JPH0360219A

JPH0360219A - 超伝導しきい値論理回路

Info

Publication number: JPH0360219A
Application number: JP1196115A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Harada; 豊原田
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1989-07-28
Filing date: 1989-07-28
Publication date: 1991-03-15
Also published as: US5111082A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の利用分野）本発明は超伝導回路、特に電圧遷移形の超伝導デバイス
を用いたしきい値論理回路の回路構成に係わる。

（発明の背景）従来の計算機はＡＮＤまたは○Ｒ回路を組み合わせた論
理回路システムで構成されている。これらの計算機は極
めて高速に動作し、人間の計算能力を遥かに上回る性能
を発揮し、社会に貢献していることは周知の事実である
。しかし、従来の計算機は、人間が日常行なっている認
識動作、判断動作には不適当であることも次第に明らか
になってきた。このため、認識、判断に好適な計算機を
構築する目的で９人間の脳細胞にューロン）を手本にし
たしきい値論理回路とそれを使った計算機システム技術
が例えば、せ利俊−「神経回路網の数理」産業図書、昭
和５３年、Ｌ、Ｄ、　Ｊａｃｋｌｅｌ。

Ｒ，Ｅ、Ｈｏｗａｒｄ、　ＨｏＰ、　Ｇｒａｆ、　Ｂ、
　Ｓｔｒａｕｇｈｎ、　ａｎｄＪ、　Ｄ、　Ｄｅｎｋｅ
ｒ、“Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｎｅｕｒａｌ　ｎｅｔｗ
ｏｒｋｓ　ｆｏｒｃｏｍｐｕｔｉｎｇ”、　　Ｊｏｕｒ
ｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　５ｏｃｉｅｔｙ　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ８４（１）、　　Ｊａｎ／Ｆｅｂ、　１
９８６．　Ｉ）］）、　６１−６３に開示されている。

以下に、しきい値論理回路の動作説明を行い、本発明の
位置付けを明らかにする。第２図はしきい値論理回路の
動作を示す図である。しきい値論理回路１は、複数個の
入力端子２、人力線１０１と少なくとも１個の出力線４
を持つ回路である。

しきい値論理回路１では、複数の入力端子２には“０”
または“１”のデジタル信号ｘ１が印加され、そのデジ
タル信号Ｘｉの重み加算和ΣＷｉＸｉがしきい値Ｔを超
えれば出力は“１”に、それ以外は“０”になる論理動
作を行なう。ここで、Ｗｉは重みを表わす。しきい値論
理回路の特徴は学習機能にある。即ち、学習により、重
みＷｉを変化させ、最終的に目的に適応した回路システ
ムを構築する。従って、しきい値論理回路を構成するに
は、人力信号の重み加算を行ない素子をスイッチさせる
機能だけでなく、重みＷｉを変化させる機能を持たなけ
ればならない。通常、この重みを端子３から人力する重
み制御信号で制御する。

従来技術では、この目的のために、計算機上にしきい値
回路モデルをソフトウェアで構成し、乗算や加算演算は
計算機の演算の一部としたソフトウェアによる方法か、
または専用の乗算器をハードウェアとして備えた複雑な
回路形式を採用していた。これら従来技術によるしきい
値論理回路では以下の欠点がある。即ち、ソフトウェア
に依る回路表現では演算速度が遅く、乗算器を用いた回
路では回路数が多く、回路システムの規模が大きくなる
。脳細胞の例を見れば明らかなように、しきい値論理回
路で計算機を構成する場合、回路数の多いほど機能を多
くでき、精度も高くなる。また、各回路の演算精度は必
ずしも高いものを必要としない。従って、しきい値論理
回路は簡単な構成のもので、高い集積度を上げられるも
のでなければならない。ま°た、高速で学習、認識、判
断を行なうためには、しきい値論理回路自体が高速のス
イッチング回路で構成されていなければならない。

ジョセフソン素子は低消費電力で高速動作を行うため、
計算機素子として優れている。従って、ジョセフソン素
子によるしきい値論理回路を採用すれば計算機性能は飛
躍的に向上する。従来、このジョセフソン素子を使った
しきい（ｌｔ論理回路技術は例えば、原画、波多野、山
下、川辺、「ジョセフソンしきい値論理回路と応用」電
子通信学会論文誌、ｖｏｌ、　Ｊ７ＬＣ，ｎｏ、６．　
Ｊ）Ｉ）、０１２−０１９及びＹ。

Ｈａｔａｎｏ、　Ｙ、）ｌａｒａｄａ、　Ｋ、Ｙａｍａ
ｓｈｉｔａ、　Ｙ、Ｔａｒｕｔａｎｉ。

ａｎｄ　Ｕ、　Ｋａｗａｂｅ　”Ａ　４−ｂｉｔ、ｘ４
−ｂｉｔ　Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ　ａｎｄ３−ｂｉｔ　
Ｃｏｕｎｔｅｒ　ｉｎ　Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ　Ｔｈｒｅ
ｓｈｏｌｃｌ　Ｌｏｇｉｃ　。

ＩεεεＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　５ｏｌｉｃｌ−３ｔａ
ｔｒ　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ、　ｖｏｌ。

Ｓ［ニー２２．　ｎｏ、　４．　Ａｕｇｕｓｔ　１９８
７に開示されている。

しかし、従来技術によるしきい値論理回路では第２図に
示す重みＷｌ　は固定であり、学習機能が付与されてい
ない。

（発明の目的）本発明の目的は、高速のジョセフソン素子を使ったスイ
ッチング回路で、重みを任意に変えられるしきい値論理
回路を提供し、しきい値論理回路を使った高速かつ多機
能の学習を行なう認識、判断機能に優れた計算機を実現
することにある。

（発明の概要）この目的の為に、本発明ではジョセフソン素子を用いた
スイッチング回路として高速性能に優れた電圧遷移形の
論理回路を用い、重みを変える手段として該ジョセフソ
ン素子に供給するバイアス電流の電流値を変える方法を
提案する。

（発明の実施例）以下に実施例を用いて本発明を説明する。第３図は本発
明の超伝導しきい値論理回路で使うジョセフソン素子の
バイアス電流供給法を示している。

第３図に示す例では、磁束結合型ジョセフソン素子１１
０に可変電流源１０２からバイアス電流Ｉｃｓを供給す
る。該磁束結合型ジョセフソン素子１１０には負荷抵抗
１０３が接続され、また同時に人力線１０１が付与され
ている。該磁束結合型ジョセフソン素子１１０は動作の
初期には超伝導状態にある。次に、該磁束結合型ジョセ
フソン素子１１０の入力線１０１には入力端子２から入
力電流■１が供給され、該入力電流Ｉｉの発生する磁束
が該磁束結合型ジョセフソン素子１１０を超伝導状態か
ら電圧状態にスイッチさせる。該磁束結合超伝導素子１
１０が電圧状態になると、該可変電流源１０２から供給
されたバイアス電流Ｉｃｓは負荷抵抗１０３に流れる。

以上に説明したジョセフソン素子のスイッチング動作は
既に開示された技術であり、例えば、Ｔ、　Ｒ，Ｇｈｅ
ｅｗａｌａ。

“Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ−Ｌｏｇｉｃ　　Ｄｅｖｉｃｅｓ
　　ａｎｄ　　Ｃ１ｒｃｕｉｔ”、　　　ｌｌ１ｉＥＥ
Ｔｒａｎｓ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ、　ｖ
ｏｌ、　ＥＤ−２７，ｎｏ、　１０゜ｐｐ、　　１８５
７−１８６９　　に詳しく記述されている。これらに開
示されている従来技術では、ジョセフソン素子に供給さ
れるバイアス電流ｒｃｓは固定された値であり、回路構
造や構成は変化しない。一方、本発明では、該バイアス
電流Ｉｃｓは可変であり、外部より制御される事に特長
がある。即ち、外部状況の変化により、回路のパラメー
タを変え、大局的にみれば回路構造、構成を変化させる
ことができる。このプロセス自体が先に説明した学習を
相当する。この目的の為に、第３図に示す回路では、該
バイアス電流Ｉｃｓを変化させる為に電流源として可変
電流源１０２を用い、該可変電流源１０２はバイアス制
御端子３、バイアス制御線５を介して制御される構造で
ある。この構造であれば、デジタル入力信号Ｘｉが“０
″”であれば負荷抵抗１０３に流れる出力電流Ｉｏｕｔ
は零であり、デジタル入力信号Ｘｉが“１″であればバ
イアス電流Ｉｃｓが負荷抵抗１０３に出力電流Ｉ　ｏｕ
ｔとして流れる。従って、負荷抵抗１０３に流れる出力
電流Ｉ　ｏｕｔは（１）式で表わされる。

１ｏｕｔ＝ｒｃｓＸｉ、　　　　Ｘｉ＝　　［１，０コ
　　　（１）ここで、バイアス電流Ｉｃｓを変化させる
ことがしきい値論理回路の重みＷｉを変える事に相当す
る事は（１）式より明らかである。従って、第３図の回
路では、回路自体が学習と言う新しい機能を持つことが
出来る。

第４図は該磁束結合型ジョセフソン素子１１０の具体的
な例を採用した回路例を示している。ここに示した例は
、２接合量子干渉回路と呼ばれるジョセフソン素子で、
先に示したＧｈｅｅｗａｌａの論文にも開示されている
。この２接合量子干渉回路は、２個のジョセフソン接合
１１１，１１２と２個のインダクタ１１３．１１４から
なる超伝導閉口Ｗ＠　１１５から構成されている。動作
初期では該ジョセフソン接合１１１．１１２は超伝導状
態にあり、該バイアス電流Ｉｃｓは該ジョセフソン接合
１１１．１１２を介して接地に流れ込む。一方、該イン
ダクタ１１３．１１４には入力線１０１が磁気結合して
おり、人力線に流れる入力電流Ｉｉの発生する磁束が該
超伝導閉回路１１５に鎖交する。従って、入力電流１ｉ
を印加すれば、該ジョセフソン接合接合１１１．１１２
は超伝導状態から電圧状態にスイッチする。この時には
、該バイアス電流１ｃｓは負荷抵抗１０３を介して接地
に流れ込む。厳密には、該バイアス電流Ｉｃｓは、該負
荷抵抗１０３と該ジョセフソン接合の電圧状態における
抵抗値に反比例して流れ込む。従来のジョセフソン素子
回路技術では、負荷抵抗１０３に大きな電流を出力し、
しかも出力電流値を均一にするために、該ジョセフソン
接合の臨界電流を均一にし、また電圧状態に於ける抵抗
値を大きくし、しかも均一にすることが必要であった。

これは素子製造技術的には相反する命題であり、高度な
プロセス制御技術が必要であった。一方、本発明による
しきい値論理回路では、学習効果により最適にバイアス
電流値を選択出来るため、素子製造技術は従来のジョセ
フソン回路技術に科せられたものほど高度のものを必要
としない。極言すれば、多数個あるジョセフソン素子の
うち、少数個が動作しなくても回路全体として目的とす
る機能を達することが可能である。

第１図は本発明による超伝導しきい値論理回路の第１の
実施例である。第１図の実施例では、第３図に示した回
路を複数個並べ、該複数個の回路の負荷抵抗１０３ａ、
１０３ｂ、１０３ｃに流れる全ての出力電流を制御線１
２５を介して接地に流す構成である。該制御線１２５は
他に設けた磁束総合型ジョセフソン素子１２０の制御線
である。

該磁束結合型ジョセフソン素子１２０には負荷抵抗１２
４が接続され、電流源１２１から供給されるバイアス電
流は、該磁束結合型ジョセフソン素子１２０が超伝導状
態にある時には該磁束結合型ジョセフソン素子１２０を
介して接地に流れ、電圧状態にある時には該負荷抵抗１
２４を介して接地に流れる。また、磁束結合型ジョセフ
ソン素子１２０には他の制御線１２６が付与されており
、該制御線１２６には電流源１２３から制御電流が供給
される。第１図の構成では、複数個の第３図に示す回路
の入力端子２ａ、２ｂ、２ｃに入力された入力信号Ｘｉ
　に重み付けした信号電流の和を該制御線１２５に流し
、該信号電流の和が該磁束結合型ジョセフソン素子１２
０の超伝導状態から電圧状態にスイッチさせる。また、
該磁束結合型ジョセフソン素子１２０が超伝導状態から
電圧状態にスイッチする制御電流は別途付与された該制
御線１２６に流す電流により変化させることができる。

この事により、第２図に示したしきい値Ｔを変えられる
。以上の説明より、第１図に示す実施例が第２図に示す
しきい値論理回路の動作を行うことは明らかである。以
上の説明で、磁束結合型ジョセフソン素子として２接合
量子干渉回路を例に上げて説明を行ったたが、他に３接
合以上の量子干渉回路を採用して本発明を実施できるこ
とは明らかである。

以上の説明では、ジョセフソン素子に磁束結合型ジョセ
フソン接合素子を採用した場合を述べたが、他に直結型
ジョセフソン素子を使っても本発明を実施出来る。直結
型ジョセフソン素子は入力端子を直接ジョセフソン素子
に流し込んで素子を超伝導状態から電圧状態にスイッチ
させるものである。この直結型ジョセフソン素子も先に
示したＧｈｅｅｗａｌａの論文に開示されている。第５
図は直結型ジョセフソン素子を採用した場合の、超伝導
しきい値論理回路で使うジョセフソン素子のバイアス電
流供給法を示している。第５図では直結型ジョセフソン
素子１５０を採用している。該直結型ジョセフソン素子
１５０には人力線１０５を介して入力電流が直接印加さ
れる。回路動作は入力端子がジョセフソン素子に直接注
入される以外は第３図に示す回路と同等である。

第６図は、該直結型ジョセフソン素子にＤＣＬ（Ｄｉｒ
ｅｃｔ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｌｏｇｉｃ）回路を用いた例
である。

ＤＣＬ回路は２個のジョセフソン接合１５１．１５２と
抵抗１５３．１５４を閉回路にした構成で、動作の初期
にはジョセフソン接合が超伝導状態にあるが、入力電流
を人力すると該ジョセフソン接合１５１．１５２が電圧
状態になり、バイアス電流Ｉｃｓを負荷抵抗１０３に切
り換える回路である。このＤＣＬ回路は先に挙げたＧｈ
ｅｅｗａｌａの論文に開示されている。また、ＤＣＬ回
路以外の直結型ジョセフソン素子を使っても本機能を実
現出来る事は明らかである。

第７図は、本発明による第２の実施例である。

この実施例は、ジョセフソン素子に直結型ジョセフソン
素子１５０を使った例で、第５図に示した回路を複数個
並べ、該複数個の回路の負荷抵抗１０３ａ、１０３ｂ、
１０３ｃに流れる全ての出力電流を人力線１６５を介し
て他の直結型ジョセフソン素子１６０に注入する構成で
ある。該直結型ジョセフソン素子１６０のしきい値を変
化させるために、電流源１２３の制御電流は直接該直結
型ジョセフソン素子に注入される。以上、第７図に示す
実施例が第１図に示す回路と同等の機能を発揮すること
は明らかである。

第８図は本発明によるバイアス電流の制御方法の第１の
例を示している。この実施例では、可変電流源１０２は
抵抗２００から構成されている。

バイアス電流端子３は可変電圧源２０１に接続されてい
る。この回路構成で、可変電圧源２０１の出力電圧を変
化することにより、該ジョセフソン素子１１０に供給す
るバイアス電流１ｃｓを変化学習により変化させる事が
出来る。また、該可変電圧源２０１の出力電圧の正また
は負極性の違いを使って、神経細胞にある興奮信号と、
抑制信号に使い分ける事が可能である。

第８図は該バイアス電流をアナログ的に制御する方法で
ある。第９図は該バイアス電流をデジタル方式で制御す
る方法の例を示している。第９図示す実施例では、該可
変電流源１０２を電流分流回路網３００と電源線３５１
から構成する。該電源線３５１には端子３５０を介して
電力が供給される。該電流分流回路網３００では該電源
線３５１と該ジョセフソン素子１１０の間を第１の抵抗
３３０と第２の抵抗３３１の直列接続で接続する。該第
１、第２の抵抗３３０．３３１の接続点には、抵抗３２
１とジョセフソン素子３１１の直列接続からなる電流ス
イッチ回路を複数個並列に接続する。該ジョセフソン素
子にはバイアス制御線端子３０１、バイアス制御線４０
１を介してデジタル信号であるバイアス制御信号が印加
される。この回路構成であれば、バイアス制御信号によ
り該ジョセフソン素子３１１を超伝導状態と電圧状態に
制御できる。従って、該並列接続された回路に流れる電
流の総和は、該バイアス制御信号の組合せで変化する。

一方、該ジョセフソン素子１１０に流れるバイアス電流
は該抵抗３３０に流れる電流と該並列回路に流れる電流
の差である。

従って、第９図に示す回路では、該バイアス制御端子３
０１に印加する出デジタル信号のバイアス制御信号によ
り該ジョセフソン素子のバイアス電流Ｉｃｓを制御出来
る。

第１０図は第９図に示した回路を使ったしきい値論理回
路の他の実施例である。この回路構成では、第９図の回
路を複数個並べ、該電流分流回路３００に供給する電圧
を二つのグループに分け、各々に正または負極性の電圧
を端子３５０　ａ。

３５０ｂから供給する。この構成であれば、第１図のし
きい値論理回路を構成でき、さらに、正または負極性の
異なる信号を神経回路にある興奮信号、抑制信号として
採用できる。

以上の説明では、磁束結合型ジョセフソン素子と直結型
ジョセフソン素子を別々に用いて実施例を説明したが、
本発明が磁束結合型ジョセフソン素子と直拮型ジョセフ
ソン素子を混在させて実施できることは明らかである。

（本発明の効果）以上説明したごとく、本発明を用いれば、高速のジョセ
フソンスイッチング回路で、学習機能を有する、しきい
値論理回路を構成できる。従って、本発明により、しき
い値論理回路を使った、認識判断を実行するのに好適な
高速計算機を実現できる。故に、本発明はこの高度の認
識判断を行なう高速計算機の実現に必要不可欠である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超伝導しきい値論理回路の第１の
実施例の回路図、第２図はしきい値論理回路の動作を示
す図、第３図は本発明で用いる磁束結合型ジョセフソン
素子のバイアス電流供給法の構成図、第４図は２接合量
子干渉素子を使ったバイアス電流供給法の構成図、第５
図は本発明で用いる直結型ジョセフソン素子のバイアス
電流供給法の構成図、第６図はＤＣＬ回路を使ったバイ
アス電流供給法の構成図、第７図は本発明による超伝導
しきい値論理回路の第２の実施例の回路図、第８図は可
変電流源の第１の構成例の回路図、第９図は可変電流源
の第２の実施例の回路図、第１０図は本発明による超伝
導しきい値論理回路の第３の実施例の回路図。・・・しきい値論理回路　　　　　　２・・・入力端子
・・・端子（バイアス制御端子）　　　４・・・出力線
・・・バイアス制御線　　　　　１０１・・・入力線０
２・・・可変電流源　　　　１０３・・・負荷抵抗１０
・・・磁束結合型ジョセフソン素子１１．１１２・・・
ジョセフソン接合１３．１１４・・・インダクタ１５・・・超伝導閉回路２０・・・磁束結合型ジョセフソン素子２１．１２３・
・・電流源２５．１２６・・・制御線　　１２４・・・負荷抵抗５
０・・・直結型ジョセフソン素子０５・・・入力線５Ｌ１５２・・・ジョセフソン素子５３．１５３・・・抵抗６０・・・直結型ジョセフソン素子６５・・・入力線　　　　２００・・・抵抗０１・・・
可変電圧源　　３００・・・電流分流回路網Ｏｌ・・・
バイアス制御端子１１・・・ジョセフソン素子３２１．３３０．３３１・・・抵抗３５０・・・端子３５１・・・電源線１・・・バイアス制御線第１図ｔＯ２０第２図第３図１１５第５図５０第７図第９図１１０

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも１個のジョセフソン接合を含み、入力
信号の印加によって前記ジョセフソン接合が超伝導状態
から電圧状態へ遷移し、この遷移によって前記ジョセフ
ソン接合に印加されるバイパス電流の全部または一部が
流れる負荷抵抗を有する構成のジョセフソン素子、及び可変のバイアス電流を供給する手段を有する電流切換回
路から構成される超伝導しきい値論理回路。
（２）各バイアス電流を独立に変化することのできる複
数個の第１の前記電流切換回路、及び前記第１の電流切換回路の負荷抵抗を流れる電流の和の
電流が入力される、第２のジョセフソン素子を含む第２
の前記電流切換回路から構成される請求項（１）記載の
超伝導しきい値論理回路。
（３）前記第２のジョセフソン素子のしきい値を変化さ
せる手段を有することを特徴とする請求項（２）記載の
超伝導しきい値。
（４）前記可変のバイアス電流を供給する手段が、抵抗
と可変電圧源との直列接続により構成されていることを
特徴とする請求項（１）記載の超伝導しきい値論理回路
。
（５）前記可変のバイアス電流を供給する手段が、定電
流源、この定電流源と前記ジョセフソン素子との間に接
続された電流分流回路により構成される請求項（１）記
載の超伝導しきい値論理回路。
（６）前記分流回路は、複数の第３のジョセフソン素子
と抵抗との直列接続を並列に接続した構成を有し、前記
第３のジョセフソン素子が超伝導状態から電圧状態にス
イッチすることを制御する手段を有することを特徴とす
る請求項（５）記載の超伝導しきい値論理回路。
（７）前記第１のジョセフソン素子のバイアス電流の方
向を正及び負の２極性を使い、興奮と制御信号に対応さ
せることを特徴とする請求項（２）記載の超伝導しきい
値論理回路。