[发明专利]生成面向超导RSFQ电路的多扇出时钟信号的方法

说明书

提供一种生成面向超导RSFQ电路的多扇出时钟信号的方法，该方法包括：建立高度P为1的SPL树，高度P为1的SPL树包括单个节点、SPL2以及SPL3，将其存入集合R；根据N计算SPL树的最大高度P_max；逐层建立SPL树，每次迭代P增加1，直到PP_max，其中，高度为P的树由集合R中高度小于P的子树组成，在每次建立SPL树时，根据目标函数，将所建立的SPL树与集合R中高度相同且叶节点数相同的SPL树的目标函数值进行比较，仅将目标函数值最小的树存入集合R；选择集合R中叶节点数为N的树构成最优解；根据最优解确定多扇出时钟信号的由SPL构成的分支路径。

技术领域

本发明涉及超导快速单磁通量子(Rapid Single Flux Quantum,RSFQ)电路的时钟树拓扑优化方法，尤其涉及一种生成面向超导RSFQ电路的多扇出时钟信号的方法。

背景技术

超导单磁通量子(Single Flux Quantum,SFQ)电路技术被ITRS列为极具前景的下一代集成电路技术。超导RSFQ电路是SFQ电路的一种，具有超高速度和超低功耗。研究证实，用亚微米约瑟夫森结(Josephson Junction,JJ)技术制造的简单RSFQ电路最高可以工作在770GHz的频率，这种高速是半导体集成电路所难以企及的。在相同工艺条件下，RSFQ电路中逻辑门延迟和位操作功耗都比对应的半导体电路低两个数量级。

RSFQ电路中最基本的器件是由约瑟夫森结构成的超导环，JJ是开关元件。与CMOS电路不同，RSFQ电路的存储部件是电感而不是电容。超导环中的磁通量子化为Φ＝n*Φ₀，其中Φ₀＝2.07×10^-15Wb。信息以磁通量子的形式存储，以SFQ电压脉冲的形式传输。脉冲存在表示逻辑“1”，不存在表示逻辑“0”。RSFQ电路中几乎所有的单元都需要时钟驱动(SPL和汇缓冲器除外)，这些带时钟的RSFQ逻辑门在接收到时钟信号时才会将其存储的磁通量子传输到下一级逻辑门。

CMOS逻辑门的输出可直接连接到扇出逻辑门，而RSFQ逻辑门的输出只能驱动一个逻辑门。为此，对于超导电路中的多扇出信号，需要插入一种特殊的逻辑门-分离器(SPL)来满足逻辑门的扇出约束。SPL单元不需要时钟输入，它接收一个SFQ脉冲并在一定的延迟之后产生两个或三个输出脉冲。在下文中将能够产生两个输出脉冲的SPL，记作SPL2；能够产生三个输出脉冲的SPL，记作SPL3。

RSFQ电路的时钟信号是最典型的一类多扇出信号，它将时钟信号合理地分配给电路中的所有需要时钟驱动的逻辑单元。CMOS电路的时钟网络通常采用零面积、零延时、零功耗的分支点来分配全局时钟信号。因此，时钟网络分支点的多少不会影响电路的面积、延时和功耗。由于RSFQ电路需要满足扇出约束，因此需要为时钟信号插入SPL，而不同的SPL插入方法就得到了不同的时钟树结构，会引入不同的面积、延时、偏差和功耗开销。

拓扑生成是时钟网络设计的重要步骤，用于产生时钟网络的结构，如mesh结构、tree结构等。对于RSFQ电路，本发明采用基于tree的时钟网络结构。因此，其拓扑生成的任务是优化时钟SPL树的结构。

为了最大程度地发挥RSFQ电路的高频和低功耗的优势，时钟树结构优化方法的研究十分必要。尽管已经存在一些关于超导时钟树结构优化方法的研究，但这些工作一般采用二叉树时钟网络结构，以偏差最小化为单一优化目标；或是只能生成叶节点深度相等的时钟树，没有考虑所有可能的时钟树结构。

发明内容

基于上述问题，本发明提出一种生成面向超导RSFQ电路的多扇出时钟信号的方法，其中扇出时钟信号的数量为N，每个扇出时钟信号与从时钟源点到时钟端点所经过的由SPL构成的一个分支路径相对应，由所述SPL构成的分支路径构成SPL树，所述方法包括：