Быстрый однопоточный квант

Тип цифрового электронного устройства

В электронике быстрый квантовый однопоточный ( 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 форме 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, которая не использует резисторы смещения и т. д. Переходы Джозефсона являются активными элементами для электроники RSFQ, так же как транзисторы являются активными элементами для полупроводниковой электроники. RSFQ — это классическая цифровая, а не квантовая вычислительная технология.

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

• Сверхпроводящие устройства требуют криогенных температур.
• Пикосекундные 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 передаются по сверхпроводящим линиям передачи , которые имеют очень малую и обычно пренебрежимо малую дисперсию, если ни один спектральный компонент импульса не превышает частоту энергетической щели сверхпроводника.
• В случае импульсов SFQ длительностью 1 пс возможна тактовая частота схем на частотах порядка 100 ГГц (один импульс каждые 10 пикосекунд).

Импульс SFQ возникает, когда магнитный поток через сверхпроводящий контур, содержащий переход Джозефсона, 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  Вб = 2,07 мВ⋅пс = 2,07 мА⋅пН из-за квантования магнитного потока , фундаментального свойства сверхпроводников. В зависимости от параметров переходов Джозефсона импульсы могут быть такими узкими, как 1  пс с амплитудой около 2 мВ, или 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 — это произведение критического тока перехода, I _c , и демпфирующего резистора перехода, R _n . Для технологии переходов на основе Nb I _c R _n составляет порядка 1 мВ.

Преимущества

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

Недостатки

• Требует криогенного охлаждения. Традиционно это достигалось с помощью криогенных жидкостей, таких как жидкий азот и жидкий гелий . В последнее время криокулеры замкнутого цикла, например, рефрижераторы с импульсными трубками, приобрели значительную популярность, поскольку они исключают криогенные жидкости, которые являются дорогостоящими и требуют периодической заправки. Криогенное охлаждение также является преимуществом, поскольку оно снижает тепловой шум рабочей среды .
• Требования к охлаждению могут быть смягчены за счет использования высокотемпературных сверхпроводников . Однако на сегодняшний день с использованием высокотемпературных _{сверхпроводников} были достигнуты только схемы RFSQ очень низкой сложности . Считается, что цифровые технологии на основе SFQ становятся непрактичными при температурах выше ~ 20 K – 25 K из-за экспоненциально растущих частот ошибок битов (термически индуцированное переключение переходов), вызванных 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 статическое рассеивание мощности, которое обычно в 10–100 раз больше динамической мощности, необходимой для выполнения логических операций. Однако статическое рассеивание мощности было устранено в версии RSFQ ERSFQ с помощью использования сверхпроводящих индукторов и переходов Джозефсона вместо резисторов смещения, источника статического рассеивания мощности.

Приложения

• Оптические и другие высокоскоростные сетевые коммутационные устройства
• Цифровая обработка сигналов , вплоть до сигналов X-диапазона и выше
• Сверхбыстрые маршрутизаторы
• Программно-определяемое радио (SDR)
• Высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи
• Высокопроизводительные криогенные компьютеры ^{[1] [2]}
• Схемы управления для сверхпроводящих кубитов и квантовых схем

Смотрите также

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

Ссылки

1. Ерошева, Лилия Витальевна; Питер М. Когге (апрель 2001 г.). "High-Level Prototyping for the HTMT Petaflop Machine (2001)". Department of Computer Science and EngineeringNotre Dame, Indiana. CiteSeerX  10.1.1.23.4753 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
2. Буник, Пол, Михаил Дорожевец, К. Лихарев и Дмитрий Зиновьев. «Подсистема RSFQ для вычислений HTMT petaFLOPS». Stony Brook HTMT Technical Report 3 (1997).

Чтения

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

Внешние ссылки

• Введение в основы и ссылки на дополнительную информацию в Университете штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук .
• К. К. Лихарев и В. К. Семенов, Семейство логики/памяти RSFQ: новая технология перехода Джозефсона для цифровых систем с субтерагерцовой тактовой частотой. IEEE Trans. Appl. Supercond. 1 (1991), 3. doi:10.1109/77.80745
• AH Worsham, JX Przybysz, J. Kang и DL Miller, « Квантовый перекрестный переключатель и демультиплексор с одним потоком », IEEE Trans. on Appl. Supercond., т. 5, стр. 2996–2999, июнь 1995 г.
• Исследование осуществимости неблокируемых цифровых коммутаторов с собственной маршрутизацией на основе RSFQ (1996)
• Проблемы проектирования сверхбыстрой сверхмаломощной сверхпроводниковой коммутационной матрицы Batcher-Banyan на основе семейства логики/памяти RSFQ (1997)
• Схема распределения тактовых импульсов для больших схем RSFQ (1995)
• Цифровые схемы Джозефсона-Джанкшена – Проблемы и возможности (Фельдман, 1998) Архивировано 23 сентября 2015 г. на Wayback Machine
• Сверхпроводниковые ИС: второе поколение 100 ГГц // IEEE Spectrum, 2000