Криотрон

Криотрон основе — это переключатель, работающий на сверхпроводимости . ^[1] Криотрон работает по принципу, что магнитные поля разрушают сверхпроводимость. Это простое устройство состоит из двух сверхпроводящих проводов (например, тантала и ниобия) с разной критической температурой (Tc). Криотрон был изобретен Дадли Алленом Баком из лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института.

Как описывает Бак, ^[2] прямая проволока из тантала проволоки (с более низкой Tc) намотана вокруг ниобиевой в однослойной катушке. Оба провода электрически изолированы друг от друга. Когда это устройство погружается в ванну с жидким гелием , оба провода становятся сверхпроводящими и, следовательно, не оказывают сопротивления прохождению электрического тока. Тантал в сверхпроводящем состоянии может проводить большую силу тока по сравнению с его нормальным состоянием. Теперь, когда ток проходит через ниобиевую катушку (обернутую вокруг тантала), он создает магнитное поле, которое, в свою очередь, уменьшает (убивает) сверхпроводимость танталовой проволоки и, следовательно, уменьшает количество тока, который может течь через танталовую проволоку. . Следовательно, можно контролировать величину тока, который может течь по прямому проводу, с помощью небольшого тока в спиральном проводе. Мы можем думать о прямом танталовом проводе как о «воротах», а о спиральном ниобиевом проводе как о «контроле».

Статья Бака ^[2] включает описания нескольких логических схем, реализованных с использованием криотронов, в том числе: одного каскада двоичного сумматора, сети переноса, каскада двоичного аккумулятора и двух каскадов шагового регистра криотрона.

Планарный криотрон, использующий тонкие пленки свинца и олова, был разработан в 1957 году Джоном Бремером в General Electric лаборатории общего машиностроения компании в Скенектади, штат Нью-Йорк . Это была одна из первых интегральных схем , хотя в ней использовались сверхпроводники, а не полупроводники . В последующие несколько лет был изготовлен демонстрационный компьютер и работали массивы с 2000 устройствами. Краткая история этой работы содержится в информационном бюллетене Исторического центра IEEE за ноябрь 2007 года. ^[3]

Юрий Матисоо ^[4] разработал версию криотрона, включающую джозефсоновский переход , переключаемый магнитным полем управляющего провода. Он также объяснил недостатки традиционных криотронов, в которых сверхпроводящий материал должен переходить из сверхпроводящего в нормальное состояние, чтобы переключить устройство, и, таким образом, переключаться относительно медленно. Криотрон Матисоо переключался между проводящим состоянием, в котором происходило «парное туннелирование» электронов через затвор, и «резистивным» состоянием, в котором туннелировать могли только одиночные электроны. Схема была (как и традиционный криотрон) способна к некоторому усилению (т.е. коэффициент усиления больше единицы) и имела скорость переключения менее 800 пикосекунд. Хотя требование криогенного охлаждения ограничивало его практичность, только в конце 2010-х годов коммерческие транзисторы приблизились к таким характеристикам. ^{[ нужна ссылка ]}

Были периоды возобновления интереса к различным типам криотронов. IBM экспериментировала с их использованием для ограниченных приложений на суперкомпьютерах в 1980-х годах. ^{[ нужна ссылка ]} и (по состоянию на 2020 год) было проведено некоторое исследование их потенциального применения как для ввода-вывода, так и для логики прототипов квантовых компьютеров. ^{[ нужна ссылка ]}

История

предложен магнитоуправляемый переключатель Декабрь 1953 г. В ноутбуке Дадли Аллена Бака .
Июль 1955 г. Заявка Дадли А. Бака на патент США № 2 832 897. Архивировано 7 января 2017 г. в Wayback Machine. литниковом элементе с магнитным управлением
Август 1955 г. Меморандум лаборатории Линкольна 6M-3843 Криотрон — сверхпроводящий компьютерный компонент
1956 г. Система памяти каталога криотрона Эла Слэйда и Говарда МакМэхона.
1957 г. Заявка Джеймса У. Кроу на патент США 3 100 267 «Сверхпроводящие стробирующие устройства».

Наследие

Криотрон принес Баку ряд интервью с различными информационными агентствами того времени, международную научную известность, и, хотя эта работа не пережила смерть Бака, многие методы исследования устройства будут использоваться в Intel и других производителях микросхем. и в исследовании других, более современных и интерактивных компьютеров, особенно в Массачусетском технологическом институте .

Ссылки

^ Роуз-Иннес, AC; Родерик, Э.Х. (1978). Введение в сверхпроводимость . Международная серия по физике твердого тела. Том. 6 (2-е изд.). Эльзевир Наука. п. 45. ИСБН 9780080216515 .
^ Jump up to: ^а ^б Бак, Д.А. (1956). «Криотрон-сверхпроводящий компьютерный компонент». Труды ИРЭ . 44 (4): 482–493. дои : 10.1109/JRPROC.1956.274927 . S2CID 51633331 .
^ Бремер, Джон (2007). «Изобретение сверхпроводниковой интегральной схемы» (PDF) . Информационный бюллетень Исторического центра IEEE . 75 : 6–7. Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2012 г. Проверено 31 января 2013 г.
^ Матисоо, Юри (1967). «Туннельный криотрон — сверхпроводящий логический элемент, основанный на туннелировании электронов». Труды IEEE . 55 (2): 172–180. дои : 10.1109/PROC.1967.5436 .

[1] Роуз-Иннес, AC; Родерик, Э.Х. (1978). Введение в сверхпроводимость . Международная серия по физике твердого тела. Том. 6 (2-е изд.). Эльзевир Наука. п. 45. ИСБН 9780080216515 .

[buck1956-2] Jump up to: ^а ^б Бак, Д.А. (1956). «Криотрон-сверхпроводящий компьютерный компонент». Труды ИРЭ . 44 (4): 482–493. дои : 10.1109/JRPROC.1956.274927 . S2CID 51633331 .

[bremer-3] Бремер, Джон (2007). «Изобретение сверхпроводниковой интегральной схемы» (PDF) . Информационный бюллетень Исторического центра IEEE . 75 : 6–7. Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2012 г. Проверено 31 января 2013 г.

[matisoo-4] Матисоо, Юри (1967). «Туннельный криотрон — сверхпроводящий логический элемент, основанный на туннелировании электронов». Труды IEEE . 55 (2): 172–180. дои : 10.1109/PROC.1967.5436 .

[1]

[2]

[3]

[4]