时钟分配是数字技术的核心，影响电路性能、互连开销和效率。然而，在存在器件变化和热噪声的情况下，确保在具有低偏移和抖动的大型数字系统中实现可靠的时钟分配是一项设计挑战。本篇中研究人员报告了一种超导超材料谐振时钟网络，可以为大型超导数字系统提供高能效的电力传输。谐振时钟网络基于具有无限波长零阶谐振模式的超材料设计，并利用超导体在微波频率下的超低焦耳损耗。
时钟分配网络（Clock distribution networks），也称为时钟树，是将时钟信号（来自公共源）分配到系统中所有电气组件的技术，确保电路中的所有元件以同步方式运行。这些网络可能是开发超大规模集成（VLSI：very-large scale integration）系统、将数千个逻辑门或设备组合到单个芯片中的集成电路（IC）的核心。
航空母舰&军用无人机制造商诺斯罗普·格鲁门公司（Northrop Grumman Mission Systems）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。该网络在Nature Electronics上发表的一篇论文中进行了介绍，可以制造性能更好的大型超导IC。
谐振时钟网络的概念设计。来源：Nature Electronics (2022). DOI: 10.1038/s41928-022-00729-7
基于超导体的逻辑电路的想法最早出现在20世纪80年代。从那时起，许多研究都强调了它们作为工具的潜力，可以使用较低的计算能力以高速执行逻辑计算。
尽管有其前景和优势，但迄今为止，开发高性能超导逻辑电路已被证明具有很大的挑战性。主要原因是，为这些电路供电的方法往往无效，影响了它们的性能。
“早期的超导逻辑系列使用直流电流通过电阻器为设备供电，这显然消耗了大量电力，”进行这项研究的研究人员之一Joshua A. Strong说，“最近的设计是用通过变压器的交流电流为设备供电。这样消耗的功率要少得多，但问题就变成了：如何以GHz频率驱动数千或数百万个变压器，每个变压器都具有相同的幅度和相位？它是有点像试图在5毫米芯片上构建国家电网。”
Strong和他的同事进行这项研究的主要目标是设计一个网络，使平坦、均匀的驻波能够在他们的超导IC上传播。他们知道这很困难。与自然界一样，波浪通常不会这样表现（即，它们不是平坦的，而是呈现“波浪状”）。
“如果你想到一根吉他弦，它有一个一阶共振，末端固定，中间振荡，所以弦上有半波振动，”Strong说。“它还具有二阶、三阶或更高阶的共振，在弦上以2或3个或更多半波的高次谐波振荡。你可以说吉他弦也有零半波的零阶模式，这意味着弦是平的，但这是一种无聊的情况，因为它发生在0 Hz时，这意味着弦根本没有振动。”
在超材料中，物理学家观察到比震荡吉他弦更有趣的零级共振，正如Strong所概述的那样。例如，它们可以产生以非零频率振荡的平坦波，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。
Strong和他的同事们利用基于共振超材料的时钟分布网络，对10GHz IC设计进行了S参数测量，并验证了一个在3.5 GHz下工作、具有480000个结的数字互易量子逻辑电路。值得注意的是，他们发现，他们的网络能够在3x3 mm2的有源芯片面积上实现功率均匀分布，变化小于1 dB，功率效率约为30%。
“我和我的同事表明，我们可以为一个芯片上的数千个变压器提供均匀的电力，”Strong补充道。“这令人兴奋，因为这意味着我们拥有构建大型超导集成电路所需的时钟网络。我们现在计划致力于开发更大更好的逻辑电路，其功耗比半导体电路更低。”
更多信息：Joshua A. Strong et al, A resonant metamaterial clock distribution network for superconducting logic, Nature Electronics (2022). DOI:10.1038/s41928-022-00729-7
通过阅读原文了解此项研究成果：用于超导逻辑的谐振超材料时钟分布网络
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