谐振时钟网络的概念设计。学分:自然电子(2022)。时钟分配网络，也称为时钟树，是用于将时钟信号(来自公共源)分配给系统中所有电子部件的技术，确保电路中的所有元件以同步方式工作。这些网络可能是超大规模集成电路(VLSI)系统开发的核心，这种集成电路将数千个逻辑门或器件集成到一个芯片上。诺斯罗普·格鲁曼任务系统公司的研究人员最近开发了一种基于超导超材料设计的有前途的时钟分配网络。发表在《自然电子学》上的一篇论文中介绍的这个网络，可以制造性能更好的大型超导集成电路。
基于超导体的逻辑电路的想法在20世纪80年代首次提出。从那时起，许多研究强调了它们作为工具使用低计算能力高速执行逻辑计算的潜力。
尽管它们有前景和优势，但迄今为止，开发高性能的超导逻辑电路已被证明是具有挑战性的。其主要原因是用于向这些电路供电的方法通常效率低下，影响了它们的性能。
“早期的超导逻辑家族通过电阻器用DC电流为设备供电，这显然消耗了大量电力，”进行这项研究的研究人员之一约书亚·a·斯特朗(Joshua A. Strong)告诉TechXplore。最近的设计用通过变压器的交流电流给设备供电。这样消耗的功率会少很多，但问题变成了:你如何以GHz频率驱动数千或数百万个变压器，每个变压器的幅度和相位都相同？这有点像试图在5毫米的芯片上建立美国电网。”
斯特朗和他的同事们研究的主要目标是设计一种网络，允许平坦、均匀和稳定的波在他们的超导IC中传播。他们知道这将是困难的；在自然界中，波浪通常不会这样表现(即，它们不是平的，而是更“波浪状”)。
“如果你想到一根吉他弦，它有一个一阶共振，两端固定，中间振荡，所以你有一个半波在弦上振动，”斯特朗说。它也有二阶、三阶或更高阶的共振，以更高的谐波振荡，弦上有2、3或更多的半波。你可以说吉他弦也有零阶模式，没有半波，这意味着弦是平的，但这种情况有点无聊，因为它发生在0 Hz，这意味着弦根本没有振动。”
在超材料中，物理学家观察到了比振荡吉他弦更有趣的零级共振，斯特朗概述了这一点。例如，他们可以产生以非零频率振荡的平波，这正是研究人员希望通过他们的时钟分配网络实现的目标。
利用他们基于超材料的谐振时钟分配网络，Strong和他的同事对一个10 GHz IC设计进行了S参数测量，并验证了一个具有48，0000个结的数字倒易量子逻辑电路，工作在3.5 GHz。值得注意的是，他们发现他们的网络可以在3x3 mm2的有源芯片面积上实现1 dB以下的均匀功率分布，功率效率约为30%。
“我和我的同事们展示了我们可以为一个芯片上的数千个变压器提供统一的电力，”斯特朗补充道。“这很令人兴奋，因为这意味着我们拥有了构建大型超导集成电路所需的时钟网络。我们现在计划开发比半导体电路更大、更好、功耗更低的逻辑电路。”
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