単一磁束量子ゲートレベルパイプラインマイクロプロセッサに向けた要素回路設計

摘要

我々はCMOSマイクロプロセッサの性能を凌駕することを最終目的とし、高スループットな単一磁束量子（RSFQ）マイクロプロセッサの開発に着手した。これまでに実証されてきたRSFQマイクロプロセッサのデータ処理方式にはビットシリアル処理が用いられており、スループット性能は限定されたものとなっていた。データ処理方式にビットパラレル処理を用い、論理ゲートごとにパイプラインを構成する、ゲートレベルパイプライン構造を採用することで、ワード長によらず格段に優れたスループット性能が期待される。本研究では、要素回路のうち最も回路規模が大きく、タイミング設計が困難な、データパスの高周波動作の評価を行うことで、ビットパラレルRSFQマイクロプロセッサの実現可能性を示すことに取り組hだ。データパスを構成するアダーとレジスタファイルの高周波動作試験を行った結果、目標動作周波数である30GHzにおいて、バイアス電圧に対し25%の動作余裕度を確認した。また、データパスの詳細設計を行い、論理シミュレーションによる高周波動作の評価を行った結果、30GHzにおいて同程度の動作余裕度を確認することができた。ただし、低バイアス電圧領域における動作に課題が残る結果となり、より安定な動作を得るためにタイミング設計の見直しが必要であると考えられる。