Быстрый одиночный квант потока

В электронике джозефсоновские быстрый одиночный квант потока ( RSFQ ) — это цифровое электронное устройство, которое использует сверхпроводящие устройства, а именно переходы , для обработки цифровых сигналов. В логике RSFQ информация хранится в виде квантов магнитного потока и передается в виде импульсов напряжения Single Flux Quantum (SFQ). RSFQ — это одно из семейств сверхпроводниковой или SFQ-логики . Другие включают Reciprocal Quantum Logic (RQL), ERSFQ – энергоэффективную версию RSFQ, в которой не используются резисторы смещения и т. д. Джозефсоновские переходы являются активными элементами для электроники RSFQ, точно так же, как транзисторы являются активными элементами для полупроводниковой электроники. RSFQ — это классическая цифровая, а не квантовая технология вычислений.

RSFQ сильно отличается от технологии КМОП -транзисторов, используемой в обычных компьютерах:

• Сверхпроводящие устройства требуют криогенных температур.
• пикосекундной Импульсы напряжения SFQ длительности, создаваемые джозефсоновскими переходами, используются для кодирования, обработки и транспортировки цифровой информации вместо уровней напряжения, создаваемых транзисторами в полупроводниковой электронике.
• Импульсы напряжения SFQ распространяются по сверхпроводящим линиям передачи , которые имеют очень малую и обычно незначительную дисперсию, если ни одна спектральная составляющая импульса не превышает частоту энергетической запрещенной зоны сверхпроводника.
• В случае импульсов SFQ длительностью 1 пс можно тактировать схемы на частотах порядка 100 ГГц (один импульс каждые 10 пикосекунд).

Импульс SFQ возникает, когда магнитный поток через сверхпроводящую петлю, содержащую джозефсоновский переход, изменяется на один квант потока, Φ _0, в результате переключения перехода. Импульсы SFQ имеют квантованную площадь ʃ V ( t ) dt = Φ ₀ ≈ 2,07 × 10 ⁻¹⁵ Wb = 2,07 мВ⋅ps = 2,07 мА⋅pH из-за квантования магнитного потока , фундаментального свойства сверхпроводников. В зависимости от параметров джозефсоновских переходов импульсы могут быть как узкими (1 пс) с амплитудой около 2 мВ, так и более широкими (например, 5–10 пс) с соответственно меньшей амплитудой. Типичное значение амплитуды импульса составляет приблизительно 2 I _c R _n , где I _c R _n представляет собой произведение критического тока перехода I _c на демпфирующий резистор перехода R _n . Для технологии перехода на основе Nb I _c R _n составляет порядка 1 мВ.

Преимущества

• Совместимость с КМОП-схемами, микроволновыми и инфракрасными технологиями.
• Чрезвычайно высокая рабочая частота: от нескольких десятков гигагерц до сотен гигагерц.
• Низкое энергопотребление : примерно в 100 000 раз ниже, чем у полупроводниковых КМОП- схем, без учета охлаждения.
• Существующая технология производства микросхем может быть адаптирована для изготовления схем RSFQ.
• Хорошая толерантность к производственным изменениям
• Схема RSFQ по существу является самосинхронизирующейся , что делает асинхронные проекты гораздо более практичными.

Недостатки

• Требует криогенного охлаждения. Традиционно это достигалось с использованием криогенных жидкостей, таких как жидкий азот и жидкий гелий . Совсем недавно криогенные охладители замкнутого цикла, например, холодильники с импульсной трубкой, приобрели значительную популярность, поскольку они исключают использование криогенных жидкостей, которые являются дорогостоящими и требуют периодического пополнения. рабочей среды Криогенное охлаждение также является преимуществом, поскольку оно снижает тепловой шум .
• Требования к охлаждению можно снизить за счет использования высокотемпературных сверхпроводников . сверхпроводников созданы только схемы RFSQ очень низкой Однако на сегодняшний день с использованием высокотемпературных _{сложности} . Считается, что цифровые технологии на основе SFQ становятся непрактичными при температурах выше ~ 20–25 К из-за экспоненциального увеличения частоты битовых ошибок (термоиндуцированное переключение перехода), вызванного уменьшением параметра E _J / k _B T с ростом температуры. T , где E _J = I _c Φ ₀ /2π — энергия Джозефсона .
• Одним из недостатков было рассеивание статической мощности, которая обычно в 10–100 раз превышает динамическую мощность, необходимую для выполнения логических операций. Однако в версии RSFQ ERSFQ рассеивание статической мощности было устранено за счет использования сверхпроводящих индукторов и джозефсоновских переходов вместо резисторов смещения, источника статического рассеяния мощности.

Приложения

• Оптические и другие высокоскоростные сетевые коммутационные устройства
• Цифровая обработка сигналов , вплоть до сигналов X-диапазона и выше
• Сверхбыстрые маршрутизаторы
• Программно-определяемая радиосвязь (SDR)
• Высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи
• Высокопроизводительные криогенные компьютеры
• Схема управления сверхпроводящими кубитами и квантовыми схемами

См. также

• Сверхпроводящая логика включает в себя новые семейства логических систем с более высокой энергоэффективностью , чем RSFQ.
• Параметрон квантового потока , родственная технология цифровой логики.

Чтения

• Оценка сверхпроводящих технологий , исследование RSFQ для вычислительных приложений, проведенное АНБ (2005 г.).

Внешние ссылки

• Введение в основы и ссылки на дополнительную информацию в Государственном университете Нью-Йорка в Стоуни-Брук .
• К.К. Лихарев и В.К. Семенов, Семейство логики/памяти RSFQ: новая технология джозефсоновского перехода для цифровых систем с тактовой частотой субтерагерцового диапазона. IEEE Транс. Прил. Суперконд. 1 (1991), 3. doi:10.1109/77.80745
• А. Х. Уоршам, Дж. К. Пшибиш, Дж. Канг и Д. Л. Миллер, « Кросс-переключатель и демультиплексор с одним квантовым потоком », IEEE Trans. по прил. Суперконд., вып. 5, стр. 2996–2999, июнь 1995 г.
• Технико-экономическое обоснование неблокирующих цифровых коммутаторов с самомаршрутизацией на основе RSFQ (1996 г.)
• Проблемы проектирования сверхбыстрой сверхпроводниковой коммутационной матрицы сверхмалого энергопотребления на основе семейства логики/памяти RSFQ (1997)
• Схема распределения тактовых импульсов для больших цепей RSFQ (1995)
• Цифровые схемы Джозефсон-Джанкшн - проблемы и возможности (Фельдман, 1998). Архивировано 23 сентября 2015 г. в Wayback Machine.
• Сверхпроводниковые ИС: второе поколение 100 ГГц // IEEE Spectrum, 2000.