Tek Akı Kuantumu Devrelerinde İstatistiksel Zamanlama Analizi ve Sayısal Benzetim Aracı Geliştirilmesi

Abstract

Günümüzde kullanılan yarı iletken teknolojisine önemli bir alternatif olan tek akı kuantumu (SFQ) devreleri oldukça hızlı saat frekansı ve düşük enerji tüketimi ile yüksek kapasitede işlem gücü sağlayabilmektedir. Ancak artan saat hızı ve karmaşıklık seviyesi nedeniyle günümüzde kullanılan araçlar daha yüksek performanslı devreler geliştirme konusunda yetersiz kalmaktadır. Mevcut araçlar ile yapılan benzetimler ya çok detaylı ve uzun sürmekte ya da hızlı sonuç sağlamak için pek çok etkiyi ihmal etmektedir. İhmal edilen etkiler özellikle yüksek saat frekanslı ve karmaşık SFQ devreleri için önemli olmaktadır. Dolayısıyla SFQ devreleri için özelleşmiş tasarım araçlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenden ötürü SFQ hücreleri yerine istatistiksel modeller kullanan sayısal bir benzetim aracı geliştirilmiştir. Bu araç geliştirilirken öncelikle temel SFQ devreleri incelenip, çıktı zamanlamaları ve seğirmelerin hızlı ve pratik benzetimi için bir model bulunmuştur. Bu sayede tasarım eksikliklerinden veya ihmal edilmekte olan zamanlama varyasyonlardan kaynaklanabilecek durumlar tespit edilebilir hale gelmiştir. Bu araç ile çok işlem gerektiren, uzun süren benzetimler yapılmaksızın, özellikle çok sayıda hücreden oluşan SFQ devrelerinde oluşması muhtemel zamanlama hatalarının analizi yapılabilmektedir.

Single flux quantum (SFQ) circuits can provide more computational power with faster operation and lower energy consumption and is one of the most promising technology that is an alternative to today's semiconductor circuits. However, due to increase in circuit operating speed and complexity, circuit design tools used today are insufficient for increasing the performance further. Simulations made by these tools are either taking too much time and detailed or ignoring many effects to achieve faster results. But ignored effects can be crucial especially for high speed and complex circuits. Therefore, design tools specialized for SFQ circuits are needed. For this reason, a digital simulation tool that uses statistical models instead of SFQ cells is developed. During the process, basic SFQ circuits are analyzed to find a model for output timings and variations. By using this model, the timings and timing variations of several cell combinations can be calculated practically. In this way, errors that may result from the design deficiencies or the ignored timing variation effects can be detected. By using this tool, timing errors of especially larger SFQ circuits can be analyzed without doing a time consuming actual simulation