Кіріспе
Цифрлық электрондық құрылғының түрі Электроникада жылдам жалғыз ағынды квант (RSFQ) – цифрлық сигналдарды өңдеу үшін жоғарғы өткізгіштік құрылғыларды, атап айтқанда Джозефсон түйіндерін пайдаланатын цифрлық электрондық құрылғы. RSFQ логикасында ақпарат магниттік ағым кванттары түрінде сақталады және жалғыз ағым кванты (SFQ) кернеу импульстері түрінде беріледі. RSFQ – бұл суперөткізгіштік немесе SFQ логикасының бір түрі. Басқалары – өзара кванттық логика (RQL), ERSFQ – энергияны тиімді пайдаланатын RSFQ нұсқасы, бұрмалау резисторларын қолданбайды және т.б. Джозефсон түйіндері RSFQ электроникасының белсенді элементтері болып табылады, дәл сол сияқты транзисторлар жартылай өткізгіш электроникасының белсенді элементтері. RSFQ – бұл кванттық емес, классикалық цифрлық технология. RSFQ дәстүрлі компьютерлерде қолданылатын CMOS транзистор технологиясынан өте ерекшеленеді: суперөткізгіштік құрылғылар криогендік температураны талап етеді. Джозефсон түйіндерімен жасалған пикосекундық SFQ кернеу импульстері жартылай өткізгіш электроникадағы транзисторлармен жасалған кернеу деңгейлерінің орнына цифрлық ақпаратты кодтау, өңдеу және тарату үшін қолданылады. SFQ кернеу импульстері суперөткізгіштік тарату желілерінде қозғалады, олардың дисперсиясы өте аз және көбінесе елеусіз, егер импульстің спектрлік компоненті суперөткізгіштің энергиялық саңылау жиілігінен аспаса. 1 пс SFQ импульстері үшін тізбектерді 100 ГГц жиілігінде (әр 10 пикосекунд сайын бір импульс) синхрондауға болады. SFQ импульсі, Джозефсон түйіні бар суперөткізгіштік контур арқылы магниттік ағынның бір ағым кванты, Φ0-қа өзгергенде пайда болады. SFQ импульстерінің квантталған ауданы ʃV(t)dt = Φ0 ≈ 2.07 = 2.07 мВ⋅пс = 2.07 мА⋅пФ, магниттік ағынның квантталуына байланысты, бұл суперөткізгіштердің негізгі қасиеті. Джозефсон түйіндерінің параметрлеріне байланысты импульстар шамамен 2 мВ амплитудасы бар 1 пс-қа дейін тар немесе сәйкесінше төмен амплитудасы бар кеңірек (мысалы, 5–10 пс) болуы мүмкін. Импульс амплитудасының әдеттегі мәні шамамен 2IcRn, мұнда IcRn – түйіндердің критикалық тогы Ic және түйіндердің демпферлік кедергісі Rn-нің көбейтіндісі. Nb негізіндегі түйіспе технологиясы үшін IcRn шамамен 1 мВ құрайды.
In electronics, rapid single flux quantum (RSFQ) is a digital electronic device that uses superconducting devices, namely Josephson junctions, to process digital signals. In RSFQ logic, information is stored in the form of magnetic flux quanta and transferred in the form of Single Flux Quantum (SFQ) voltage pulses. RSFQ is one family of superconducting or SFQ logic. Others include Reciprocal Quantum Logic (RQL), ERSFQ – energy efficient RSFQ version that does not use bias resistors, etc. Josephson junctions are the active elements for RSFQ electronics, just as transistors are the active elements for semiconductor electronics. RSFQ is a classical digital, not quantum computing, technology. RSFQ is very different from the CMOS transistor technology used in conventional computers:
Superconducting devices require cryogenic temperatures. picosecond duration SFQ voltage pulses produced by Josephson junctions are used to encode, process, and transport digital information instead of the voltage levels produced by transistors in semiconductor electronics. SFQ voltage pulses travel on superconducting transmission lines which have very small, and usually negligible, dispersion if no spectral component of the pulse is above the frequency of the energy gap of the superconductor. In the case of SFQ pulses of 1 ps, it is possible to clock the circuits at frequencies of the order of 100 GHz (one pulse every 10 picoseconds). An SFQ pulse is produced when magnetic flux through a superconducting loop containing a Josephson junction changes by one flux quantum, Φ0 as a result of the junction switching. SFQ pulses have a quantized area ʃV(t)dt = Φ0 ≈ 2.07 = 2.07 mV⋅ps = 2.07 mA⋅pH due to magnetic flux quantization, a fundamental property of superconductors. Depending on the parameters of the Josephson junctions, the pulses can be as narrow as 1 ps with an amplitude of about 2 mV, or broader (e. g., 5–10 ps) with correspondingly lower amplitude. The typical value of the pulse amplitude is approximately 2IcRn, where IcRn is the product of the junction critical current, Ic, and the junction damping resistor, Rn. For Nb based junction technology IcRn is on the order of 1 mV.
Кемшіліктер
Криогендік салқындату қажет. Әдетте, бұл сұйық азот және сұйық гелий сияқты криогенді сұйықтықтарды қолдану арқылы жүзеге асырылады. Соңғы уақытта жабық циклді криосуытқыштар, мысалы, импульстік түтікшелі тоңазытқыштар, айтарлықтай танымал болды, себебі олар қымбат және мерзімдік толықтыруды қажет ететін криогенді сұйықтықтарды жояды. Криогендік салқындату жұмыс ортасының жылу шуын азайтатындықтан да тиімді. Жоғары температуралы суперөткіштерді қолдану арқылы салқындату талаптарын жеңілдетуге болады. Дегенмен, жоғары Tc суперөткіштерді пайдалану арқылы бүгінгі күнге дейін өте төмен күрделіліктегі RFSQ схемаларына ғана қол жеткізілді. SFQ-ға негізделген цифрлық технологиялар ~20 K – 25 K температурадан жоғарыда тәжірибеге жарамсыз болады деп есептеледі, өйткені температураның өсуімен EJ/kBT параметрінің төмендеуіне байланысты экспоненциалды түрде өсетін бит қателіктері (термиялық түрғысынан шақырылған түйісу коммутациясы) пайда болады, мұнда EJ = IcΦ0/2π – Джозефсон энергиясы. Статикалық қуаттың таралуы, логикалық операцияларды орындау үшін қажетті динамикалық қуаттан 10–100 есе артық болатын, кемшіліктерінің бірі еді. Алайда, RSFQ-ның ERSFQ нұсқасында статикалық қуатты таратудың көзі болып табылатын бейтарап резисторлардың орнына суперөткізгіш индукторлар мен Джозефсон түйіндерін пайдалану арқылы статикалық қуаттың таралуы жойылды.
Оқулар
Үстеме өткізгіштік технологияны бағалау, есептеу саласындағы RSFQ технологиясын зерттеу, NSA (2005).