝搬とからなるワード線、ビット線、及びセンス線を構成することによりRAM全体としての高速動作を可能としている。 As the scale of the RAM increases and the memory cell array increases, the number of memory cells driven by one driver circuit increases and the operation speed inevitably decreases. Therefore, in the present invention, high-speed operation is possible by limiting the number of memory cells driven by one driver circuit and sense circuit by division. Then, with respect to a plurality of divided driver circuits or sense circuits, a circuit composed of a single magnetic flux quantum (SFQ) element having the characteristics of ultra-high speed and ultra-low power consumption and superconducting PTL can achieve super-high speed. Signal propagation takes place. In the present invention, a word line, a bit line, and a sense line composed of such signal propagation between blocks and signal propagation within the block are configured to enable high-speed operation as a whole RAM.
また、RAMの規模がさらに大きくなる場合には、分割するブロックの数が増大してブロック間の信号伝搬に要する時間が長くなる。しかし、ラッチ回路を挿入してブロック間の信号伝搬に要するパイプライン段数を増やすことにより、所望の高速動作を保証している。言い換えれば、RAMの所望のクロック周波数を得るために、一つのドライバ回路又はセンス回路の動作時間がそのクロック周期内で完了するようにメモリセルアレイを複数個のブロックに分割し、分割した複数個のブロック間の信号伝搬もパイプライン化している。この結果、どのような大規模なRAMの構成においても所望の高速クロック動作を可能にしている。 Further, when the scale of the RAM is further increased, the number of blocks to be divided is increased and the time required for signal propagation between the blocks is increased. However, a desired high-speed operation is ensured by inserting a latch circuit to increase the number of pipeline stages required for signal propagation between blocks. In other words, in order to obtain a desired clock frequency of the RAM, the memory cell array is divided into a plurality of blocks so that the operation time of one driver circuit or sense circuit is completed within the clock cycle, and a plurality of divided plurality of blocks are divided. Signal propagation between blocks is also pipelined. As a result, a desired high-speed clock operation is possible in any large-scale RAM configuration.
一方、大規模な超伝導RAMにおいて、このような分割数の増大は消費電力の増大という問題につながる。しかし、本発明によるブロック間信号伝搬回路は、超伝導PTL、スプリッタ、コンフルエンスバッファ、及びラッチ回路など単一磁束量子(SFQ)素子で構成されているので、直流電源で動作するSFQ回路の特徴である超低消費電力性という特徴を生かして、大規模なRAMの構成においても超低消費電力での動作を可能にしている。 On the other hand, in a large-scale superconducting RAM, such an increase in the number of divisions leads to a problem of increased power consumption. However, the inter-block signal propagation circuit according to the present invention is composed of a single flux quantum (SFQ) element such as a superconducting PTL, a splitter, a confluence buffer, and a latch circuit. Taking advantage of a certain feature of ultra-low power consumption, it is possible to operate with ultra-low power consumption even in a large-scale RAM configuration.
本発明の実施例1について図1を参照して説明する。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1は,本発明による超伝導RAMの構成における第1の実施の形態を示す等価回路図である。本実施例1は、超伝導RAMに含まれるワード線又はビット線の構成に関する。 FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing a first embodiment in the configuration of a superconducting RAM according to the present invention. The first embodiment relates to a configuration of a word line or a bit line included in a superconducting RAM.
まず、本回路の構成と機能とを説明する。 First, the configuration and function of this circuit will be described.
本実施例1によるワード線又はビット線の各ブロックは、超伝導ドライバ回路を含むブロック内信号伝搬回路(DR)3と、ブロック間の信号伝搬を行う超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)2と、前位の超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)2から受ける信号を自ブロック内の超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)2及びブロック内信号伝搬回路(DR)3に信号を分配する単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたスプリッタ(S)1とで構成される。図1では、上記構成要素を4つのブロックそれぞれに配置した場合が示されている。ブロック内信号伝搬回路(DR)3Xは、直列接続された32個のメモリセルと、このメモリセルを駆動する1個のドライバ回路とから構成され、SFQパルス信号の入力に応じてレベル信号を発生し、32個のメモリセルを直接駆動する機能を有する。 Each block of the word lines or bit lines according to the first embodiment includes an in-block signal propagation circuit (DR) 3 including a superconducting driver circuit, a superconducting passive transmission line (PTL) 2 that performs signal propagation between the blocks, and A single flux quantum (SFQ) that distributes a signal received from the preceding superconductive passive transmission line (PTL) 2 to the superconductive passive transmission line (PTL) 2 and the intra-block signal propagation circuit (DR) 3 in the block. ) And a splitter (S) 1 composed of elements. In FIG. 1, the case where the said component is arrange | positioned to each of four blocks is shown. The in-block signal propagation circuit (DR) 3 X is composed of 32 memory cells connected in series and one driver circuit for driving the memory cells, and outputs a level signal according to the SFQ pulse signal input. Generated and has a function of directly driving 32 memory cells.
次に、本実施例1の回路動作を説明する。図1で、左端から単一磁束量子(SFQ)パルスがスプリッタ(S)11に入力した場合、SFQパルスは4個のスプリッタ(S)11〜14と4個の超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)21〜24とを交互に介して左から右にブロック間の信号伝搬を超高速に行う。同時に、各スプリッタ(S)11〜14それぞれのもう一方の出力端から出力されたSFQパルスは、4個のブロック内信号伝搬回路(DR)31〜34それぞれに伝搬され、ブロック内信号伝搬回路(DR)31〜34内のドライバ回路がスイッチしてメモリセルに直接信号を伝搬させることができる。
Next, the circuit operation of the first embodiment will be described. In Figure 1, if the single-flux-quantum (SFQ) pulse from the left end is input to the splitter (S) 1 1, SFQ pulse four
ブロック間の信号伝搬は、SFQ素子で構成されたスプリッタ(S)1Xと超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)2Xとにより超高速(誘電率に対応した光の速度)で行われるので、4つのブロック内信号伝搬回路(DR)に僅かな時間差でSFQパルス信号を伝えることができる。 Signal propagation between the blocks is performed at an extremely high speed (the speed of light corresponding to the dielectric constant) by the splitter (S) 1 X composed of SFQ elements and the superconducting passive transmission line (PTL) 2 X. The SFQ pulse signal can be transmitted to the two intra-block signal propagation circuits (DR) with a slight time difference.
以上の動作により、超高速動作が可能な超伝導RAMのワード線又はビット線を構成することができる。 With the above operation, a word line or a bit line of a superconducting RAM capable of an ultra-high speed operation can be configured.
また、本実施例1の回路では、ブロック内信号伝搬回路(DR)3Xは、直列接続された32個のメモリセルと、このメモリセルを駆動する1個のドライバ回路とから構成したが、直列接続するメモリセルの数は所望の動作周波数により任意の値に設定することができる。 In the circuit according to the first embodiment, the in-block signal propagation circuit (DR) 3 X is composed of 32 memory cells connected in series and one driver circuit for driving the memory cells. The number of memory cells connected in series can be set to an arbitrary value depending on a desired operating frequency.
本発明の実施例2について図2を参照して説明する。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図2は,本発明による超伝導RAMの構成に対する第2の実施の形態を示す等価回路図である。本実施例2は、超伝導RAMに含まれるワード線又はビット線の構成に関する。 FIG. 2 is an equivalent circuit diagram showing a second embodiment for the configuration of the superconducting RAM according to the present invention. The second embodiment relates to the configuration of the word lines or bit lines included in the superconducting RAM.
まず、本回路の構成と機能とを説明する。 First, the configuration and function of this circuit will be described.
本実施例2は、超伝導ドライバ回路を含むブロック内信号伝搬回路(DR)31〜34と、ブロック間の信号伝搬を行う超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)21〜24と、情報を保持する機能を有するの単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたラッチ回路(DL)41〜44と、超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)21〜24間及びラッチ回路(DL)41〜44に信号を分配する単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたスプリッタ(S)11〜14とで構成される。本実施例では、上記構成要素それぞれを4個ずつ配置した場合を記載した。ブロック内信号伝搬回路(DR)3Xは、直列接続された32個のメモリセルと、このメモリセルを駆動する1個のドライバ回路とから構成され、SFQパルス信号の入力に応じてレベル信号を発生して、32個のメモリセルを直接駆動する機能を有する回路である。
In the second embodiment, in-block signal propagation circuits (DR) 3 1 to 3 4 including superconducting driver circuits, superconducting passive transmission lines (PTL) 2 1 to 2 4 that perform signal propagation between blocks, information Latch circuits (DL) 4 1 to 4 4 composed of single flux quantum (SFQ) elements having a function of holding the superconducting passive transmission lines (PTL) 2 1 to 2 4 and latch circuits (DL) ) composed of the 41 to 4 single flux quantum (splitter comprised of SFQ)
本実施例2の回路は、2段のパイプラインで動作する。最初のクロック周期(T1)で、図2の左端から単一磁束量子(SFQ)パルスがスプリッタ(S)11に入力されると、SFQパルスは交互に直列に配備される4個のスプリッタ(S)11〜14と4個のパッシブトランスミッションライン(PTL)21〜24とを介して左から右にブロック間の信号伝搬を超高速に行う。同時に、各スプリッタ(S)11〜14のもう一方の出力端から出力されたSFQパルスは、4個のラッチ回路(DL)41〜44それぞれに入力され、情報が保持される。次のクロック周期(T2)で、クロック信号が4個のラッチ回路(DL)41〜44に入力されると、ラッチ回路(DL)41〜44で保持されていた情報がブロック内信号伝搬回路(DR)31〜34それぞれにほぼ同時に伝搬され、ブロック内信号伝搬回路(DR)31〜34内のドライバ回路がスイッチしてメモリセルに直接信号を伝搬させることができる。
The circuit of the second embodiment operates with a two-stage pipeline. In the first clock cycle (T1), when the single-flux-quantum (SFQ) pulses from the left end of FIG. 2 is input to the splitter (S) 1 1, 4 single splitter SFQ pulses deployed alternately in series ( S) performs signal propagation between blocks ultrafast from left to right through the 1 1 to 1 4 and four
以上の動作により、2段のパイプラインで超高速動作が可能な超伝導RAMのワード線又はビット線を構成することができる。 With the above operation, it is possible to configure a superconducting RAM word line or bit line capable of ultra-high speed operation with a two-stage pipeline.
このように、この第2の実施の形態では、ブロック間の信号伝搬経路により伝搬されたSFQパルス信号は、一旦4個のラッチ回路(DL)41〜44に保持され、次のクロック周期でほぼ同時に4つのブロック内信号伝搬回路(DR)31〜34に伝えられることが可能である。従って、第1の実施の形態に比べてより高速のクロック動作が可能になるという効果がある。 As described above, in the second embodiment, the SFQ pulse signals propagated through the signal propagation path between the blocks are once held in the four latch circuits (DL) 4 1 to 4 4 , and the next clock cycle. Can be transmitted to the four intra-block signal propagation circuits (DR) 3 1 to 3 4 almost simultaneously. Therefore, there is an effect that a clock operation can be performed at a higher speed than in the first embodiment.
本発明の実施例3について図3を参照して説明する。 A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図3は,本発明の超伝導RAMの構成に対する第3の実施の形態を示す等価回路図である。本実施例3は、超伝導RAMに含まれるワード線又はビット線の構成に関する。 FIG. 3 is an equivalent circuit diagram showing a third embodiment for the configuration of the superconducting RAM of the present invention. The third embodiment relates to the configuration of the word lines or bit lines included in the superconducting RAM.
まず、本回路の構成と機能とを説明する。 First, the configuration and function of this circuit will be described.
本第3の実施の形態は、第1の実施の形態において、それぞれ4つのスプリッタ(S)11〜14とブロック内信号伝搬回路(DR)との間に更にスプリッタ(S)51〜54を挿入し、スプリッタ(S)51〜54の出力それぞれに二つずつのブロック内信号伝搬回路(DR)を接続した構成になっている。これにより、第1の実施の形態に比べて2倍の8個のブロック内信号伝搬回路(DR)31〜38を駆動できる。ここでは、例えばスプリッタ(S)51にはブロック内信号伝搬回路(DR)31,32が接続され、それぞれブロック1,2を形成する。同様にして、ブロック8までが形成されている。
The third embodiment, in the first embodiment,
本実施例3の回路の動作は、上記第1の実施の形態と同様であり、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、本第3の実施の形態では、ブロック内信号伝搬回路の個数に比べて、相対的にブロック間信号伝搬に係わるスプリッタの数が少なくなっている。従って、ブロック間の信号伝搬がより高速で行えるので、同じクロック周期に対しては、より広い範囲でブロック間の信号伝搬を行うことができるという効果がある。 The operation of the circuit of Example 3 is the same as that of the first embodiment, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, in the third embodiment, the number of splitters involved in inter-block signal propagation is relatively smaller than the number of intra-block signal propagation circuits. Therefore, since signal propagation between blocks can be performed at higher speed, there is an effect that signal propagation between blocks can be performed in a wider range for the same clock cycle.
本発明の実施例4について図4を参照して説明する。 A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図4は,本発明の超伝導RAMの構成に対する第4の実施の形態を示す等価回路図である。本実施例4も、超伝導RAMに含まれるワード線又はビット線の構成に関する。 FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing a fourth embodiment for the configuration of the superconducting RAM of the present invention. The fourth embodiment also relates to the configuration of word lines or bit lines included in the superconducting RAM.
まず、本回路の構成と機能とを説明する。 First, the configuration and function of this circuit will be described.
この第4の実施の形態は、第2の実施の形態において、4つのラッチ回路(DL)41〜44とブロック内信号伝搬回路(DR)との間に更にスプリッタ(S)51〜54を挿入し、スプリッタ(S)51〜54の出力それぞれに二つずつのブロック内信号伝搬回路(DR)を接続した構成になっている。これにより、第2の実施の形態に比べて2倍の8個のブロック内信号伝搬回路(DR)31〜38を駆動できる。ここでは、例えばスプリッタ(S)51にはブロック内信号伝搬回路(DR)31,32が接続され、それぞれブロック1,2を形成する。同様にして、ブロック8までが形成されている。
In the fourth embodiment, splitters (S) 5 1 to 4 are further provided between the four latch circuits (DL) 4 1 to 4 4 and the intra-block signal propagation circuit (DR) in the second embodiment. 5 4 insert a has a structure of connecting the
本実施例4の回路は、実施例2と同様に2段のパイプラインで動作する。第1段目のクロック周期(T1)で、図4の左端から単一磁束量子(SFQ)パルスがスプリッタ(S)11に入力されると、SFQパルスは交互に直列に配備される4個のスプリッタ(S)11〜14と4個のパッシブトランスミッションライン(PTL)21〜24とを介して左から右にブロック間の信号伝搬を超高速で行う。同時に、スプリッタ(S)11〜14それぞれのもう一方の出力端から出力されたSFQパルスは、4個のラッチ回路(DL)41〜44それぞれに入力され、情報が保持される。
The circuit of the fourth embodiment operates in a two-stage pipeline as in the second embodiment. In the first stage of the clock period (T1), 4 pieces are single-flux-quantum (SFQ) pulses from the left end in FIG. 4 is input to the splitter (S) 1 1, SFQ pulses deployed alternately in series Signal transmission between the blocks from left to right via the splitters (S) 1 1 to 1 4 and four passive transmission lines (PTL) 2 1 to 2 4 . At the same time, the
第2段目のクロック周期(T2)では上記実施例2とは異なり、クロック信号が4個のラッチ回路(DL)41〜44に入力されると、ラッチ回路(DL)41〜44で保持されていた情報が4個のスプリッタ(S)51〜54を介して8個のブロック内信号伝搬回路(DR)31〜38にほぼ同時に伝搬され、ブロック内信号伝搬回路(DR)31〜38内のドライバ回路がスイッチしてメモリセルに直接信号を伝搬させることができる。
Unlike clock period (T2) in the second embodiment of the second stage, when the clock signal is input to the four
すなわち、本実施例4の回路動作は、上記第2の実施の形態と同様であり、第2の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、本第4の実施の形態では、ブロック内信号伝搬回路の個数に比べて、相対的にブロック間信号伝搬に係わるスプリッタの数が少なくなっている。従って、ブロック間の信号伝搬がより高速で行えるので、同じクロック周期に対しては、より広い範囲でブロック間の信号伝搬を行うことが出来るという効果がある。 That is, the circuit operation of the fourth embodiment is the same as that of the second embodiment, and the same effect as that of the second embodiment can be obtained. Furthermore, in the fourth embodiment, the number of splitters involved in inter-block signal propagation is relatively smaller than the number of intra-block signal propagation circuits. Therefore, since signal propagation between blocks can be performed at higher speed, there is an effect that signal propagation between blocks can be performed in a wider range for the same clock cycle.
本発明の実施例5について図5を参照して説明する。 A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図5は,本発明の超伝導RAMの構成に対する第5の実施の形態を示す等価回路図であり、8つのブロックのうち、4つのブロック1〜4が図示されている。ブロック5〜8も図示されているブロック1〜4と同様の構成を有している。本実施例5も、超伝導RAMに含まれるワード線又はビット線の構成に関する。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing a fifth embodiment for the configuration of the superconducting RAM of the present invention, in which four
まず、本回路の構成と機能とを説明する。 First, the configuration and function of this circuit will be described.
この第5の実施の形態は、第4の実施の形態において、超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)とスプリッタ(S)とで構成されたブロック間の信号伝搬回路をバイナリーツリーに配置した構成をとる。加えて、バイナリーツリー構造のブロック間に配置される信号伝搬回路の適切な位置にラッチ回路(DL)を挿入することで、3段のパイプラインで動作するように設定されている。 In the fifth embodiment, in the fourth embodiment, a signal propagation circuit between blocks constituted by a superconductive passive transmission line (PTL) and a splitter (S) is arranged in a binary tree. . In addition, a latch circuit (DL) is inserted at an appropriate position of a signal propagation circuit arranged between the blocks of the binary tree structure, so that the circuit operates in a three-stage pipeline.
次に、図5では省略されている部分も含めて実施例5の構成と動作とを説明する。 Next, the configuration and operation of the fifth embodiment including parts omitted in FIG. 5 will be described.
すなわち、第1段目のクロック周期(T1)では、スプリッタ(S)111が、ラッチ回路(DL)14を介して入力するSFQパルスを受け、二つの超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)121,122に送る。 That is, in the first stage of the clock period (T1), the splitter (S) 11 1 is receiving a SFQ pulse input via the latch circuit (DL) 14, two superconducting passive transmission line (PTL) 12 1 , 12 2 .
第2段目のクロック周期(T2)では、ラッチ回路(DL)241が、超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)121から受けたSFQパルスを、スプリッタ(S)211を介して二つの超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)221,222に送る。この第2段目では、更に、超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)221から出力されたSFQパルスが、直接スプリッタ(S)311を介して二つの超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)321,322に送られる。図示されていないスプリッタ(S)212、超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)223,224,323〜328も同一構成で配備される。 In the second-stage clock cycle (T2), the latch circuit (DL) 24 1 receives the SFQ pulse received from the superconducting passive transmission line (PTL) 12 1 via the splitter (S) 21 1. Conductive passive transmission lines (PTL) 22 1 and 22 2 are sent. In the second stage, the SFQ pulse output from the superconducting passive transmission line (PTL) 22 1 is further transmitted via the direct splitter (S) 31 1 into two superconducting passive transmission lines (PTL) 32 1 , 32 is sent to 2. A splitter (S) 21 2 and a superconductive passive transmission line (PTL) 22 3 , 22 4 , 32 3 to 32 8 (not shown) are also provided with the same configuration.
第3段目のクロック周期(T3)では、上記実施例4の第2段目と同一で2倍の回路構成を有する。 The third stage clock cycle (T3) is the same as the second stage of the fourth embodiment and has a double circuit configuration.
本実施例5の回路動作は、第4の実施の形態と同様であり、第4の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、本第5の実施の形態では、ブロック間信号伝搬回路がバイナリーツリーで構成されているため、全てのブロック内信号伝搬回路に対して等長配線になっている。従って、ブロック間信号伝搬回路の上端から入力されたSFQパルスを、全てのブロック内信号伝搬回路に同時刻に伝搬させることができるという効果がある。そのため、より大規模なブロック構成のワード線又はビット線においても高速のパイプライン動作が可能であるという効果もある。 The circuit operation of the fifth embodiment is the same as that of the fourth embodiment, and the same effect as that of the fourth embodiment can be obtained. Furthermore, in the fifth embodiment, since the inter-block signal propagation circuit is configured by a binary tree, the wiring is equal in length to all the intra-block signal propagation circuits. Therefore, the SFQ pulse input from the upper end of the inter-block signal propagation circuit can be propagated to all the intra-block signal propagation circuits at the same time. Therefore, there is also an effect that a high-speed pipeline operation is possible even in a word line or a bit line having a larger block configuration.
また、本実施の形態では、バイナリーツリー構造のブロック間を形成する信号伝搬回路の適切な位置にラッチ回路を挿入して、3段のパイプラインを構成したが、場合によっては2段又は4段以上で構成することもできる。又は、回路サイズが小さい場合には、ラッチ回路を挿入せずに、パイプラインを行わない通常の動作をさせることもできる。 In this embodiment, a three-stage pipeline is configured by inserting a latch circuit at an appropriate position of a signal propagation circuit that forms a block between binary tree structures. It can also be configured as described above. Alternatively, when the circuit size is small, a normal operation without pipelining can be performed without inserting a latch circuit.
本発明の実施例6について図6を参照して説明する。 A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図6は,本発明による超伝導RAMの構成に対する第6の実施の形態を示す等価回路図である。この第6の実施の形態は、超伝導RAMにおけるセンス線の構成に関する第1の実施例である。 FIG. 6 is an equivalent circuit diagram showing a sixth embodiment for the configuration of the superconducting RAM according to the present invention. The sixth embodiment is a first example relating to the configuration of the sense lines in the superconducting RAM.
まず、本回路の構成と機能とを説明する。 First, the configuration and function of this circuit will be described.
本実施例6は、ブロック内信号伝搬回路(DR)61(〜64)と、ブロック間の信号伝搬を行うパッシブトランスミッションライン(PTL)21(〜24)と、超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)21(〜24)及びブロック内信号伝搬回路(DR)61(〜64)から信号を受けて次のブロックの超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)へ伝搬する単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたコンフルエンスバッファ(C)71(〜74)とで構成される。本実施例6では、上記構成要素をそれぞれ4個配置した場合が記載されている。ブロック内信号伝搬回路(DR)6Xは、直列接続された32個のメモリセルと、このメモリセルからの情報を検出するセンス回路とから構成され、選択されたメモリセルが保持していた情報に応じてSFQパルスを出力する機能を有する回路である。 The sixth embodiment includes an intra-block signal propagation circuit (DR) 6 1 (˜6 4 ), a passive transmission line (PTL) 2 1 (˜2 4 ) that performs signal propagation between blocks, and a superconducting passive transmission line. Single flux quanta that receive signals from (PTL) 2 1 (˜2 4 ) and in-block signal propagation circuit (DR) 6 1 (˜6 4 ) and propagate to the next block superconducting passive transmission line (PTL) (SFQ) Confluence buffer (C) 7 1 (˜7 4 ) composed of elements. In the sixth embodiment, a case where four of the above-described components are arranged is described. The in-block signal propagation circuit (DR) 6 X is composed of 32 memory cells connected in series and a sense circuit for detecting information from the memory cells, and the information held in the selected memory cell The circuit has a function of outputting SFQ pulses in response to the above.
次に、本実施例6の回路動作を説明する。 Next, the circuit operation of the sixth embodiment will be described.
まず、メモリセルアレイのアドレスで指定されたメモリセルが選択され、そのメモリセルからの情報が読み出される。本実施例6では、ブロック2のブロック内信号伝搬回路(DR)62のセンス回路が選択され、このブロック内信号伝搬回路(DR)62からSFQパルスが出力された場合について説明する。出力されたSFQパルスは、コンフルエンスバッファ(C)72に入力され、ブロック間信号伝搬回路としての超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)23、コンフルエンスバッファ(C)73、超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)24、及びコンフルエンスバッファ(C)74を介して図の右端に高速に伝搬させることができる。
First, a memory cell specified by an address of the memory cell array is selected, and information from the memory cell is read out. In Example 6, a block in the signal propagation circuit (DR) of 6 2
この第6の実施の形態においても、4つのブロック内信号伝搬回路(DR)における任意のブロック内信号伝搬回路(DR)からSFQパルスが出力されても、SFQ素子で構成されたコンフルエンスバッファ(C)と超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)とで構成されたブロック間信号伝搬回路は超高速(誘電率に対応した光の速度)で信号伝搬を行うので、僅かな時間差でSFQパルス信号を出力端(図の右端)に伝えることができる。 Also in the sixth embodiment, even if an SFQ pulse is output from an arbitrary intra-block signal propagation circuit (DR) in the four intra-block signal propagation circuits (DR), a confluence buffer (C ) And a superconducting passive transmission line (PTL), the inter-block signal propagation circuit propagates the signal at an ultra-high speed (the speed of light corresponding to the dielectric constant). (Right end of the figure).
以上の動作により、超高速動作が可能な超伝導RAMのセンス線を構成することができる。 With the above operation, a superconducting RAM sense line capable of ultra-high speed operation can be configured.
本発明の実施例7について図7を参照して説明する。 A seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図7は,本発明による超伝導RAMの構成に対する第7の実施の形態を示す等価回路図である。この第7の実施の形態は、超伝導ランダムアクセスメモリにおけるセンス線の構成に関する第2の実施例である。 FIG. 7 is an equivalent circuit diagram showing a seventh embodiment for the configuration of the superconducting RAM according to the present invention. The seventh embodiment is a second example relating to the configuration of the sense line in the superconducting random access memory.
まず、本実施例7による回路の構成と機能とを説明する。 First, the configuration and function of the circuit according to the seventh embodiment will be described.
本実施例7は、ブロック内信号伝搬回路(DR)61(〜64)と、ブロック間の信号伝搬を行う超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)21(〜24)と、情報を保持する機能を有する単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたラッチ回路(DL)41(〜44)と、超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)21(〜24)及びブロック内信号伝搬回路(DR)61(〜64)から信号を受けて次のブロックの超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)へ伝搬する単一磁束量子(SFQ)素子で構成されたコンフルエンスバッファ(C)71(〜74)とで構成される。 The seventh embodiment holds information in the intra-block signal propagation circuit (DR) 6 1 (˜6 4 ), the superconductive passive transmission line (PTL) 2 1 (˜2 4 ) that performs signal propagation between the blocks, and information. Latch circuit (DL) 4 1 (˜4 4 ) composed of a single flux quantum (SFQ) device having a function to perform, superconducting passive transmission line (PTL) 2 1 (˜2 4 ), and intra-block signal propagation A confluence buffer (C) 7 1 composed of a single flux quantum (SFQ) element that receives a signal from the circuit (DR) 6 1 (˜6 4 ) and propagates it to the superconductive passive transmission line (PTL) of the next block. (˜7 4 ).
本実施例7では、上記構成要素それぞれの4個を配置した場合が記載されている。ブロック内信号伝搬回路(DR)6Xは、直列接続された32個のメモリセルと、このメモリセルからの情報を検出するセンス回路とから構成され、選択されたメモリセルの保持していた情報に応じてSFQパルスを出力する機能を有する回路である。 In the seventh embodiment, a case where four of each of the above-described components are arranged is described. The in-block signal propagation circuit (DR) 6 X is composed of 32 memory cells connected in series and a sense circuit for detecting information from the memory cells, and the information held in the selected memory cell The circuit has a function of outputting SFQ pulses in response to the above.
本実施例7の回路は、2段のパイプラインで動作する。第1段目のクロック周期(T1)では、メモリセルアレイのアドレスで指定されたメモリセルが選択され、そのメモリセルからの情報が読み出される。本実施例7では、ブロック2のブロック内信号伝搬回路(DR)32のセンス回路が選択され、このブロック内信号伝搬回路(DR)32からSFQパルスが出力された場合について説明する。ブロック内信号伝搬回路(DR)32から出力されたSFQパルスは、ラッチ回路(DL)42に入力され保持される。次の第2段目のクロック周期(T2)では、クロック信号が4個のラッチ回路(DL)41〜44に入力されると、ラッチ回路(DL)42では保持していた情報がコンフルエンスバッファ(C)72に入力され、ブロック間信号伝搬回路である超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)23、コンフルエンスバッファ(C)73、超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)24、及びコンフルエンスバッファ(C)74を順次介して図の右端に高速に伝搬させ、メモリセルの情報を高速に取り出すことができる。
The circuit of the seventh embodiment operates with a two-stage pipeline. In the first clock cycle (T1), the memory cell specified by the address of the memory cell array is selected, and information is read from the memory cell. In
以上の動作を有する、2段のパイプラインで超高速動作が可能な超伝導ランダムアクセスメモリのセンス線を構成できる。 A sense line of a superconducting random access memory having the above-described operation and capable of an ultrahigh-speed operation with a two-stage pipeline can be configured.
このように、本第7の実施の形態では、4つのブロック内信号伝搬回路(DR)のうち、任意のブロック内信号伝搬回路(DR)からSFQパルスが出力されても、一旦、4個のラッチ回路(DL)に保持され、次のクロック周期の最初からコンフルエンスバッファ(C)と超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)で構成されたブロック間信号伝搬回路にSFQパルス信号を伝搬させることができるので、第6の実施の形態に比べてより高速のクロック動作が可能になるという効果がある。 As described above, in the seventh embodiment, even if an SFQ pulse is output from an arbitrary intra-block signal propagation circuit (DR) among the four intra-block signal propagation circuits (DR), Since it is held in the latch circuit (DL), the SFQ pulse signal can be propagated from the beginning of the next clock cycle to the inter-block signal propagation circuit composed of the confluence buffer (C) and the superconductive passive transmission line (PTL). As compared with the sixth embodiment, there is an effect that a higher-speed clock operation is possible.
本発明の実施例8について図8を参照して説明する。 An eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図8は,本発明による超伝導RAMの構成に対する第8の実施の形態を示す等価回路図である。この第8の実施の形態は、超伝導ランダムアクセスメモリにおけるセンス線の構成に関する第3の実施例である。 FIG. 8 is an equivalent circuit diagram showing an eighth embodiment for the configuration of the superconducting RAM according to the present invention. The eighth embodiment is a third example relating to the configuration of the sense line in the superconducting random access memory.
まず、本実施例8による回路の構成と機能について説明する。 First, the configuration and function of the circuit according to the eighth embodiment will be described.
この第8の実施の形態は、第7の実施の形態において、パッシブトランスミッションライン(PTL)とコンフルエンスバッファ(C)で構成されたブロック間の信号伝搬回路をバイナリーツリーに配置した構成をとる。加えて、バイナリーツリー構造のブロック間における信号伝搬回路の適切な位置にラッチ回路(DL)を挿入することで、3段のパイプラインで動作するように設定されている。 In the eighth embodiment, a signal propagation circuit between blocks constituted by a passive transmission line (PTL) and a confluence buffer (C) in the seventh embodiment is arranged in a binary tree. In addition, a latch circuit (DL) is inserted at an appropriate position of the signal propagation circuit between the blocks of the binary tree structure, so that the circuit operates in a three-stage pipeline.
次に、図8では省略されている部分も含めて実施例8の構成を説明する。 Next, the configuration of the eighth embodiment will be described including parts omitted in FIG.
すなわち、第1段目のクロック周期(T1)では、ブロック1〜4それぞれに対してブロック内信号伝搬回路(DR)161〜164が図示され、ブロック5〜16については省略されている。二つのブロック内信号伝搬回路(DR)161,162から出力されたSFQパルスはコンフルエンスバッファ(C)181が受けてラッチ回路(DL)141へ出力する。
That is, in the first stage of the clock period (T1), the block in the
第2段目のクロック周期(T1)では、ラッチ回路(DL)141がパッシブトランスミッションライン(PTL)121を介してコンフルエンスバッファ(C)171へSFQパルスを出力する。コンフルエンスバッファ(C)171は、ブロック3,4におけるSFQパルスを、ラッチ回路(DL)142からパッシブトランスミッションライン(PTL)122を介して受けるので、4つのブロック1〜4に対応している。同様に、コンフルエンスバッファ(C)172は、ブロック5〜8に対応したSFQパルスを受ける。ブロック9〜16に対応した回路も同様である。
In the second-stage clock cycle (T1), the latch circuit (DL) 14 1 outputs an SFQ pulse to the confluence buffer (C) 17 1 via the passive transmission line (PTL) 12 1 . The confluence buffer (C) 17 1 receives the SFQ pulse in the
更に、第2段目では、ブロック5〜8に対応するコンフルエンスバッファ(C)171,172からパッシブトランスミッションライン(PTL)222,222それぞれを介してSFQパルスを受けるコンフルエンスバッファ(C)271がある。コンフルエンスバッファ(C)271は、受けたSFQパルスをラッチ回路(DL)241へ出力する。ラッチ回路(DL)242へ出力するブロック9〜16に対応した回路も同様である。
Further, in the second stage, the confluence buffer (C) that receives SFQ pulses from the confluence buffers (C) 17 1 and 17 2 corresponding to the
第3段目のクロック周期(T3)では、コンフルエンスバッファ(C)371が、SFQパルスを、ラッチ回路(DL)241、242からパッシブトランスミッションライン(PTL)321,322それぞれを介して受け、ラッチ回路(DL)34に出力している。
In the third stage of the clock period (T3), confluence buffer (C) 37 1 is the SFQ pulse,
このような実施例8の回路の動作は、第7の実施の形態と同様であり、第7の実施の形態と同様の効果が得られる。さらに、本実施の形態では、ブロック間信号伝搬回路がバイナリーツリーで構成されているため、全てのブロック内信号伝搬回路に対して等長配線になっている。従って、任意の位置のブロック内信号配線回路から出力されたSFQパルスでも、ほぼ同時刻に伝搬させることができるという効果がある。そのため、より大規模なブロック構成のセンス線においても高速にパイプライン動作が可能であるという効果もある。 The operation of the circuit of Example 8 is the same as that of the seventh embodiment, and the same effect as that of the seventh embodiment can be obtained. Furthermore, in this embodiment, since the inter-block signal propagation circuit is composed of a binary tree, it is an equal length wiring for all the intra-block signal propagation circuits. Therefore, an SFQ pulse output from an in-block signal wiring circuit at an arbitrary position can be propagated at substantially the same time. Therefore, there is also an effect that a pipeline operation can be performed at high speed even with a sense line having a larger block configuration.
また、本第8の実施の形態では、バイナリーツリー構造のブロック間における信号伝搬回路の適切な位置にラッチ回路(DL)を挿入して、3段のパイプラインを構成したが、場合によっては2段又は4段以上で構成することもできる。又は、回路サイズが小さい場合には、ラッチ回路(DL)を挿入せず、パイプラインを行わない通常の動作をさせることもできる。 In the eighth embodiment, a latch circuit (DL) is inserted at an appropriate position of the signal propagation circuit between the blocks of the binary tree structure to configure a three-stage pipeline. It can also be composed of stages or four or more stages. Alternatively, when the circuit size is small, it is possible to perform a normal operation without performing the pipeline without inserting the latch circuit (DL).
本発明の実施例9について図9及び図10を併せ参照して説明する。 A ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10 together.
図9は,本発明による超伝導RAM40の構成に対する第9の実施の形態を示すブロック構成図である。この第9の実施の形態は、超伝導RAMにおける上記第2の実施の形態によるワード線又はビット線の構成と、上記第7の実施の形態によるセンス線の構成とにより、16kビットの記憶容量を持った超伝導RAM40を構成した場合の実施例である。
FIG. 9 is a block diagram showing a ninth embodiment for the structure of the
まず、本実施例9による回路構成と機能について説明する。 First, the circuit configuration and function according to the ninth embodiment will be described.
本実施例9における超伝導RAM40は、4行4列に配置された32行32列の1kビットメモリセルアレイブロック41と、ブロック内の信号伝搬を行うドライバ回路42及びセンス回路43と、ブロック間に信号を伝播するためのスプリッタ、コンフルエンスバッファ、及びラッチ回路を含むライン回路44、及びSFQ素子で構成された行(X)方向と列(Y)方向との二つのデコーダ回路45,46とから構成されている。
The
図9には明記されていないが、行(X)方向及び列(Y)方向のパッシブトランスミッションライン(PTL)が上記スプリッタ、コンフルエンスバッファ、ラッチ回路等を含むライン回路44を介して接続されることで、(X)方向のワード線及びセンス線、並びに列(Y)方向のビット線それぞれが構成されている。また、全ての構成要素は、直流電源で動作するように設定されている。
Although not clearly shown in FIG. 9, the passive transmission lines (PTL) in the row (X) direction and the column (Y) direction are connected via the
次に、図10を参照して本実施例9の動作を簡単に説明する。図10は、本実施例9の超伝導RAMの信号伝搬経路とパイプライン構成とを示す。 Next, the operation of the ninth embodiment will be briefly described with reference to FIG. FIG. 10 shows the signal propagation path and pipeline configuration of the superconducting RAM of the ninth embodiment.
第1段目のクロック周期(T1)に、アドレス、データ、リード/ライト(R/W)等の入力信号(SFQパルス)がSFQデコーダ回路45,46に入力され、アドレス信号で指定された行(X)方向及び列(Y)方向の指定された位置が選択(手順S1)される。 In the first clock cycle (T1), an input signal (SFQ pulse) such as an address, data, read / write (R / W), etc. is input to the SFQ decoder circuits 45 and 46, and a row designated by the address signal. The designated positions in the (X) direction and the column (Y) direction are selected (step S1).
第2段目のクロック周期(T2)では、ブロック間信号伝搬として、デコーダ回路45,46から出力されたSFQパルスが選択された行及び列に関連するワード線又はビット線に伝搬され、ブロック内信号伝搬回路(DR)の直前に配置されたラッチ回路に保持(手順S2)される。 In the second-stage clock cycle (T2), as the inter-block signal propagation, the SFQ pulse output from the decoder circuits 45 and 46 is propagated to the word line or bit line associated with the selected row and column, and is transmitted within the block. It is held in the latch circuit arranged immediately before the signal propagation circuit (DR) (step S2).
次の第3段目のクロック周期(T3)では、ブロック内信号伝搬回路(DR)のドライバ回路が動作し、選択されたメモリセルに対してデータの書込みや読出しの信号伝搬(手順S3)及びそれに対するメモリセルの動作(手順S4)が行われる。読出し動作の場合には、この時同時に、ブロック内信号伝搬回路(DR)のセンス回路が、選択されたメモリセルから読み出されたデータを伝搬してセンス回路に接続されたラッチ回路にデータを保持(手順S5)する。 In the next third stage clock cycle (T3), the driver circuit of the intra-block signal propagation circuit (DR) operates, and the signal propagation (step S3) of data writing and reading to the selected memory cell is performed. The operation of the memory cell for that (step S4) is performed. In the case of the read operation, at the same time, the sense circuit of the intra-block signal propagation circuit (DR) propagates the data read from the selected memory cell and sends the data to the latch circuit connected to the sense circuit. Hold (step S5).
次の第4段目のクロック周期(T4)では、ラッチ回路に保持されたデータ信号が出力され、センス線のブロック間信号伝搬により出力端に伝搬(手順S6)される。 In the next fourth-stage clock cycle (T4), the data signal held in the latch circuit is output and propagated to the output end by the inter-block signal propagation of the sense line (step S6).
このように、本実施例9では、4段のパイプラインで16kビットの超伝導ランダムアクセスメモリが構成されている。 As described above, in the ninth embodiment, a 16 kbit superconducting random access memory is configured by a four-stage pipeline.
この第9の実施の形態では、メモリセルアレイの分割によりブロック内の信号伝搬に係るドライバ回路及びセンス回路の数は増大するがデコーダ回路の分割は行わないため、デコーダ回路の素子数は増大しない。このため、従来の技術のようにデコーダ回路も含めて分割した場合に比べて、素子数が少なくなり、レイアウト面積又は消費電力を小さくできるという効果がある。 In the ninth embodiment, dividing the memory cell array increases the number of driver circuits and sense circuits related to signal propagation in the block, but the decoder circuit is not divided, so the number of elements in the decoder circuit does not increase. For this reason, the number of elements can be reduced and the layout area or power consumption can be reduced as compared with the case of dividing the decoder circuit including the conventional technique.
本実施例9では、10GHzのクロック動作を目標として、分割した一つのブロックの大きさを32行32列の1kビットメモリセルアレイに形成したが、分割するブロックの大きさは任意に設定することができる。例えば、一つのブロックの大きさを16行16列にすれば、分割に伴うブロック内信号伝搬に係わる回路の数は増大するが、20GHz近くのより高速の動作が可能になる。一方、一つのブロックの大きさを64行64列にすれば、分割に伴うブロック内信号伝搬に係わる回路の数は減少するが、クロック周波数は5GHz程度にとどまる。 In the ninth embodiment, the size of one divided block is formed in a 1k-bit memory cell array of 32 rows and 32 columns for the purpose of clock operation of 10 GHz. However, the size of the divided blocks can be arbitrarily set. it can. For example, if the size of one block is 16 rows and 16 columns, the number of circuits involved in intra-block signal propagation associated with the division increases, but higher speed operation near 20 GHz becomes possible. On the other hand, if the size of one block is 64 rows and 64 columns, the number of circuits related to intra-block signal propagation associated with the division decreases, but the clock frequency remains at about 5 GHz.
以上説明したように、この第9の実施の形態により、超高速で且つ超低消費電力の直流電源で動作が可能な16kビットの超伝導ランダムアクセスメモリを実現することができる。 As described above, according to the ninth embodiment, it is possible to realize a 16 kbit superconducting random access memory that can operate with a DC power source that is ultra-high speed and consumes very low power.
本発明の実施例10について図11を参照して説明する。 A tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図11は,本発明による超伝導RAMの構成に対する第10の実施の形態を示すブロック構成図である。この第10の実施の形態は、上記第9の実施の形態で示された16kビットの超伝導RAM40Aを4個配置して、デコーダ回路を横方向と縦方法とのそれぞれ中央に配置して隣接する16kブロックで共通に使用するようにしている。従って、64kビットの記憶容量を有する超伝導RAMが構成されている。 FIG. 11 is a block diagram showing the tenth embodiment for the structure of the superconducting RAM according to the present invention. In the tenth embodiment, four 16 kbit superconducting RAMs 40A shown in the ninth embodiment are arranged, and a decoder circuit is arranged in the center in the horizontal direction and the vertical method, respectively. 16k blocks are used in common. Therefore, a superconducting RAM having a storage capacity of 64 kbit is configured.
この第10の実施の形態は、第9の実施の形態の16kビットの超伝導RAM40を4個並列に配置した構成と回路動作上は全く同じなので、回路規模を4倍にしても第9の実施の形態と同様の4段のパイプラインで且つ同じクロック周波数で動作させることが可能である。従って、第9の実施の形態と同様の効果が得られ、且つ記憶容量が4倍の64Kビットの超伝導RAMを構成できるという効果がある。加えて、デコーダ回路を横方向と縦方法のそれぞれ中央に配置して隣接する16kブロックで共通に使用するようにすることで、16kビットの超伝導RAMを単純に4個並列に配置した場合に比べて、デコーダ回路の数を減らすことができるという効果もある。 Since the tenth embodiment is exactly the same in terms of circuit operation as the configuration of four 16 kbit superconducting RAMs 40 arranged in parallel in the ninth embodiment, even if the circuit scale is quadrupled, the ninth embodiment It is possible to operate with the same four-stage pipeline and the same clock frequency as in the embodiment. Therefore, the same effects as those of the ninth embodiment can be obtained, and a 64 Kbit superconducting RAM having a storage capacity of 4 times can be configured. In addition, by arranging the decoder circuit in the center of the horizontal direction and the vertical method so that the 16k blocks adjacent to each other can be used in common, four superconducting RAMs of 16 kbit are simply arranged in parallel. In comparison, the number of decoder circuits can be reduced.
本発明の実施例11について図12を参照して説明する。
図12は,本発明による超伝導RAMの構成に対する第11の実施の形態を示すブロック構成図である。この第11の実施の形態は、上記第5の実施の形態によるワード線又はビット線の構成と、上記第8の実施の形態によるセンス線の構成とにより、256kビットの記憶容量を持った超伝導RAMを構成した場合の実施例である。 FIG. 12 is a block diagram showing an eleventh embodiment for the structure of the superconducting RAM according to the present invention. In the eleventh embodiment, the configuration of the word line or bit line according to the fifth embodiment and the configuration of the sense line according to the eighth embodiment are super-capacity having a storage capacity of 256 kbits. This is an embodiment when a conductive RAM is configured.
まず、実施例11の回路構成と機能とについて説明する。 First, the circuit configuration and function of Example 11 will be described.
この第11の実施の形態は、まず第9の実施の形態に基づいて32行32列の1kビットメモリセルアレイブロック41を8行8列に配置し、ブロック間の信号伝搬のためのドライバ回路、センス回路、スプリッタ、コンフルエンスバッファ、ラッチ回路、及びSFQ素子で構成された行方向と列方向の2つのデコーダ回路とから構成された64Kビット超伝導RAM40Bを構成する。次に、上記第10の実施の形態に基づいて、この64kビットの超伝導RAM40Bを4個配置し、デコーダ回路を横方向と縦方法のそれぞれ中央に配置して隣接する64kブロックで共通に使用するようにする。この結果、256kビットの記憶容量を持った超伝導RAMが構成できる。
In the eleventh embodiment, first, a 1k-bit memory
本第11の実施の形態における回路動作は、第9の実施の形態及び第10の実施の形態と同様で、分割した最小ブロックの大きさも32行32列の1kビットメモリセルアレイ41であるため、10GHzの同じクロック周波数で動作させることが可能であり、同様の効果も得られる。しかしながら、回路規模が大きくなり分割したブロックの数が多くなっているため、ブロック間の信号伝搬に時間がかかる。このため、図13のパイプライン構成で示されるのように、ブロック間の信号伝搬に2段のパイプライン周期が設定されている。従って、256kビット超伝導ランダムアクセスメモリ全体のパイプラインは6段になる。
The circuit operation in the eleventh embodiment is the same as in the ninth and tenth embodiments, and the size of the divided minimum block is also a 1k bit
図13は、この第11の実施の形態における超伝導RAMの信号伝搬経路とパイプライン構成とを示す。 FIG. 13 shows a signal propagation path and pipeline configuration of the superconducting RAM in the eleventh embodiment.
第1段目のクロック周期(T1)では、アドレス、データ、リード/ライト(R/W)等の入力信号(SFQパルス)がSFQデコーダ回路に入力され、アドレス信号で指定された行(X)方向及び列(Y)方向の指定された位置が選択(手順S11)される。 In the first clock cycle (T1), an input signal (SFQ pulse) such as address, data, read / write (R / W), etc. is input to the SFQ decoder circuit, and the row (X) specified by the address signal The designated position in the direction and the column (Y) direction is selected (step S11).
第2段目のクロック周期(T2)では、ブロック間信号伝搬として、デコーダ回路から出力されたSFQパルスが選択された行及び列に関連するワード線又はビット線の前半部分に伝搬され、これらの線路の途中に配置されたラッチ回路に保持(手順S12)される。 In the second-stage clock cycle (T2), the SFQ pulse output from the decoder circuit is propagated to the first half of the word line or bit line associated with the selected row and column as inter-block signal propagation. It is held in a latch circuit arranged in the middle of the line (step S12).
第3段目のクロック周期(T3)では、ブロック間信号伝搬として、ラッチ回路に保持されたSFQパルスがワード線又はビット線の後半部分に伝搬され、ブロック内信号伝搬回路(DR)の直前に配置されたラッチ回路に保持(手順S13)される。 In the third-stage clock cycle (T3), as the inter-block signal propagation, the SFQ pulse held in the latch circuit is propagated to the second half of the word line or the bit line, and immediately before the intra-block signal propagation circuit (DR). It is held in the arranged latch circuit (step S13).
次の第4段目のクロック周期(T4)では、ブロック内信号伝搬回路(DR)のドライバ回路が動作し、選択されたメモリセルに対してデータの書込みや読出しの信号伝搬(手順S14)及びそれに対するメモリセルの動作(手順S15)が行われる。読出し動作の場合には、この時同時に、ブロック内信号伝搬回路(DR)のセンス回路が、選択されたメモリセルから読み出されたデータを伝搬してセンス回路に接続されたラッチ回路にデータを保持(手順S16)する。 In the next fourth-stage clock cycle (T4), the driver circuit of the intra-block signal propagation circuit (DR) operates, and the signal propagation (step S14) of data writing and reading to the selected memory cell is performed. The operation of the memory cell for that (step S15) is performed. In the case of the read operation, at the same time, the sense circuit of the intra-block signal propagation circuit (DR) propagates the data read from the selected memory cell and sends the data to the latch circuit connected to the sense circuit. Hold (step S16).
次の第5段目のクロック周期(T5)では、ブロック間信号伝搬として、ラッチ回路に保持されたデータ信号が出力され、センス線の前半部分に伝搬され、センス線の途中に配置されたラッチ回路に保持(手順S17)される。 In the next fifth-stage clock cycle (T5), the data signal held in the latch circuit is output as the inter-block signal propagation, propagated to the first half of the sense line, and placed in the middle of the sense line. It is held in the circuit (procedure S17).
第6段目のクロック周期(T6)では、ブロック間信号伝搬として、センス線の途中に配置されたラッチ回路に保持されたデータ信号が出力され、センス線の後半部分を介して出力端に伝搬(手順S18)される。 In the sixth clock cycle (T6), as a signal propagation between blocks, the data signal held in the latch circuit arranged in the middle of the sense line is output and propagated to the output terminal via the latter half of the sense line (Procedure S18) is performed.
このように、本発明による超伝導RAMのワード線、ビット線及びセンス線の構成により、大規模な超伝導RAMを構成した場合においても、分割する最小単位のメモリセルアレイの大きさを一定にしておけば、例えばクロック周波数は10GHzという超高速を維持して大規模な超伝導RAMを構成できるという効果がある。この場合、分割したブロック数に応じて、ブロック間の信号伝搬に要する時間が長くなるため、ブロック間の信号伝搬に要するパイプライン段数を増やすことで、10GHzという超高速クロック動作を保証している。 Thus, even when a large-scale superconducting RAM is configured by the configuration of the word lines, bit lines, and sense lines of the superconducting RAM according to the present invention, the size of the memory cell array of the smallest unit to be divided is made constant. In this case, for example, there is an effect that a large-scale superconducting RAM can be configured while maintaining an extremely high clock frequency of 10 GHz. In this case, since the time required for signal propagation between blocks becomes longer depending on the number of divided blocks, an ultrahigh-speed clock operation of 10 GHz is guaranteed by increasing the number of pipeline stages required for signal propagation between blocks. .
メモリセルアレイにアクセスするワード線、ビット線等の駆動線又はセンス線が、複数のブロックに分割され、そのブロック内の信号伝搬にはそれぞれ負荷駆動能力の高いレベル論理のドライバ回路及びセンス回路を有するブロック内信号伝搬回路(DR)を用いた構成を有しており、更に、長距離のブロック間の信号伝搬には高速動作が可能な単一磁束量子(SFQ)素子で構成された超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)が使用されている。従って、上述したような超伝導性を有する要素による構成は、大規模な構成においても超高速及び低消費電力が必要且つ不可欠なメモリ全般に、適用させることができる。 A drive line or sense line such as a word line or a bit line for accessing the memory cell array is divided into a plurality of blocks, and each of the signal propagation in the block has a driver circuit and a sense circuit having a high level drive capability and a load logic. It has a configuration that uses an intra-block signal propagation circuit (DR), and further, a superconducting passive device composed of a single flux quantum (SFQ) device capable of high-speed operation for signal propagation between long-distance blocks. A transmission line (PTL) is used. Therefore, the configuration using the superconducting element as described above can be applied to any memory that requires and is essential for ultra-high speed and low power consumption even in a large-scale configuration.
1、5、11、21、31、35 スプリッタ(S)
2、12、22、32 超伝導パッシブトランスミッションライン(PTL)
3、6、16 ブロック内信号伝搬回路(DR)
4、14、24、34 ラッチ回路(DL)
7、17、18、27、37 コンフルエンスバッファ(C)
40、40A、40B 超伝導RAM
41 メモリセルアレイブロック
42 ドライバ回路
43 センス回路
44 ライン回路
45、45A、46、46A デコーダ回路
1, 5, 11, 21, 31, 35 Splitter (S)
2, 12, 22, 32 Superconducting passive transmission line (PTL)
3, 6, 16 Intra-block signal propagation circuit (DR)
4, 14, 24, 34 Latch circuit (DL)
7, 17, 18, 27, 37 Confluence buffer (C)
40, 40A, 40B Superconducting RAM
41 Memory
Claims (9)
In the method of configuring a random access memory, the memory cell array includes one of the word lines and bit lines according to one of claims 1 to 4 and one of claims 5 to 8. And a decoder circuit comprising a single magnetic flux quantum (SFQ) element.
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