We present a 4-bit Arithmetic Logic Unit (ALU) utilizing superconductor technology. The ALU serves as the central processing unit of a processor, performing crucial arithmetic and logical operations. We have adopted a bit-parallel architecture to ensure an efficient and streamlined design with minimal fanin/fanout and optimal latency. In terms of fabrication, the ALU has been fabricated using a standard commercial process. It operates at an impressive clock frequency exceeding 30 GHz while consuming a mere 4.75 mW of power, including applied reverse current, encompassing static and dynamic components. The ALU contains over 9000 Josephson junctions, with approximately 7000 JJs dedicated to wiring, delay lines, and path balancing, and it has over 18% bias margin. Designed as a co-processor, this arithmetic logic unit will work with external CMOS memory and processors via interface circuits. Thorough testing and validation of the ALU's functionality have been conducted with digital and analog simulations, and all the components were fabricated and measured within a 4K pulse-tube cryocooler. Experimental verification has confirmed the successful operation of both the arithmetic and logic units. These results have been analyzed and are presented alongside the experimental data to provide comprehensive insights into the ALU's behavior and capabilities.


翻译:本文提出了一种基于超导技术的4位算术逻辑单元(ALU)。该ALU作为处理器的核心运算单元,执行关键的算术与逻辑操作。我们采用位并行架构以优化设计,实现了最小化扇入/扇出及最佳延迟。在制造方面,该ALU采用标准商用工艺制备。其工作时钟频率超过30 GHz,功耗仅为4.75 mW(含施加反向电流,涵盖静态与动态分量)。该ALU包含超过9000个约瑟夫森结(其中约7000个JJs用于布线、延迟线及路径平衡),偏置裕度超过18%。作为协处理器设计,该算术逻辑单元将通过接口电路与外部CMOS存储器和处理器协同工作。通过数字与模拟仿真对其功能进行了全面测试与验证,所有组件均在4K脉冲管低温冷却器中完成制备与测量。实验验证确认了算术与逻辑单元的成功运行。本文结合实验数据对上述结果进行了分析,以提供关于该ALU行为与能力的全面见解。

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