【摘 要】
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随着半导体工艺的高速发展,摩尔定律已经成为行业内熟知的理论。然而在目前CMOS特征尺寸越来越逼近物理极限的情况下,摩尔定律能否像往常一样飞速发展成为了一个问号。因此寻找新型技术作为候补成为一个重要研究方向,而超导电子技术便是一种替代CMOS技术的有力竞争者。超导电路拥有超低功耗,超高频率的优势。目前世界上主流的超导电路技术为单磁通量子逻辑（Single-Flux Quantum,SFQ）技术,SF
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随着半导体工艺的高速发展,摩尔定律已经成为行业内熟知的理论。然而在目前CMOS特征尺寸越来越逼近物理极限的情况下,摩尔定律能否像往常一样飞速发展成为了一个问号。因此寻找新型技术作为候补成为一个重要研究方向,而超导电子技术便是一种替代CMOS技术的有力竞争者。超导电路拥有超低功耗,超高频率的优势。目前世界上主流的超导电路技术为单磁通量子逻辑（Single-Flux Quantum,SFQ）技术,SFQ技术于上世纪90年代被提出并迅速实现了一系列的数字和模拟的应用。然而,超导SFQ技术也有一定的缺陷,SFQ逻辑电路通过超导环路中磁通量子的有无来表示数字逻辑,需要使用电感环路来存储磁通量子,且目前超导SFQ电路集成度较低,很难实现集成度较高的功能模块,例如大规模的超导存储器,这给超导计算系统实现带来了极大的难度。一种有效的解决方案就是使用成熟的CMOS技术设计存储模块,并将其放在超导系统中联调。然而超导SFQ电路中使用SFQ脉冲来传输信号,其信号幅度只有0.6 m V,难以驱动CMOS存储电路。因此,需要设计专用的超导接口电路来保证超导-CMOS之间的信号传输。目前超导接口电路主要分为两类,一类为使用直流偏置的超导量子干涉器（Superconducting Quantum Interference Device,SQUID）电路;另一类为使用交流偏置的约瑟夫森结锁存驱动器（Josephson Latch Driver,JLD）电路。本文设计优化了这两种单级接口电路,并全面对比了两种电路的优缺点,最终选择了JLD电路作为接口电路的主要结构。并从Nb03工艺的角度分析,针对JLD接口电路对SFQ脉冲、输入电流检测不够敏感、交流偏置容易对SFQ数字电路造成窜扰这两个问题进行了结构上的优化;最终得到能够跨芯片检测80μA电流输入,输出电压为42m V,工作范围为±29.28%的两级接口电路。此外,根据实际超导中央处理器（Central Processing Unit,CPU）的应用场景,本文设计了21通道阵列接口电路,并通过偏置分组供给、差分偏置等方式保证了18通道任意码字无串扰。本文设计的接口电路还与超导CPU的单元输出电路完成了跨芯片传输的测试。在此基础上,分别与超导CPU、CMOS放大器进行联调测试,证明了本文设计的接口电路在大规模超导SFQ数字电路和CMOS电路之间的信号传输能力。
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