2021年3月1日
低温工学・超電導学会
2020年度 第2回超伝導応用研究会シンポジウム

超電導ディジタル集積回路の基礎と開発状況
藤巻朗
名古屋大学
謝辞：本研究は、JSPS科研費特別推進研究(18H05211)、基盤研究(S)(19H05615)、JST未来社会創造事業(JPMJMI18E1)の支援を受けている。

本日の発表内容◆超電導ディジタル集積回路の魅力◆単一磁束量子集積回路の現状◆次世代超伝導集積回路◆実用化に向けての取り組み

2021年3月1日 超電導応用研究会シンポジウム

2半導体マイクロプロセッサの開発トレンド
1.E+08105104103
102
101
100
10-1
10-2
10-3

1.E+07

1.E+06

Gap

Transistors(million)

1.E+05Single-thread
Performance(SPECint)

1.E+04

1.E+03

1.E+02Clock Frequency(GHz)

1.E+01

1.E+00

1.E-01
1970

1970

1980

1980

1990

1990

20002000

2010

2010

2020

2020

Microprocessor Trend Data by M. Horowitz, F. Labonte, O. Shacham, K. Olukotun, L.
Hammond, and C. Batten; and by K. Rupp for 2010-2017.
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半導体集積回路のトリレンマ
VDD
PMOS
or resistor
NMOS

Load
10.5 mm

Cgate
VDD
0V

Ebit=CgateVDD2/2

t=CgateR

Pentium 4 based on
CMOS

R

微細化⇒高集積化（=高機能化）⇒大きな発熱密度⇒大きな配線遅延

Ebit=(Cgate+Cinterconnect)VDD2/2

t=(Cgate+Cinterconnect)R
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大きな発熱
大きな遅延
4

超電導ディジタル集積回路のターゲット
配線遅延による限界

Integration Density(Trs/cm2, JJs/cm2)

1012

CMOSの発熱密度による限界

109
106

超電導集積回路のターゲット
Si MOSFETGaAs
MESFET103
Si Bip

10.01

GaAs
HEMT

化合物半導体の発熱密度による限界

SiGe
HBT
InP HEMT

0.1
110100
Clock Frequency (GHz)

1000

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5電力と高速性の壁の打破
低電力化の鍵◦ 電圧や電流の低振幅化、発生時間を短縮
高速化の鍵◦ 充放電現象を伴わない論理回路と配線
パルス論理回路
1V

0.1～数ns
時間

現在の半導体回路

1 mV

0.1 mV
5 ps

時間

5 ps

半磁束量子（HFQ）回路

単一磁束量子（RSFQ）回路
半導体回路に比べ
時間 1/100
振幅 1/1,000
電力 1/100,000

時間

半導体回路に比べ
時間 1/100
振幅 1/10,000
電力 1/1,000,000

2021年3月1日 超電導応用研究会シンポジウム6単一磁束量子回路の特徴と魅力信号の保持と演算信号の伝達（導波路配線）

L’Ic
Φ02mV
2ps
2値の分離に必要なエネルギー

CMOS*1
RSFQ/HFQkTln2kTln240kT

長い配線を介し次段の駆動に必要なエネルギー
220000kT(9.0 x 10-16 J)

40kT

160kT
(8.6 x 10-21 J)

低誤り率の確保*1 S. Mukhopadhyay (2006); “Switching energy in CMOS logic: how far are we from physical limit"
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本日の発表内容◆超電導ディジタル集積回路の魅力◆単一磁束量子集積回路の現状◆次世代超伝導集積回路◆実用化に向けての取り組み

2021年3月1日 超電導応用研究会シンポジウム8単一磁束量子集積回路の現状
Bit-serial mP
100 GHzmP w/o Memory

Bit-serial mP
50 GHzMemory Embedded

Bit-Parallel ALU
30 GHz

1 mm

CORE100 (2015)
COREe2 (2017)3073 JJs
10655 JJs
800 MIPS
500 MIPS
1.0 mW
2.4 mW
800 GIPS/W
210 GIPS/W
20kA/cm2製造プロセス 内蔵プログラムを実行

GLP (2019)
23000 JJs
50 GOPS
0.5 mW
100,000 GOPS/W
Gate-Level Pipelining

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9半導体との性能比較（32ビットmPを想定）

性能
MIPS (Million Instructions/s)

106105104103

Athlon64FX57 Cell(SPE)Pentium 4

SFQ CORE1b102

SFQ CORE1a101102

SFQ
COREe2103

104
105
106MIPS/W
エネルギー効率1072021年3月1日 超電導応用研究会シンポジウム

10810産総研での集積回路作製• AIST Advanced Process (ADP2)▫ JJ size: 1-μm sq. (JC=10 kA/cm2)▫ 9 Nb layers (planarized)

Logic gates
Main ground
WiringDC power

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11本日の発表内容◆超電導ディジタル集積回路の魅力◆単一磁束量子集積回路の現状◆次世代超伝導集積回路◆実用化に向けての取り組み

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12物理限界への挑戦
演算1回あたりの消費エネルギー[J]10 -13PresentCMOS(Logic)

10-15
10-17

CORE100

RSFQ w/ STP
RSFQ w/ ADP

10-19

ERSFQ

RQL

HFQ

AQFP

10-21

Thermal Limit @4K

10-23

11102

1010
動作周波数[ps]3

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10413

位相エンジニアリングISIj

SGib𝑖𝑏 = 0.7𝐼𝑐

CV𝑉=𝐼𝑗 = 𝐼𝑐 sin 𝜃

ℏ 𝑑𝜃
2𝑒 𝑑𝑡

ジョセフソン接合の電力消費
電圧 Ｘ コンダクタンスGに流れる電流◆低電力化へのアプローチ✓ 位相差の時間変化の抑制

断熱型量子磁束パラメトロン（AQFP）✓ 臨界電流の低減化

半磁束量子回路（HFQ）

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14断熱型量子磁束パラメトロン（AQFP)
前段
10

入力電流

励起電流Iex

ＪＪ

ＪＪ
𝑉=

ℏ 𝑑𝜃
2𝑒 𝑑𝑡

➢ 位相差の時間変化を励起電流の立ち上がり時間で制御➢ 典型的にはtr=0.5ns～1 ns。
結果としてエネルギー消費は、極めて小さい。現在までに 10 zJを実証。
➢ 信号の持つエネルギーはIcF0程度

出力電流10

後段

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15磁性ジョセフソン接合
超伝導体

超伝導体
絶縁体

絶縁体
磁性体

位相差

超伝導体

位相差+p超伝導体

超伝導体 絶縁体 超伝導体
|Y|

超伝導体 磁性体

超伝導体

|Y|

p

I = I c sin( + p )I = I c sin 
従来のジョセフソン接合

p磁性ジョセフソン接合

磁性体の交換相互作用によりオーダーパラメータが振動
2021年3月1日 超電導応用研究会シンポジウム16半磁束量子回路(HFQ)◼ RSFQ回路を0-p SQUIDに置き換えて実現◼ 高速性を維持したまま、信号のエネルギーの低減化
0-p SQUIDにおける臨界電流の見掛け上の低下

1Φ02100806040200-20-40-60-80-100-5 -4 -3

Critical current[mA]1− Φ02-2 -1012345Coil current [mA]
0-p SQUIDの零磁場下での周回電流

0-p SQUIDの臨界電流の外部磁場依存性（実測データ）
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本日の発表内容◆超電導ディジタル集積回路の魅力◆単一磁束量子集積回路の現状◆次世代超伝導集積回路◆実用化に向けての取り組み

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残された課題◼高速中規模容量メモリ➢HFQパルス駆動メモリ◼低熱流入広帯域冷却システム◼大規模容量メモリ➢JJ-CMOS Hybridメモリ◼室温への出力インターフェイス➢ナノクライオトロン

2021年3月1日 超電導応用研究会シンポジウム資料 藤巻朗（名大）19高速マトリクスメモリに向けてV

ジョセフソン接合

R“1”ポテンシャル

ポテンシャル【低電力化】∆𝐸 ≈ 𝟐𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑘𝐵 𝑇
∆𝐸

1 mVt

磁束量子
F0 = h/2eC“0”半磁束量子回路

単一磁束量子回路数ps∆𝐸 = 𝐼𝐶 Φ0≈ 𝟓𝟎𝟎𝟎 𝑘𝐵 𝑇

pシフト磁性 超伝導ジョセフソン 絶縁体接合（後述） 磁性体
超伝導

半磁束量子

∆𝐸 = 𝐼𝐶∗ Φ0≈ 𝟓𝟎 𝑘𝐵 𝑇∆𝐸Φ0 /2【高速化】

2入力の同時性確保

マイクロプロセッサへ

ポテンシャルの制御=2値信号のエネルギー差

基本素子

半導体回路

量子ビットの考え方

0
パルスの利用

メモリへ
光速で伝搬する2入力の精密タイミング制御

x, y方向にパルスが長い
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2020

HFQパルス駆動メモリ
ワード線に電流印加した時に正負のSFQパルスをIbitに印加し書き込み

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低熱流入広帯域アクセス
室温エレクトロニクス

要求帯域幅
要求ケーブル本数

10 GHz - 20 GHz
2.5 Gbps/本 – 5 Gbps/本100本以上

これまでの研究

4K超電導ディジタル回路◆ SRL 1.19mm同軸線 30ｍW/本の熱流入（橋本・博士学位論文（名大））◆ 東北大 YBCOフィラメントを利用した直流リード（K. Watanabe, et al., Physica C vol. 384, 399 (2003).
◆ Hypres Inc. 直流HTSリード(http://www.hypres.com/services-2/packagingelectronics-in-cryogenics/)

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HTS低熱流入広帯域信号線
SignalGnd GndWire bonding
PCB

11 YBCOcoplanarwaveguides
on a YSZsubstrate
PCB➢ 熱伝導率• YSZ substrate• YBCO

1.8 W/m/K
0.07 W/m/K➢ YSZ基板サイズ

40 x 40 x 0. 5 mm

➢ 熱流入（見積もり）

30 mW/substrate➢ 50 Wコプレナー導波路• Relative permittivity of YSZ• 本数about 2711

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23まとめ◆ 単一磁束量子集積回路は、高速性・エネルギー効率の観点では、CMOS回路より優れていることは実証済。
◆ さらなる優位性の確保と物理極限への挑戦が継続中。
◆ 実用化に向けての障害は克服されつつある。
✓ 高速メモリ✓ 大容量メモリ✓ 室温機器とのインターフェイス◆ システムとしての高速性と高エネルギー効率の実証が不可欠。低雑音化を含む実装技術の開発が急務。
◆ 量子計算機との複合化が将来には必要。

2021年3月1日 超電導応用研究会シンポジウム資料 藤巻朗（名大）24