Введение
Тип цифрового электронного устройства
В электронике, быстрое одиночное квантовое потоковое устройство (RSFQ) – это цифровое электронное устройство, использующее сверхпроводящие устройства, а именно джозефсоновские переходы, для обработки цифровых сигналов. В логике RSFQ информация хранится в виде квантов магнитного потока и передается в виде импульсов напряжения одиночного квантового потока (SFQ). RSFQ является одним из семейств сверхпроводящей или SFQ логики. К другим относятся реципрокная квантовая логика (RQL), ERSFQ – энергоэффективная версия RSFQ, не использующая балластные резисторы, и т.д. Джозефсоновские переходы являются активными элементами в RSFQ электронике, подобно тому, как транзисторы являются активными элементами в полупроводниковой электронике. RSFQ – это классическая цифровая, а не квантовая технология вычислений. RSFQ существенно отличается от CMOS транзисторной технологии, используемой в обычных компьютерах: сверхпроводящие устройства требуют криогенных температур. Пикосекундные импульсы напряжения SFQ, генерируемые джозефсоновскими переходами, используются для кодирования, обработки и передачи цифровой информации вместо уровней напряжения, создаваемых транзисторами в полупроводниковой электронике. Импульсы напряжения SFQ распространяются по сверхпроводящим линиям передачи, которые обладают очень малой, и обычно пренебрежимо малой, дисперсией, если ни одна спектральная составляющая импульса не превышает частоту энергетической щели сверхпроводника. В случае импульсов SFQ длительностью 1 пс, возможно тактирование схем на частотах порядка 100 ГГц (один импульс каждые 10 пикосекунд). Импульс SFQ возникает при изменении магнитного потока через сверхпроводящий контур, содержащий джозефсоновский переход, на один квант потока, Φ0, в результате переключения перехода. Импульсы SFQ имеют квантованную площадь ʃV(t)dt = Φ0 ≈ 2,07 = 2,07 мВ⋅пс = 2,07 мА⋅pH из-за квантования магнитного потока – фундаментального свойства сверхпроводников. В зависимости от параметров джозефсоновских переходов, импульсы могут быть узкими, как 1 пс, с амплитудой около 2 мВ, или более широкими (например, 5–10 пс) с соответствующим уменьшением амплитуды. Типичное значение амплитуды импульса составляет приблизительно 2IcRn, где IcRn – произведение критического тока перехода, Ic, и демпфирующего резистора перехода, Rn. Для технологии переходов на основе ниобия (Nb) IcRn составляет порядка 1 мВ.
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.
Недостатки
Требуется криогенное охлаждение. Традиционно это достигалось с использованием 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 использование криогенных жидкостей, которые являются дорогостоящими и требуют периодической дозаправки. Криогенное охлаждение также является преимуществом, поскольку оно снижает тепловой шум рабочей среды. Требования к охлаждению можно ослабить, используя высокотемпературные сверхпроводники. Однако на сегодняшний день с использованием высокотемпературных сверхпроводников (высоко Tc) удалось реализовать только RFSQ-схемы очень низкой сложности. Считается, что цифровые технологии на основе SFQ становятся непрактичными при температурах выше ~20–25 K из-за экспоненциального увеличения частоты ошибок битов (термически индуцированное переключение переходов), вызванного уменьшением параметра EJ/kBT с ростом температуры T, где EJ = IcΦ0/2π – энергия Джозефсона. Одним из недостатков было статическое рассеяние мощности, которое обычно в 10–100 раз превышает динамическую мощность, необходимую для выполнения логических операций. Однако в ERSFQ-версии RSFQ статическое рассеяние мощности было устранено за счет использования сверхпроводящих индуктивностей и переходов Джозефсона вместо резисторов смещения, являющихся источником статического рассеяния мощности.
Читания
Оценка сверхпроводящих технологий, исследование RSFQ для применения в вычислительной технике, АНБ (2005).