Быстрый квант одиночного потока - Rapid single flux quantum

В электроника, быстрый квант одиночного потока (RSFQ) это цифровой электронное устройство, которое использует сверхпроводящий устройства, а именно Джозефсоновские переходы, для обработки цифровых сигналов. В логике RSFQ информация хранится в виде кванты магнитного потока и передается в виде импульсов напряжения Single Flux Quantum (SFQ). RSFQ - это одно семейство сверхпроводящая или SFQ логика. К другим относятся Reciprocal Quantum Logic (RQL), ERSFQ - энергоэффективная версия RSFQ, в которой не используются резисторы смещения и т. Д. Джозефсоновские переходы являются активными элементами для электроники RSFQ, как и транзисторы являются активными элементами для полупроводниковой электроники. RSFQ - это классический цифровой, а не квантовые вычисления, технологии.

RSFQ сильно отличается от CMOS транзистор технологии, используемые в обычных компьютерах:

  • Сверхпроводящий устройства требуют криогенный температуры.
  • пикосекунда -длительность импульсов напряжения SFQ, создаваемых Джозефсоновские переходы используются для кодирования, обработки и передачи цифровой информации вместо уровней напряжения, создаваемых транзисторами в полупроводниковой электронике.
  • Импульсы напряжения SFQ проходят по сверхпроводящей линии передачи которые имеют очень маленькую и обычно незначительную дисперсию, если ни одна спектральная составляющая импульса не превышает частоту энергетический разрыв сверхпроводника.
  • В случае импульсов SFQ длительностью 1 пс можно синхронизировать схемы на частотах порядка 100 ГГц (один импульс каждые 10 пикосекунд).

Импульс SFQ создается, когда магнитный поток через сверхпроводящую петлю, содержащую джозефсоновский переход, изменяется на один квант потока, Φ0 в результате переключения перехода. Импульсы SFQ имеют квантованную площадь ʃV(т)dt = Φ0 ≈ 2.07×10−15 Wb = 2,07 мВ⋅пс = 2,07 мА⋅⋅ч из-за квантование магнитного потока, фундаментальное свойство сверхпроводников. В зависимости от параметров джозефсоновских контактов длительность импульсов может достигать 1пс с амплитудой около 2 мВ или более (например, 5–10пс ) с соответственно меньшей амплитудой. Типичное значение амплитуды импульса примерно 2яcрп, где яcрп - произведение критического тока перехода, яc, и резистор демпфирования перехода, рп. Для технологии соединений на основе ниобия яcрп составляет порядка 1 мВ.

Преимущества

  • Совместимость со схемой CMOS, микроволновая печь и инфракрасная технология
  • Чрезвычайно быстрая рабочая частота: от нескольких десятков гигагерц до сотен гигагерц
  • Низкий потребляемая мощность: примерно в 100 000 раз ниже, чем CMOS полупроводниковые схемы без учета холода
  • Существующая технология производства микросхем может быть адаптирована для изготовления схем RSFQ.
  • Хорошая устойчивость к производственным изменениям
  • Схема RSFQ по существу самосинхронизация, делая асинхронный конструкции намного практичнее.

Недостатки

  • Требуется криогенный охлаждение. Традиционно это достигалось с помощью криогенных жидкостей, таких как жидкий азот и жидкий гелий. В последнее время криокулеры замкнутого цикла, например, импульсные трубчатые холодильники приобрели значительную популярность, поскольку они исключают криогенные жидкости, которые являются дорогостоящими и требуют периодического наполнения. Криогенное охлаждение также является преимуществом, поскольку оно снижает рабочую среду. тепловой шум.
  • Требования к охлаждению можно снизить за счет использования высокотемпературные сверхпроводники. Однако на сегодняшний день удалось получить только схемы RFSQ очень низкой сложности с использованиемТc сверхпроводники. Считается, что цифровые технологии на основе SFQ становятся непрактичными при температурах выше ~ 20 K - 25 K из-за экспоненциально увеличивающейся частоты ошибок по битам (термически индуцированное переключение перехода), вызванного уменьшением параметра EJ/kBТ при повышении температуры Т, где EJ = яcΦ0/ 2π - это Энергия Джозефсона.
  • Рассеивание статической мощности, которое обычно в 10–100 раз превышает динамическую мощность, необходимую для выполнения логических операций, было одним из недостатков. Однако статическое рассеяние мощности было устранено в версии RSFQ ERSFQ за счет использования сверхпроводящих катушек индуктивности и джозефсоновских переходов вместо резисторов смещения, источника статического рассеивания мощности.
  • Поскольку RSFQ является прорывные технологии, специальные образовательные степени и специальное коммерческое программное обеспечение еще предстоит разработать.

Приложения

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Ерошева Лилия Витальевна; Питер М. Когге (апрель 2001 г.). «Высокоуровневое прототипирование машины HTMT Petaflop (2001)». Департамент компьютерных наук и инженерии, Нотр-Дам, Индиана. CiteSeerX  10.1.1.23.4753. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  2. ^ Буник, Павел, Михаил Дороевец, К. Лихарев, Дмитрий Зиновьев. «Подсистема RSFQ для вычислений HTMT petaFLOPS». Технический отчет Stony Brook HTMT 3 (1997).

Чтения

внешние ссылки