JPH07115229A - 超電導論理回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的はＱＦＰ多数決論理回路のマー
ジンを大きくし歩留まりを高くして実用性の有る規模の
ＱＦＰ論理回路を提供することに有る。 【構成】 ＱＦＰ１００は３つの入力インダクタンス１
０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃと３つの出力インダクタン
ス１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃと接続されている。入
力インダクタンスの先端に前段のＱＦＰが接続され、出
力インダクタンスの先端に次段のＱＦＰが接続されてい
る。前段のＱＦＰも次段のＱＦＰも発火していない場
合、等価的にインダクタンスにみなせる。入出力インダ
クタンスはＱＦＰ１００の負荷インダクタンスを構成
し、この小さい等価インダクタンスを通してＱＦＰ１０
０と超電導ループを構成している。出力電流がＱＦＰ１
００の全出力電流の１／６になるために入出力インダク
タンス値はＱＦＰ１００の負荷インダクタンス値の６倍
に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温で動作する極低
温動作電子回路の中の、磁束量子パラメトロンを含む超
高速動作超電導論理回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】ジョセフソン効果を示す超電導素子（以
下、ジョセフソン素子と称す）を使ったデバイスである
磁束量子パラメトロン（以下、ＱＦＰと略す）、およ
び、ＱＦＰを用いて構成された論理回路は当技術分野で
は公知であり、ホソヤら；アイトリプルイー トランス
・アプライド・スパーコンダクチヴィチ１巻７７−８９
ページ１９９１年（Hosoya,et al., "Quantum Flux Par
ametron - A single quantum flux device for Josephs
on supercomputer," IEEE Trans. Applied Superconduc
tivity, vol. 1, pp.77-89, 1991）に調査報告され、開
示されている。

【０００３】ＱＦＰの構成と基本動作を簡単に説明す
る。図２はＱＦＰの概略図を示す。ジョセフソン素子１
１１ａと超電導励振インダクタンス１１２ａの直列回路
と、ジョセフソン素子１１１ｂと超電導励振インダクタ
ンス１１２ｂの直列回路が並列の接続され、超電導ルー
プ１１５を構成している。励振入力インダクタンス１１
４ａと励振入力インダクタンス１１４ｂはそれぞれ励振
インダクタンス１１２ａと励振インダクタンス１１２ｂ
と磁気結合している。超電導ループ１１５は励振インダ
クタンス１１２ａと励振インダクタンス１１２ｂの間で
入力線１１６と接続しており、ジョセフソン素子１１１
ａとジョセフソン素子１１１ｂの間で接地している。Ｑ
ＦＰがスイッチする（発火するとも呼ぶ）時の振動をダ
ンプするため、ジョセフソン素子１１１ａとジョセフソ
ン素子１１１ｂと並列にそれぞれにダンピング抵抗１１
３ａとダンピング抵抗１１３ｂが接続されている。

【０００４】ＱＦＰはそれと並列に接続された負荷イン
ダクタンスと超電導ループを構成している。励振入力イ
ンダクタンス１１４ａと励振入力インダクタンス１１４
ｂを介して超電導ループ１１５に励振磁束として奇数の
磁束量子を印加してＱＦＰを発火させた場合、超電導ル
ープ１１５に永久超電導電流が流れる。ループ電流の極
性はＱＦＰが発火する前に入力線１１６を通ってＱＦＰ
に挿入した入力電流の極性と同じである。理想のＱＦＰ
の場合、微小な入力電流に対して前記ループ電流が大き
いため、ＱＦＰは大きな増幅作用を持ち、論理回路を構
成できる。ＱＦＰを用いて構成できる最も簡単な論理ゲ
ートは多数決論理ゲートである。その論理演算の原理は
奇数個の同一信号レベルの入力電流を足して得られる出
力の極性が入力信号の多数極性に等しいことにある。Ｑ
ＦＰは足した出力を増幅させる役割である。ＱＦＰは入
力を挿入してから励振磁束を印加して発火させることに
よって初めて増幅作用が有るから、次の入力を増幅する
ために一旦励振磁束を取り除く必要が有る。このため
に、ＱＦＰの論理回路は交流電力が必要である。その上
に、ＱＦＰは２端子デバイスのため、信号の伝搬方向を
与えるには３相以上の多相交流電力が必要である。ま
た、ＱＦＰの負荷は前段と後段の回路から寄与されるこ
とが特徴である。前段の回路にも出力電流が流れること
は大きい増幅率が必要であることを意味し、例えば、３
入力の多数論理ゲートでは増幅率が４以上でなければな
らない。

【０００５】多数論理回路では否定の演算を極性反転変
成器で実施する。しかし、ミクロン寸法の回路では強結
合の変成器が作成しにくい。結合が弱い場合、ある信号
レベルの出力電流を出すには一方の端子からはその４倍
の電流を、もう一方の端子からはその２倍の電流を入力
しなければならない。結局、多数決と否定の演算を一段
で実行するためにはＱＦＰの増幅率が７以上でなければ
ならない。従来のＱＦＰ多数決論理回路では増幅率が８
で、信号レベルをＱＦＰの全出力電流の１／８に設定し
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、実際に製作されるＱＦＰは作製プロセスのバラツキ
によりすべてのデバイスが理想の特性を持たず、出力が
小さいものも有れば見かけ上の入力バイアスを持つもの
も有る。その上に、各々のゲートの特性を調べる方法も
無いため、後から調整することもできない。ゲート数が
多い回路ほど大きいバラツキを持つゲートの存在確率も
高くなるため、歩留まりも小さい、という問題があっ
た。言い替えれば、ゲート数が大きい回路を高い歩留ま
りで製作するにはバラツキに対してマージンが大きくな
ければならない。

【０００７】従来のＱＦＰ多数決論理回路ではホソヤ
ら；アイトリプルイー トランス・アプライド・スパー
コンダクチヴィチ３巻3022-3028ページ１９９３年（Hos
oya, et al., "Margin Analysis of Quantum Flux Para
metron Logic Gates," IEEE Trans. Applied Supercond
uctivity,vol. 3, pp.3022-3028, June 1993）に解析し
たように数百のＱＦＰしか持たない回路でも歩留まりが
３０％以下であることが予想できた。

【０００８】本発明は、ＱＦＰ多数決論理回路のマージ
ンを大きくし、歩留まりを高くして実用規模のＱＦＰ論
理回路を提供することに有る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、ＱＦＰの特性と負荷インダクタンスを変えず、配線
インダクタンスを減らすことによって信号レベルを高く
する方法を提案する。

【００１０】

【作用】ＱＦＰは特性と負荷インダクタンスが一定であ
れば出力磁束が一定である。この条件のもとでＱＦＰの
インダクタンスの大部分を占める配線インダクタンスを
減らせば配線を流れる出力電流が大きくなる。結局、Ｑ
ＦＰの特性は変わっておらず、バラツキの変化も入力の
バラツキに限り若干大きくなるのに対して、信号レベル
が大幅に高くなるため、マージンは大きくなって歩留ま
りは指数的に向上する。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例を示す。ＱＦＰ
１００は３つの入力インダクタンス１０１ａ，１０１
ｂ，１０１ｃと３つの出力インダクタンス１０２ａ，１
０２ｂ，１０２ｃと接続されている。一般の場合、入力
インダクタンスの先端に前段のＱＦＰが接続され、出力
インダクタンスの先端に次段のＱＦＰが接続されてい
る。ＱＦＰ１００が発火した状態では前段のＱＦＰも次
段のＱＦＰも発火しておらず、等価的にインダクタンス
にみなせる。この等価インダクタンスは入出力インダク
タンスに比べて十分小さいため、無視しても差し支えな
い。ここ以下では簡略のため、入出力インダクタンスだ
けでＱＦＰ１００の負荷インダクタンスを構成しＱＦＰ
１００と超電導ループを構成しているという説明モデル
を使用するが、正確に微小の等価インダクタンスも含ま
れている。

【００１２】論理回路内のＱＦＰはすべて同じ特性を持
ち、ＱＦＰ１００の入力インダクタンスはその前段ＱＦ
Ｐの出力インダクタンスと同じであるため、ＱＦＰ１０
０の入力インダクタンスと出力インダクタンスは同じイ
ンダクタンス値を持っている。ＱＦＰは２端子デバイス
であり、その出力は入力インダクタンスと出力インダク
タンスに流れるため、結局、負荷インダクタンスは入力
インダクタンスと出力インダクタンスの並行回路と等価
である。出力インダクタンス値は負荷インダクタンス値
の６倍である。従来のＱＦＰ論理回路では負荷インダク
タンスは同じであるが最大８本の入出力インダクタンス
を持つことができるため、出力インダクタンス値は負荷
インダクタンス値の８倍であるが、信号電流は全出力電
流の１／８しかない。本発明の請求項１は入出力インダ
クタンスを２５％減らすことにより、出力電流を３３％
増大することにある。

【００１３】信号レベルが高くなっただけで歩留まりが
大きくなるとは限らない。バラツキはどうなるかが問題
である。ＱＦＰの歩留まりを影響するバラツキの中でジ
ョセフソン素子の臨界電流のバラツキが最も重要であ
り、負荷インダクタンスが一定であれば入出力インダク
タンス値に関係しない。入出力インダクタンス値に関係
する入力電流のバラツキは歩留まりに若干の影響しかも
たらさない。全体的に、バラツキは若干増大するが、結
局、歩留まりは指数的に増大する。

【００１４】一方、信号レベルがいくらでも高くするこ
とはできない。３入力多数決ゲートは最低３つの入力と
１つの出力があるため、信号電流は全出力電流の１／４
しか増大できない。ラッチとして使用されるＱＦＰでは
入出力が１つずつの場合、信号電流がもっと大きくても
良いが前段と後段のＱＦＰと負荷を部分的に共通してい
るため、制限されることもある。

【００１５】図３は本発明の第２の実施例を示す。ＱＦ
Ｐ１００は３つの入力インダクタンス１０１ａ，１０１
ｂ，１０１ｃと１つの出力インダクタンス１０２ａとダ
ミーインダクタンス１０３と接続されている。入出力イ
ンダクタンスとダミーインダクタンスは負荷インダクタ
ンスを構成する。出力電流がＱＦＰの全出力電流の１／
６になるために、入出力インダクタンスは負荷インダク
タンスの６倍に、ダミーインダクタンスは負荷インダク
タンスの３倍に設定する。この実施例の回路では負荷イ
ンダクタンス一定の条件でダミーインダクタンスを増大
し、出力インダクタンスを減少すればもっと大きい出力
電流でも得られる。

【００１６】図４は本発明の第３の実施例を示す。ＱＦ
Ｐ１００は２つの入力インダクタンス１０１ａ，１０１
ｂ、直流入力線１０４，１つの出力インダクタンス１０
２ａとダミーインダクタンス１０３と接続されている。
これは多数決論理ゲートをＡＮＤまたはＯＲ演算ゲート
に使用するときの基本構造である。直流入力は抵抗を介
して挿入するため、超電導電流は流れない。入出力イン
ダクタンスとダミーインダクタンスだけで負荷インダク
タンスを構成し、出力電流がＱＦＰの全出力電流の１／
６になるために、入出力インダクタンスは負荷インダク
タンスの６倍に、ダミーインダクタンスは負荷インダク
タンスの２倍に設定する。

【００１７】図５は本発明の第４の実施例を示す。ＱＦ
Ｐ１００は１つの入力インダクタンス１０１ａ、１つの
出力インダクタンス１０２ａと、超電導極性反転変成器
１０６と接続されている。入出力インダクタンスと変成
器１０６で負荷インダクタンスを構成する。変成器１０
６の出力電流がＱＦＰ１００の全出力電流の１／６にな
るためにはＱＦＰ１００の全出力電流の４／６の大きさ
の入力電流を挿入しなければならない。このように大き
い入力電流が必要なのは結合の弱い変成器しかできない
場合であり、もっと強い結合の変成器ができればダミー
インダクタンスで負荷インダクタンス値が調節できる。
出力電流をＱＦＰの全出力電流の１／６にするために、
入出力インダクタンス値は負荷インダクタンス値の６倍
に、変成器１０６の入力インダクタンス値を負荷インダ
クタンス値の６／４倍に設定する。

【００１８】一つの論理回路に請求項１の第１の実施例
から第３の実施例の回路と第４の実施例の回路をどんな
組合せで使用しても、信号レベルはＱＦＰの全出力電流
の１／６以上とすれば本発明の目的は達成できる。

【００１９】図６は本発明の第５の実施例を示す。ＱＦ
Ｐ１００は３つの入力インダクタンス１０１ａ，１０１
ｂ，１０１ｃと２つの出力インダクタンス１０２ａ、１
０２ｂと接続されている。入出力インダクタンスは負荷
インダクタンスを構成し、出力電流がＱＦＰ１００の全
出力電流の１／５になるために、入出力インダクタンス
値は負荷インダクタンス値の５倍に設定する。尚、請求
項１の第２実施例と第３実施例の回路のように入出力イ
ンダクタンスをダミーインダクタンス、直流入力線に置
き換えても良い。ただし、出力電流がＱＦＰの全出力電
流の１／５になるようにインダクタンス値を設定する。
この条件では弱結合の変成器も使用でき、配線インダク
タンスも充分ある。ＱＦＰをラッチとして使用する場合
は負荷インダクタンスが一定の条件でダミーインダクタ
ンスを増大し、出力インダクタンスを減少してもっと大
きい出力電流を出すことも可能である。

【００２０】図７は本発明の第６の実施例を示す。ＱＦ
Ｐ１００は１つの入力インダクタンス１０１ａと、超電
導極性反転変成器１０６と接続されている。入力インダ
クタンス１０１ａと変成器１０６で負荷インダクタンス
を構成する。変成器１０６はその出力電流をＱＦＰ１０
０の全出力電流の１／５にするために、ＱＦＰ１００の
全出力電流の４／５大きさの入力電流を挿入しなければ
ならないものとする。出力電流がＱＦＰの全出力電流の
１／５になるために、入力インダクタンス１０１ａは負
荷インダクタンスの５倍に、変成器１０６の入力インダ
クタンスを負荷インダクタンスの５／４倍に設定する。

【００２１】一つの論理回路に第５の実施例の回路、入
出力インダクタンスをダミーインダクタンス又は直流入
力線に置き換えた回路と、第６の実施例の回路をどんな
組合せで使用してもこの発明の目的は達成できる。

【００２２】

【発明の効果】本発明を用いれば、ＱＦＰ多数決論理回
路の回路パラメータのバラツキをあまり悪化せずに信号
電流を大きくでき、マージンも拡大され、歩留まりも指
数的に向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超電導論理回路の第１の実施例の
概略図。

【図２】磁束量子パラメトロンの概略図。

【図３】本発明による超電導論理回路の第２の実施例の
概略図。

【図４】本発明による超電導論理回路の第３の実施例の
概略図。

【図５】本発明による超電導論理回路の第４の実施例の
概略図。

【図６】本発明による超電導論理回路の第５の実施例の
概略図。

【図７】本発明による超電導論理回路の第６の実施例の
概略図。

【符号の説明】

１００…………………磁束量子パラメトロン １０１，１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ………………超
電導入力インダクタンス １０２，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ………………超
電導出力インダクタンス １０３…………………超電導ダミーインダクタンス １０４…………………直流入力線 １０５…………………磁束量子パラメトロン多数決論理
ゲート １０６…………………超電導極性反転変成器 １１１ａ，１１１ｂ…ジョセフソン素子 １１２ａ，１１２ｂ…励振インダクタンス １１３ａ，１１３ｂ…ダンピング抵抗 １１４ａ，１１４ｂ…励振入力インダクタンス １１５…………………磁束量子パラメトロン内の超電導
ループ １１６…………………入力線

フロントページの続き (72)発明者 細谷 睦 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１つ以上の超電導入力インダクタンスと、
   １つ以上の超電導出力インダクタンスと、超電導ダミー
   インダクタンスが並列に接続された磁束量子パラメトロ
   ンを複数個有する超電導論理回路において、 励振磁束を任意の上記磁束量子パラメトロン１００に印
   加し、該磁束量子パラメトロン１００を発火した状態に
   させたとき、 該磁束量子パラメトロン１００に接続された入力インダ
   クタンスと、出力インダクタンスと、ダミーインダクタ
   ンスに流れる全出力電流に対して一つの出力インダクタ
   ンスに流れる電流が該全出力電流の１／６以上あること
   を特徴とする超電導論理回路。
2. 【請求項２】請求項１の超電導論理回路において、極性
   反転変成器が磁束量子パラメトロン１００に並列に接続
   され、 １本の出力電流が上記極性反転変成器を介して出力され
   る場合、該極性反転変成器の出力電流が前記磁束量子パ
   ラメトロン１００の全出力電流の１／６以上あることを
   特徴とする超電導論理回路。
3. 【請求項３】請求項１の超電導論理回路において、出力
   インダクタンスの先端に奇数本の入力を持つ磁束量子パ
   ラメトロンからなる多数決論理ゲートが接続された場
   合、上記出力インダクタンスを流れる電流が前記磁束量
   子パラメトロン１００の全出力電流の丁度１／５あり、
   これ以外の場合、その出力インダクタンスを流れる電流
   が前記磁束量子パラメトロン１００の全出力電流の１／
   ５以上あることを特徴とする超電導論理回路。
4. 【請求項４】請求項３の超電導論理回路において、極性
   反転変成器が磁束量子パラメトロン１００に並列に接続
   され、 １本の出力電流が極性反転変成器を介して磁束量子パラ
   メトロンからなる多数決論理ゲートに出力される場合、
   その極性反転変成器の出力電流が前記磁束量子パラメト
   ロン１００の全出力電流の丁度１／５あり、磁束量子パ
   ラメトロンからなる多数決論理ゲートに出力されない場
   合、その極性反転変成器の出力電流が前記磁束量子パラ
   メトロン１００の全出力電流の１／５以上あることを特
   徴とする超電導論理回路。