（电磁场与微波技术专业论文）超导rsfqrisc计算机系统研究.pdf

中文摘要 摘要 本论文设计了一个超导r s f q r i s c 处理器，并且进行了仿真。 本文首先介绍了超导r s f q 技术的原理，并且对本文用到的超导r s f q 单元 数字电路作了仿真，然后对r j s c 体系的计算机作了介绍，并且仿真了一个r i s c 体系的微处理器，以便和以后的r s f q r i s c 微处理器作对比。然后重点介绍了设 计的一种r s f q r i s c 处理器，并且进行了仿真。 由于超导r s f q 技术以及超导r s f q 数字电路的特点，超导r s f q r i s c 计算 机系统和平常的r i s c 计算机系统有很大的不同。 首先，平常的r 1 s c 计算机是同步的，由一个时钟提供一个同步的信号。但是 超导r s f q r 1 s c 计算机不同，因为速度太快，连线间的延迟太大，所以应该利刚 异步的系统。 然后，平常的r i s c 计算机系统是基于c m o s 技术的，其信号线上可以存储 电平的值。但是超导r s f q r i s c 不同，它以很短的电压脉冲表示逻辑，脉冲爿；能 在信号线上存储，所以一定要用寄存器存储脉冲数据。 本文设计的超导r s f q r i s c 处理器采用异步流水线技术，分三级流水线，取 指令，寄存器读写，数据处理三级，每一级流水线完成了本级的操作都将数据传 送到本级的级间寄存器，并且向前级发送请求信号。每一级都自主的处理，利用 握手信号通信。 超导r s f q r j s c 计算机系统是国家自然科学基金项目， 这是一种高速的计 算机系统，其频率可以达到几百吉赫兹，这给人们对计算机速度日益增长的需求 提供了一个解决途径。超导r s f q r j s c 计算机系统具有低功耗，速度高的特点， 对于大型的数据计算，军事领域都有重要的意义。 关键词：r s f q 异步流水线自同步r | s c 英文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c eas u p e r c o n d u c t i t yr s f q r i s cm i c r o p r o c e s s o ra n dg i v ei t s s i m u l a t i o nw a v e i nt h i s p a p e rw ei n t r o d u c et h ep r i n c i p l e o ft h er s f qt e c h n o l o g ya n dg i v et h e s i m u l a t i o nr e s u l to ft h es u p e r c o n d u c t i v i t yr s f qd i g i t a le l e m e n tt h e n p r e s e n tt h e r i s cc o m p u t e rs y s t e ma n ds i m u l a t ear i s cm i c r o p r o c e s s o rf o rt h ec o m p a r a t i o nw i t h t h er s f q r i s cm i c r o p r o c e s s o ri nt h el a t e r f i n a l l y ，ar s f q r i s cm i c r o p r o c e s s o ri s p u tf o r w a r da n d s i m u l a t e d b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er s f q t e c h n o l o g y a n dr s f qd i g i t a l c i r c u i t ，t h e r ea r em a n y d i f f e r e n c eb e t w e e nt h es u p e r c o n d u c t i v i t yr s f q r i s cc o m p u t e r s y s t e m a n dt h eu s u a lr i s c c o m p u t e rs y s t e m f i r s t ，t h eu s u a lr s ci ss y n c h r o n o u s ，s u p p l i e dac l o c ks i n g l eb yac l o c ke l e m e n t b u tt h er s f q r i s ci st h ed i f f e r e n c eo n et o of a s to f t h es p e e d ，t o ol o n go f t h ed e l a y ， a a s y n c h r o n o u ss y s t e m i s a d o p t e d t h e n ，t h e0 1 d i n a r yr i s cc o m p u t e rs y s t e mi s b a s e do nc m o s t e c h n o l o g y t h e v a l u eo ft h el e v e lc a ns t o r e di nt h es i n g l el i n e sb u t t h er s f q r i s cc a n td os o t h er s f ql o g i cu s e dav e r ys h o r t p u l s es t a n d sf o rt h el o g i c 1 a n dt h ep u l s ec a n t s t o r ei nt h es i n g l el i n e s ，s ot h er e g i s t e r sa r eu s e dw i d e l yi nt h er s f q r i s cc o m p u t e r s y s t e m t h er s f q r i s cm i c r o p r o c e s s o ri nt h i sp a p e ra d o p tt h ea s y n c h r o n o u sp i p e l i n e t h e r ea r e3s t a g e si nt h ep i p e l i n ei n c l u d i n gt h ef e t c ho ft h ei n s t r u c t i o n ，t h er wo f t h e r e g i s t e l 。s a n dt h ea l uo p e r a t i o n sa f t e rt h eo p e r a t i o ni sf i n i s h e d ，t h ep i p e l i n es t a g e t r a n s m i tt h ed a t at ot h e i n t e r r e g i s t e r a n ds e n dt h e r e qs i n g l e t o t h e p r e v i o u ss t a g e s e a c hs t a g ep r o c e s st h ed a t ai t s e l fa n de x c h a n g et h ei n f o r m a t i o nt h r o u g h t h eh a n d s h a k i n gs i n g l e r s f q r i s cc o m p u t e rs y s t e m ，an a t i o n a l n a t u r es c i e n c ef u n ds u b j e c t ，i sah i g h s p e e dc o m p u t e rs y s t e ma n d h a v eaf r e q u e n c yo fs e v e r a lg h z t h i sp r o v i d e sas o l u t i o n f o rt h ed e m a n do ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t e r l o wp o w e ra n dh i g hs p e e d ，t h e r s f q r 1 s cc o m p u t e rs y s t e m i s v e r yi m p o r t a n t f o rt h e l a r g e s c a l e d a t a c o m p u t i n g a n dt h em a r t i a lu s i n g k e yw o r d s ：r s f qa s y n c h r o n o u sp i p e l i n e s e l f - t i m i n g r i s c 独创性声明 y 5 8 3 5 8 3 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申淆学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名日期渺华r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为西 安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存 论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：垂逝 导师签名 日期p 鼍! ：f 日期：趔竺! ! ：f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超导电性简介 1 l 1 超导的发现 1 9 0 8 年，荷兰物理学家昂内斯首次将氦气液化，获得了42 k 的低温源，这就 为超导电性的发现提供了条件。1 9 11 年他在测试汞的电阻时发现汞的直流电阻在 42 k 时突然消失，然后经过多次测量都发现汞柱两端的电压降为零，如图】l 所示。 昂内斯确认这时候汞进入了一种以零电阻为特征的新状态，并且定名为“超导态”。 这就是超导的最先发现。 电 阻 井目 对 值 0 0 0 2 0 0 o o l 0 0 1 o o o o o 0 0 0 ， | i 6 绝对温度 图1 1 1 1 2 超导的基本特性 ( 1 ) 零电阻性 汞在绝对温度4 2 k 附近电阻会突然降到零，如图1 1 所示，这意味着在温度下 降到绝对温度4 2 k 时汞的电阻特性发生了一个突变，降为零。不单单是汞在温度 降低到一定的程度时有这个特性，此后人们又发现了很多的物质在温度降低时有 这个性质，这些物质中有金属，合金，氧化物等。我们把冷却到一定温度后能表 现超导态的物质叫做超导体，他们都有一个临界温度c ，例如汞的是4 2 k 。在当 前的实验手段越来越进步的条件下，我们没有检测到任何处于临界温度以下的超 导体的电阻，因此我们有理由相信超导体具有零电阻性。超导体有两个状态，当 温度在临界温度以上时，电阻不为零，称为正常态，当温度在临界温度以下时， 电阻为零，称为超导态。当温度逐渐降低时，超导体就会发生从正常态到超导态 的转变，这个转变不是马上的，而是跨了一个温度区间，例如图1 i 所示的汞由正 常态到超导态的转变就跨越了一个温度区间。一般情况下，纯净的单晶样品，其 转变温度区间很小；而多晶体或含有机械应变和杂质的样品，其转变温度区间较 大，由于转变温度区间的存在，通常把样品电阻下降到正常态电阻值半时所处 的温度定义为。 ( 2 ) 迈斯纳效应 在很长一段时间里，人们一直把超导体看成理想导体，即除电阻为零之外， 其它一切性质都和普通金属相同。迈斯纳等人对其磁学性质的研究发现超导体处 于超导态时还具有完全排磁通效应，称为迈斯纳效应，就是超导体一旦进入超导 态，超导体内的磁通量将全部被排出体外，体内的磁感应强度恒等于零。 如果说超导体为理想导体，理想导体的电导率盯= ( 2 0 ，由欧姆定律，= ( r e 得 出理想导体内部的电场强度一定处处为零。而超导体作为电磁系统，应该遵守麦 a d 克斯韦方程v e = 一竺，所以，在超导体内部的b 也一定为常数。 扰 迈斯纳在实验中发现，不论是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要 进入超导态，超导体内的磁通都为零，与初始条件无关，也与过程无关。即超导 体内部曰不仅恒定不变，而且还恒定为零，这是迈斯纳效应的实验结论。理想导电 性只能说明超导体内磁通冻结不变，迈斯纳效应则表明不变的磁通只能等于零， 具有完全抗磁性。所以，电性质r = 0 ( 或且= o ) 、磁性质屉= o 是超导体两个最基本 的特性。 ( 3 ) 有临界的磁场和临界电流t 超导体有临界的磁场和电流，当逐渐增大磁场到某一特定值后，超导体会从 超导态转变成为正常态，我们把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，记 为凰。临界磁场是温度的函数，风( 砷随温度研高而下降，可用经验公式表示： 厂7 1 2 、 。( r ) = h 。( o ) ll il ( 1 1 ) l 1c 其中肮( o ) 是弘0k 时的超导体的临界磁场。 同样，超导体无阻载流的能力也是有限的。当通过超导体中的电流达到某一 特定值时，超导体会发生超导态到正常态的转变。电流的这一特定值称为临界电 流，c ，临界电流密度用 表示。 i i 3 超导电性基本原理 ( 1 ) 伦敦方程 在超导电现象发现之后，人们就试图对超导体的电磁性质做出解释，要求这 个理论应能同时解释超导体的零电阻和迈斯纳效应这两个基本特性。1 9 3 4 1 9 3 5 年，伦敦兄弟在二流体模型基础上，建立了伦敦方程，这个方程不仅对零电阻和 迈斯纳效应做出了合理统一的解释，并且成功地预言了磁场穿透现象。方程如下： 质量为肌，电荷为8 的超导电子，由于不受阻力，在电场五作用下将不断加速， 第一章绪论 运动方程为 超导电流密度 其中n 。为超导电子数密度， 因为 肌丝：一檀 西 j 。2 一n ，e u , 盟：吼。盟 a6 西 ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 所以娶：生e ( 1 - 5 ) 此为伦敦第一方程，说明超导电流的时间变化率由电场决定。由于它是从无 阻尼的运动方程推出，所以它概括了零电阻效应：在直流情况下，馥l o t = 0 ，从 ( 1 - 5 ) 式得超导体c 9 e = o 。根据二流体模型，总电流密度应由五和 两部分组成， 上= e r e = 0 ，所以超导体内只有无损耗的超导电流，将呈现无阻性质。但在交流 情况下， 饥o t 0 ，e 0 ，所以上0 将发生交流损耗。 将( 1 5 ) 代入麦克斯韦方程： ve：一ob(1-6) a 得 刍 毒v 甜b ) - 0 m ， 嘶 乳【毒五卜嫦矢量 ( 1 - 8 ) 选取常矢量为零，即从符合伦敦第一方程和麦克斯韦方程的无穷多个解中， 挑出 v l 寿z j 一曰 o - 9 ， 这一特定方程来描述超导态，称为伦敦第二方程。它说明了超导电流与磁场 的关系，具有迈斯纳效应。伦敦理论正确性的另一贡献是，它揭示了穿透深度丑随 温度确变化关系。 ( 2 ) b c s 理论 前面的超导宏观唯象理论在解释超导的基本宏观现象上取得了很大的成功， 但是没有从根本上触及超导的物理本质。1 9 5 7 年由约翰巴丁、里昂库柏和罗 伯特施里弗合作发展了超导电性理论，他们克服了数学和物理学上的巨大困难， 建立了一套完整的超导微观理论b c s 理论。该理论模型基于量子力学理论，其 主要观点是：在超导体内部，由于电子和点阵之间的相互作用，在电子与电子之 间产生了吸引力，这种吸引力使传导电子两两结成电子对，组成每个电子对的两 个电子动量相等自旋方向相反，这种电子对称为库柏电子对或超导电子。库柏电 子对的能量低于两个正常电子的能量之和，因而超导态的能量低于正常态。在绝 对零度时，全部电子都结成库柏电子对，都是超导电子，随着温度的升高，晶格 振动能量不断增大，库柏电子对就不断地被拆散并转变为正常电子，在温度达到 临界温度以上时，库柏电子就全部被拆散，所有电子成为正常电子。 1 1 4 超导的基本材料简介 目前发现的超导元素有2 8 种，合金9 0 0 多种，超导体总数已经超过5 0 0 0 种。 在目前真正得到实际应用的主要是超导合金及化合物，也包括几种纯金属( 铌 ，6 ， 钒v ，锝死) 。1 9 8 7 年2 月休斯顿大学的朱经武小组以及中科院物理研究所都独立 发现了一种新的超导体y b a c u o ，其c 在9 0 k 以上【2 】。高于液氮的液化温度，这 就为超导的实际应用提供了条件。现在知道的超导体的临界温度最高已经超过了 1 5 0 k ，这种超导体称为高温超导体( 超过液氮临界温度7 7 k ) 。 1 2 超导电路研究的背景 1 2 1 半导体c m o s 电路现状 伴随着集成度和速度的提高，基于晶体管、集成电路的数字技术得到了迅猛 的发展。但是有一个不可避免的问题是：时钟频率从目前的几百m h z 增加到几个 g h z 以后，单元门之间的延迟变得很大，集成电路的设计也越来越复杂，同步电 路之间的同步变得越来越困难。另外在高集成度的i c 里存在着较大的功率损耗， 在越来越高的工作频率下功耗会变得越来越大，因此散热就成了一个很大的问题， 从晟初的芯片自然散热到加风扇散热，到了现在已经出现了必须用水散热的器件， 所以散热问题会越来越严重。半导体c m o s 电路在传输信号时也有较大的色散， 随着频率的升高也会越来越突出。这些都限制了半导体c m o s 电路在未来的进一 步发展。 1 2 2 超导解决方案 自从超导现象发现之日起，人们就考虑到了其在工程之中的可能的应用。超 导作为一种新技术，有功耗小，速度快等特点，已经有很多的实际应用。 高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用( 强电应用) 、 电子学应用( 弱电应用) 和抗磁性应用。 电子学应用包括超导计算机、超导天线、 悬浮列车和热核聚变反应堆等。 大电流应用即超导发电、输电和储能： 超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁 超导计算机的应用。高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排 列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面 第一章绪论 临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻 和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提 高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来 制作晶体管。 超导体在产生强磁场方面有着无与伦比的优势。由于超导材料在超导状态下 具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得l o 万高斯以 上的稳态强磁场。而用常规导体作磁体产生这么大的磁场，需要消耗3 5 兆瓦的电 能以及大量的水冷却，投资巨大。 超导材料应用于发电，输电和储能方面。利用超导线圈磁体可以将发电机的 磁场强度提高n s 万6 万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超 导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5 1 0 倍，达l 万兆瓦， 而体积却减少t 2 ，整机重量减轻1 3 ，发电效率提高5 0 。超导材料还可以用于 制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目 前的铜或铝导线输电，约有1 5 的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电 力损失即达1 0 0 0 多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发 电厂。 超导磁悬浮列车应用。利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁 体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力， 使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。 核聚变反应堆“磁封闭体”的应用。核聚变反应时，内部温度高达l 亿2 亿 ，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁 封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从 而使受控核聚变能源成为2 1 世纪前景广阔的新能源。 1 3 本文内容及结构 本文对超导r s f q r 1 s c 计算机系统作了研究，采取了各个部件之间各自为政 的策略，利用异步系统，设计了超导r s f q r i s c 的数据通路和相应的控制电路。 并且进行了仿真，得到了正确的结果。 本文的构成及取得的成果如下： 第二章主要介绍了超导r s f q 技术基础，以及r s f q 数字电路原理，给出 了本论文所需要的r s f q 单元电路的原理图和部分参数以及仿真波形。 第三章主要介绍了r i s c 体系计算机原理，介绍了其可能采用的先进的技 术。然后介绍了一个具体的p d s c 处理器，并且分部件进行了仿真，最后把整个处 理器模型进行了仿真。 第四章主要介绍了超导r s f q r i s c 计算机体系设计，设计了数据通路，控 !塑量堕! s ! 堕! 曼生蔓垫墨堑塑塞 制电路，细化到了具体的门电路。最后进行了仿真，得到了正确的结果。 第五章对本文所作的工作作了总结，介绍了h t m t 系统，然后提出了以后 可能作的工作。 第二章超导r s f q 技术 第二章超导r s f q 技术 2 1 超导r s f q 技术原理 2 1 1j o s e p h s o n 结的原理 1 9 6 2 年，约瑟夫森预言，如果两块超导体中问有一片薄的绝缘层，会出现电 压为零的超导隧道电流，这个隧道电流与两块超导体中电子对波函数的位相差曰 有关，其关系式为： i ，= s i n o ( 2 1 ) 其中，是超导隧道结能承受的最大超导电流，也就是约瑟夫森结的临界电流。 他进步预言，如果界的两边出现电压差v ，则相位差会随时间变化，其关系式 为： d o i d t = 2 e v i h( 2 2 ) 式中，危= h 2 z r ，h 是普朗克常量。 这时候的超导电流将是振幅为t ，频率为厂= 2 e v h 的交变电流。这两个预言， 后来被称直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫森效应，已经为大量的实验所证实。 这个理论具有普遍性，适用于任何一种两个强超导体之间存在“弱连接”的 情形。图2 1 ( a ) 为s i s 约瑟夫森结，它是在一层超导薄膜生成一种氧化物绝缘 层，然后再叠上一层超导膜而组成，氧化物绝缘层的厚度一般是1 0 a - - 3 0 a ，这 种结的室温隧道电阻典型值为l o 一l o l 2 q 如果绝缘层被金属层所替代，这种结 的室温隧道电阻典型值为1 0 一l o 。q ，这种就是s n s 类型的层连接结构。图2 - 1 ( b ) 中是一超导微桥，微桥是指在一宽超导线上一很窄的区域，通常称这种结构为超 导桥或d a y e m 桥。在图2 - l ( c ) 中是一点接触结，它是由一根很细的超导棒压到一 个超导体上，形成点接触而形成的弱连接，其弱连接的正常电阻无意义，点接触 是外加调节压力到所需的零压电流。在图2 - 1 ( d ) 中是一台阶结，这类台阶结通常都 是高温超导( h t s ) 约瑟夫森结。 4 勃 ( a ) 曲够 l d ) 图2 - 1 约瑟夫森结类型图 宇 超导r s f q r i s c 计算机系统研究 2 1 2 约瑟夫森结模型 ( 1 ) 约瑟夫森结的临界电流确定 若约瑟夫森结的两边是同一种超导体，那么临界电流与温度的关系为： ，c ( t ) = ( x a ( t ) 1 2 e r 。) t a n h a ( t ) 2 k 日t 】 ( 2 3 ) 其中，r 。是结的正常态电阻，a ( r ) 是超导体的能隙。当t ，约瑟夫森结 的临界电流约是外加电压正好为2 时的正常态隧道电流的石4 倍。当t ：o k 时， ，。( 0 ) = 砸( o ) 2 e r 。 ( 2 ) 约瑟夫森结的电路模型 当流过约瑟夫森结的电流，超过临界电流l ，结两端出现电压v ，在电流偏执 下，结的行为可以用尼模型描述，如图2 2 所示。 1 1 i c s i n 图2 - 2 约瑟夫森结的r s j 模型 图中表明，有正弦位相差关系的约瑟夫森结，与电阻r 和电容c 并联。其中c 是结中两个电极之间的电容，只是电压出现时的损耗，总电流，是三部分电流之和 时，即 i = l s i n 0 + v r + c d v d t( 2 4 ) 用式2 2 消去矿，得到相位差0 的二阶微分方程，即 d 2 0 d r 2 + q d o d r + s i n 0 = ，l ( 2 5 ) 上式中引入无量纲时间变量r = t ，其中 脚。= ( 2 e l c h c ) “2 ( 2 - 6 ) 是结的等离子体频率，q 是品质因子，即 q = 啡r c = 成“2 ( 2 7 ) 其中，是麦克坎伯( m c c u m b e r ) 引入的阻尼参数，或称回滞参数。对于小电 容的情况，伊 1 时，结是欠阻尼的情形，这时，一矿曲线要从 解式( 2 5 ) 得到，此式无解析解，要用数值计算求解。定性结果见图2 - 4 。这 时的，一y 特性出现回滞，增加到l c 以前，v = 0 ，在i = i ，时，突然出现电 压屹= 2 a l e 。如果，从，。下降，电压不降回零，而是到i = ，。= 4 1 。n q 时， 才跳回零电压状态。 2 1 3 快单磁通量子r s f q 逻辑电路原理 r s f q 电路由直流偏置( i 。 l 3 ，所以在初始状态0 时， 直流偏置，。的电流大部分都通过结 流进接地端，在这个结的两端产生了亚临界 的结相位降落出“玎3 ，而 的相位降落很小。一个从数据端d 来的s f q 会使结 j ，翻转，从而把一个外部的通量中；巾。插入到这个量子化的环中。然而因为 环的电感非常大( l 2 t ，* 中。) ，就会出现一个逆时针的电流 a z 巾。( l ，十l ：+ l ，+ l 。) z m 。圯2 ，此电流不足以将通过j 。的电流提升到超过 其临界电流，的值。因此此时电路转变成其另一个状态“l ”。在这个状态保持电 流在量子环中是逆时针流动；在，中这个保持电流和其直流偏置电流的方向相 反，使这个结几乎没有偏置( 以c c 万2 ) 。相反，在j ，中，保持电流和其直流偏 置方向是相同的，是相加关系，在这个结的两边产生一个亚临界的相位降落 d ，；丌3 ，因此当一个s r q 脉冲到达时钟输入端c 端时( 通过一个缓冲步骤 舻 tjlf_广llj，、l十!亡肥鲥 一 u_tl 旦肌” 婴 儿t牛吐l十个一八、l十i强川，峨j 即0寸=3胛 即婷监 第二章超导r s f q 技术 。一以一l 。) ，他会使，的状态转变，但是不会使，转换状态。作为这个状态转 换的结果，会有一个通过结j 形成的s f q 输出脉冲，通过缓冲器e ，一，。一l 。传输 到末端q 输出端。与此同时，这个d f f 回到其初始状态0 。如果在d 端没有 个输入s f q 脉冲之前，那当一个s f q 脉冲到达c 输入端时不会在输出端q 产生 个s f q 脉冲，而此时d f f 的状态也不会改变。 ( 2 ) 分支器： 图2 - 2 ( a ) 分支器 分支器的原理图如图 ，= 2 5 0 u a ，l = i 。2 = 1 6 3 u a v c o v c 电压 0 v c 0 吐一 久：1 皮 0时问( 。)6 0 图2 - 2c o ) 分支器仿真图形 2 - 3 所示，其中的参数如下： ， i o = 4 0 0 u a ， l l = 1 9 8 p h ，l 2 = 1 6 8 p h ；l 3 = o8 4 p h ；l 4 = l 5 = 0 7 9 p h 【3 1 。在一个s f q 脉冲进入 刚端后，结 的翻转会导致两个枝节厶一0 和厶一，：的电流上升，这个电流与 本来的直流偏置相加，就会使流过约瑟夫森结j 和 的电流超过其临界电流。因 此会使两个结翻转，在相应的两个输出端q l 和q 2 会产生两个s f q 脉冲。如其仿真 波形图2 - 4 所示。然后各个结都回到其初始状态。 ( 3 ) 合路器： v c o v c 电压 0 v c o 么二 p 咒 疋_ ： v ”一v ”1 0时目( p s 1 6 0 图2 - 3 ( a ) 合路器 图2 - 3 ( b ) 合路器仿真图形 合路器的原理图如图2 - 5 所示，其中的参数如下：，。= ，。，= ，。= 1 4 4 u a ， ，d 一。2 ：1 5 0 u a ， ，1 = 3 1 3 u a ，l 。= l i = l 3 = 1 9 7 p h ；l 2 = 0 5 3 p h ，还有 超导r s f q r i s c 计算机系统研究 l = 44 7 ， 3 】。其仿真图形如图2 - 6 所示。当个s f q 脉冲到达时( 例如a 端) 会使结，。翻转，将个外部的磁通量巾。加到一个非量子化的4 结环 ，。一j 一j ，一，。在结j o 和j 中结果电流，与他们本来的直流偏置电流相加( 在 结j ，中，与其本来的直流偏置电流方向相反) 超过，的临界电流( 虽然，。z ， 但是，。的电流被连接到b 端的输入电路分流) ，使结一翻转，将一个外部的通量 加到包括j 。，：，上，的环路和两个对称连接的结，。一j ，和j ：一，上，因此使流过 ，。的电流增加，这个电流增加促使结j 。翻转，会在输出端q 端产生一个s f q 输 出脉冲。如果在b 端有一个输入脉冲也会有一个同样的结果。 ( 4 ) d x 单元和m x 单元： a j f1 图2 4 a ( a ) m x 原理图 sr b 图 ab 图2 4 b ( a ) d x 原理图图2 - 4 b ( b ) d x 缩略图 d x 和m x 的原理图如图2 8 和2 7 所示【4 】。对于m x 来说，实现的功能是将输 入端口a 和b 端口的数据有选择的传到输出端口f 。当s 端有输入脉冲的时候，f 端输出的是输入端a 端的数据；当r 端有输入脉冲的时候，f 端输出的是输入端 b 端的数据。当数据输出后，电路恢复到其初始状态，等到下一次的数据输入。对 于d x 来说，实现的功能是将输入端a 的数据有选择的输出到f 1 和f 2 端。当s 端有输入脉冲的时候，f 1 端输出a 端的数据；当r 端有输入脉冲的时候，f 2 端 输出a 端的数据。当数据输出后，电路恢复到其初始状态，等待下一次数据的输 入。这两个器件在超导计算机系统中的应用很多，尤其是选择数据传输的路径的 蔗“iu一v,i,3l1 ，怂。d 土艘 ：琵。螺王如，必2 ， j 5 鲞 1 ! 耋 q 呈艏x 黑圭擞社! 茹一8 曲 图2 - 5 ( a ) a n d 原理图 a n d 的输入端a ，b 连接到两个相同的d 触发器，时钟脉冲t 经过缓冲器 。一，一。并且同时加到两个d 触发器的输出端。如果在这之前a 端和b 端都有 脉冲到达，那么，。和同时的翻转，提供了做够大的电流使结以翻转形成了输出 脉冲经过缓冲器厶一岛一，。一厶。到达输出端q 端。如果在时钟t 端到达之前a 端 和b 端只有一个或没有脉冲进入，那么通过结以的电流不会足够大使此结翻转， 在输出端也不会有s f q 脉冲。在时钟信号t 到达后此电路回复到其初始状态，等 待下一次的数据，其仿真图形如图2 。5 ( b ) 所示。 v c o v c 电压 ( v ) o v c o 人久一九 觌几 儿 v 7 0时间( p s )6 0 图2 - 5 ( b ) a n d 仿真图形 ( 6 ) o r 单元： v c 0 v c 电压 ( y ) o v c 0 姒 一缴人 l 止厶 0 时间( p s )6 0 图2 - 6 ( b ) o r 仿真图形 超导r s f q , q l i s c 计算机系统研究 三妊i ”薄”孓； 图2 7 ( a ) a d d 原理图 图2 7 ( b ) a d d 仿真图形 a d d 的原理图及仿真图形【4 】如图2 7 所示，从仿真图形中可以看出当加法器 第二章超导r s f q 技术 输入端a 和b 有输入脉冲时，当时钟输入端t 的脉冲输出后，和输出端s 端没有 s f q 脉冲输出，只有进位输出端c 有s f q 脉冲输出；当输入端a ，b 和进位输入端 c 部有脉冲输入时，当时钟输入端t 的脉冲输入后，在和输出端s 端有s f q 脉冲 输出，在进位输出端c 也有s f q 脉冲输出。仿真的图形证明了加法器功能的正确 性。这个模块可以串联起来或者是并联起来应用，组成更复杂的模块。 ( 8 ) i n c 单元： i n c 的原理图及仿真图形【4 】如图2 8 所示，这个原理图里有一个电阻。当时 钟输入端t 有脉冲输入后，如果在数据输入端a 有数据输入在先，那么在数据输 出端f 没有s f q 脉冲输出；如果在时钟输入端t 有脉冲输入之前，在数据输入a 端没有s f q 脉冲输入，那么当时钟输入端t 有脉冲输入后，在输出f 端就会有一 个s f q 脉冲输出。 a l 1 川 晤l 2 阿l 5 = ： 卜j j h l * 一。 图2 - 8 ( a ) i n c 原理图 v c 电压 0 v c 0 一天。 一 v v 一 “ a z 一一。泔 0时间( p s )6 0 图2 - 8 ( b ) 1 n c 仿真图形 以上是本论文中将会用到的r s f q 基本的单元门电路及其仿真图形。利用这 些基本的门电路就可以设计出超导r s f q r i s c 所需要的电路。 r i s c 计算机体系 第三章r i s c 计算机体系 3 1 r i s c 计算机体系简介 3 1 1 c i s c 体系简介 c p u ( c e n t r a lp r o c e s s o ru n i t ，中央处理器) 是计算机的核心，个人电脑的中 央处理器从i n t e l 的4 0 0 4 发展到现在的p e n t i u m i i i ，除了性能上的飞跃、架构的改 变，c p u 的核心体系也发生了根本的改变。到目前，计算机分成两种体系：r i s c ( 精简指令集体系计算机) 和c i s c ( 复杂指令集体系计算机) 两大体系。 我们经常用的p c 机大部分都是c i s c 体系。c i s c 体系的主要特征是使用微代 码。指令集可以直接在微代码内存( 比主内存的速度快很多) 里执行，通过存于 只读存储器中的微程序来实现其极强的功能，微处理器在分析每一条指令之后执 行一系列初级指令运算来完成所需的功能。其指令集十分复杂庞大，指令长度各 异。一般的c i s c 计算机所含的指令数目至少3 0 0 条以上，有的甚至超过5 0 0 条 6 。 c i s c 体系的计算机可以减少编程所需要的代码行数，减轻程序员的负担，它甚至 具有与高级语言对应的指令集。当计算机一代一代的升级的时候，系统设计师只 需要在微代码内存中加入相应的微代码即可，升级比较简单。 c i s c 体系的明显优点就是能够有效缩短新指令的微代码设计时间，允许设计 师实现c i s c 体系的机器向下兼容，使得新设计的处理器能够很快地被用户接受， 并且为软件的编制节省了很大的劳动量。但是，它的缺点也很明显：首先，指令 集以及芯片的设计比上一代产品更复杂；其次，不同的指令长度相差很大，需要 不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令将影响整台机器的执行效率。 目前c i s c 体系的计算机主要有i n t e l 的8 0 x 8 6 和m o t o r o l a 的6 8 0 x 0 等等。 3 1 2r i s c 体系简介 r j s c 体系是在2 0 世纪8 0 年代开始起步的。1 9 7 5 年i b m 公司设在纽约的研 究中心开始组织力量研究指令系统的合理性问题，因为当时已经感到日趋复杂的 指令系统不但不容易实现，而且还可能降低系统性能。1 9 7 9 年以帕特逊教授为首 的一批科学家也开始在美国的加州大学伯克利分校开展这一研究。结果表明，c i s c 存在许多缺点。首先，在这种计算机中，各种指令的使用率相差悬殊：一个典型 程序的运算过程所使用的8 0 指令，只占一个处理器指令系统的2 0 。事实上， 最频繁使用的指令是取，存和加这些最简单的指令。这样一来，长期致力于复杂 指令系统的设计，实际上是在设计一种难得在实践中用得上的指令系统的处理器。 同时，复杂指令系统必然带来结构的复杂性，这不但增加了设计的时间与成本还 容易造成设计失误。此外，在c i s c 中，许多复杂指令需要很复杂的操作，这类指 令多数是某种高级语言的直接翻版，因此通用性差。由于采用二级的微码执行方 式，也会降低那些最频繁调用的简单指令系统的运行速度。因此，针对c 1 s c 的这 超导r s f q r i s c 计算机体系研究 些弊病，帕特逊等人提出了精简指令的设想，即指令系统应当只包含那些使用频 率很高的少量指令，并且提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言。按照 这个原则发展而成的计算机被称为精简指令集计算机结构。简称r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r - 一r a s c ) 。 3 1 3r i s c 体系计算机的特点 r i s c 的设计原则是使系统设计达到最高的有效速度，将那些对系统性能产生 净增益的功能用硬件实现，其余大部分都用软件实现，它排除了那些实现复杂功 能的复杂指令。所谓“精简”并不是简单的数目的减少，而是保留经验证的能提 高机器性能的指令，另外还将编译器作为机器的性能对待，而且r i s c 微处理器使 编译器能够直接访问基本的硬件。r i s c 设计的基本目的在于使计算机结构更加简 单，更加合理，更加有效。指令经过精简后，计算机体系结构自然趋于简单。r i s c 的固有特点如下： ( 1 ) 短周期时间 为了指令的快速执行，就必须快速选择译码和减少寄存器存取时间，尽量采用 先进的工艺技术以缩短机器周期时间，也即提高机器的工作效率。 ( 2 ) 单周期执行指令 由于r i s c 微处理器的指令经过精选，所有指令长度都相同，大多数指令都能 在一个机器周期内执行完。实际上，大多数r i s c 微处理器在没有增加并行技术时， 平均每条执行时间为1 2 5 屯个机器周期时间。而c i s c 微处理器在相同工艺条件 下平均执行每条指令需要p 8 个机器周期时间。r i s c 微处理器力求达到每一个机 器周期时间执行一条指令，这是r i s c 微处理器性能增强的基础，