Быстрый квант одиночного потока

В электронике, квант быстрого одиночного потока (RSFQ ) - это цифровое электронное устройство, которое использует сверхпроводящие устройства, а именно переходы Джозефсона, для обработки цифровых сигналов. В логике RSFQ информация хранится в форме квантов магнитного потока и передается в виде импульсов напряжения Single Flux Quantum (SFQ). RSFQ - это одно из семейств сверхпроводящей 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, так же как транзисторы являются активными элементами для полупроводников. электроника. RSFQ - это классическая цифровая технология, а не квантовые вычисления.

RSFQ сильно отличается от технологии CMOS транзистора, используемой в обычных компьютерах:

• сверхпроводящие устройства требуют криогенных температур.
• пикосекундные -длительные импульсы напряжения SFQ, создаваемые джозефсоновскими переходами, используются для кодирования, обработки и передачи цифровой информации вместо уровней напряжения, создаваемых транзисторами в полупроводниковой электронике.
• Импульсы напряжения SFQ проходят по сверхпроводящим линиям передачи, которые имеют очень небольшую и обычно пренебрежимо малую дисперсию, если ни одна спектральная составляющая импульса не превышает частоту энергетической щели 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 сверхпроводящий контур, содержащий джозефсоновский переход, изменяется на один квант потока Φ 0 в результате переключения перехода. Импульсы SFQ имеют квантованную площадь ʃV (t) dt = Φ 0 ≈ 2,07 × 10 Втб = 2,07 мВ · с = 2,07 мА · ч из-за квантования магнитного потока, фундаментального свойства сверхпроводников. В зависимости от параметров джозефсоновских переходов, импульсы могут быть как узкими, чем 1 пс с амплитудой около 2 мВ, так и более широкими (например, 5–10 пс ) с соответственно меньшая амплитуда. Типичное значение амплитуды импульса составляет приблизительно 2I cRn, где I cRn- произведение критического тока перехода, I c, и резистора демпфирования перехода, R n <76.>. Для технологии перехода на основе ниобия I cRnсоставляет порядка 1 мВ.

Содержание

• 1 Преимущества
• 2 Недостатки
• 3 Приложения
• 4 См. Также
• 5 Ссылки
• 6 Показания
• 7 Внешние ссылки

Преимущества

• Совместимость с Схема CMOS, микроволновая печь и инфракрасная технология
• Чрезвычайно быстрая рабочая частота: от нескольких десятков гигагерц до сотен гигагерц
• Низкая потребляемая мощность : примерно в 100000 раз ниже, чем в CMOS полупроводниковых схемах, без учета охлаждения
• Существующая технология производства микросхем может быть адаптирована для изготовления схем RSFQ
• Хорошо устойчивость к производственным изменениям
• Схема RSFQ, по сути, самосинхронизация, что делает асинхронные конструкции гораздо более практичными.

Недостатки

• Требуется криогенный охлаждение. Традиционно это достигалось с использованием криогенных жидкостей, таких как жидкий азот и жидкий гелий. В последнее время криоохладители замкнутого цикла, например холодильники с пульсирующими трубками, приобрели значительную популярность, поскольку они исключают криогенные жидкости, которые являются дорогостоящими и требуют периодической перезаправки. Криогенное охлаждение также является преимуществом, поскольку оно снижает тепловой шум.
• рабочей среды. Требования к охлаждению можно снизить за счет использования высокотемпературных сверхпроводников. Однако до настоящего времени были созданы только схемы RFSQ очень низкой сложности с использованием сверхпроводников с высоким T c. Считается, что цифровые технологии на основе SFQ становятся непрактичными при температурах выше ~ 20 K - 25 K из-за экспоненциального увеличения количества ошибок по битам (термически индуцированное переключение перехода), вызванного уменьшением параметра E J/kBT с повышением температуры T, где E J = I cΦ0/ 2π - это энергия Джозефсона.
• . Рассеяние статической мощности, которое обычно в 10–100 раз превышает динамическую мощность, необходимую для выполнения логических операций, было одним из недостатки. 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 - это разрушительная технология, специальные образовательные степени и специальное коммерческое программное обеспечение еще предстоит разработать.

Приложения

• Оптические и другие устройства высокоскоростной коммутации сети
• Цифровая обработка сигналов, вплоть до сигналов X-диапазона и выше
• Сверхбыстрые маршрутизаторы
• Программно-конфигурируемая 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 схем с более высокой энергоэффективностью, чем RSFQ.
• Параметрон квантового потока, связанная технология цифровой логики.

Ссылки

Литература

• Оценка сверхпроводящих технологий, исследование RSFQ для c NSA (2005).

Внешние ссылки

• Введение в основы и ссылки на дополнительную информацию в Государственном университете Нью-Йорка в Стоуни-Брук.
• КК Лихарев, В. Семенов, Семейство логики / памяти RSFQ: новая технология джозефсоновского перехода для цифровых систем с тактовой частотой субтерагерцового диапазона. IEEE Trans. Appl. Сверхсекунда. 1 (1991), 3. doi: 10.1109 / 77.80745
• A. H. Worsham, J. X. Przybysz, J. Kang и D. L. Miller, "Квантовый поперечный переключатель с одним потоком и демультиплексор", IEEE Trans. по заявл. Supercond., Т. 5, pp. 2996–2999, июнь 1995.
• Технико-экономическое обоснование самомаршрутизируемых неблокируемых цифровых коммутаторов на основе RSFQ (1996)
• Проблемы проектирования сверхбыстрых сверхмалых сверхпроводников на базе коммутационной матрицы Batcher-Banyan в семействе логики / памяти RSFQ (1997)
• Схема распределения часов для больших схем RSFQ (1995)
• Цифровые схемы на переходе Джозефсона - проблемы и возможности (Feldman 1998)
• Сверхпроводниковые ИС: второе поколение 100 ГГц // IEEE Spectrum, 2000