フィードバックループを含む単一磁束量子回路の高周波設計に向けたカウンターフロー方式シフトレジスタのタイミング解析

摘要

マイクロプロセッサのような複雑な回路では出力したデータを再び書き戻すフィードバックループが存在する。単一磁束量子（SFQ）回路では、データとクロックの伝搬方向が等しいコンカレントフローを用いることで、原理上は動作周波数をセットアップ・ホールドタイムの和の逆数まで高めることができる。しかし、回路にフィードバックループが存在する場合、フィードバックループの部分ではデータはクロックと逆方向に伝搬し、クロッキングはカウンターフローとなる。カウンターフローでは、クロックとデータの遅延和とセットアップ・ホールドタイム分のタイミングマージンが少なくとも1 クロック周期より小さい必要があるため、図1(a)のように論理ゲート間に長距離のフィードバックによる大きな遅延T_(wb1) が存在すると、動作速度は大幅に低下してしまう。図1(b)のように、フィードバックループに論理ゲートを挿入することで、Twb2 を小さくし動作速度の低下を防ぐことができる。しかし、カウンターフローのパイプラインステージ数を増やすことは、回路面積や消費電力の増大につながる。動作周波数を高めるためには、遅延和T_d+T_c を適切なタイミングマージン内に抑える必要がある。また、パイプラインステージ数を減らすためには、論理ゲート間のクロック遅延T_c を大きくする必要がある。本研究では、フィードバックループを含む回路の高周波設計のために、カウンターフローを用いたシフトレジスタのクロック遅延T_cとタイミングマージンの関係を評価した。