Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Возможность использования микроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках для создания сверхбыстрой элементной базы вычислительной техники приатекала иссследователей начиная с открытия эффекта Джозефсона в начале, 60-х годов [1]. Эта возможность стала реальной после открытия надежной интегральной технологии изготоатения сверхпроводниковых структур с джозефсоновскими переходами тина ND/AI2O3/ND в середине 80-х годов [2]. Теоретически упомянутые структуры позволяют реализовать быстродействие порядка долей пикосекунды на элементарную логическую операцию при потреблении энергии на два-три порядка меньше достижимого полупроводниковыми устройствами.
Исторически наибольшее внимание исследователей уделялось структурам, использующим джозефсоновские переходы с малой диссипацией, и, соответственно, с гистерезисной вольт-амперной характеристикой. Двоичная информация в таких структурах представляется в потенциальном виде - сверхпроводящее состояние джозефсоновского перехода кодирует логический ноль, в то время как резистивное состояние кодирует логическую единицу. Усилия, направленные на развитие такого подхода, привели к созданию ряда устройств, обладающих рекордными характеристиками. Так, в частности, японскими учеными был продемонстрирован работающий прототип сверхпроводникового микропроцессора, содержащий 3056 логических элементов (около 15000 джозефсоновских переходов), с тактовой частотой 1.1 ГГц и энергопотреблением 6.1 мВт [3]. Впечатляющим примером систем с меньшей степенью интеграции является созданный в США 6-битный сверхпроводниковый аналогово-цифровой преобразователь с полосой 14 ГГц [4]. К основным недостаткам структур с гистерезисными джозефсоновскими переходами следует отнести необходимость многофазного переменного питания и эффект динамического пробоя. Эти факторы ограничивают максимальное быстродействие таких систем единицами гигагерц и не позволяют реализовать полностью потенциальное быстродействие джозефсоновских переходов.
Структуры на джозефсоновских переходах с большой диссипацией и, как следствие, с безгистерезисной вольт-амперной характеристикой, использующие одиночные кванты магнитного
потока в качестве носителей логической информации, являются альтернативным подходом к цифровой сверхпроводниковон электронике. Предельное быстродействие таких систем определяется характерным напряжением Vc используемых джозефсоновских переходов и для субмикронной ниобиевой технологии приближается к одному терагерцу.
Принцип представления логической информации,
использующий одиночные кванты магнитного потока, и полная система логических элементов, получившая название Быстрая ОдноКвантовая (БОК) логика, основанная на этом принципе, были предложенны в 1985 году сотрудниками лаборатории криоэлектроники МГУ [5]. К моменту начала настоящей диссертационной работы, данное направление получило ряд экспериментальных подтверждений [6], однако работоспособность многих логических элементов не была подтверждена экспериментально, отсутствовали надежные методы расчета и оптимизации элементов, структура многих элементов не являлась оптимальной.
Цель работы.
Целями диссертационной работы являлись:
разработка методов анализа и оптимизации логических элементов на одиночных квантах магнитного потока и создание соответствующего програмного обеспечения;
теоретический анализ и оптимизация известных, а также "разработка новых логических элементов на одиночных квантах
магнитного потока;— ^^
- экспериментальное исследстан]йе~одакжвалтовых элементов;
- исследование некоторых вопросов ігріїкттгчеекоіі.
применимости систем на одноквантовых элементах, в частности:
(а) использование сверхпроводниковых микрополосковых
линий для передачи одноквантовых импульсов на большие,
порядка 1 см, расстояния между БОК элементами,
(б) согласование одноквантовых структур с устройствами
полупроводниковой электроники,
(в) определение-вероятности редких сбоев в системах на БОК
элементах.
Научная новизна.
-
Разработана методика формального описания динамики одиночных квантов магнитного потока. Впервые разработана методика оптимизации параметров одноквантовых элементов.
-
Предложены следующие новые одноквантовые логические элементы: исключающее ИЛИ с инвертированным выходом, асимметричные RS и Т триггеры, ячейка памяти с неразрушающим считыванием, D триггер с комплиментарными выходами, одноразрядный демультиплексор.
-
Предложен новый класс одноквантовых элементов, в основе которого лежит применение (RS)2 ,TRS, Т^ би-триггеров. Показано, как на основе указаных би-триггеров можно создзть элементы: ячейка памяти с неразрушающим считыванием, одноразрядный мультиплексор, D триггер с комплиментарными выходами, ТІ триггер.
-
Произведена оптимизация допусков параметров известных ранее, а также предложенных в диссертационной работе элементов. Типичные допуски на критические токи джозефсоновских переходов оптимизированных элементов превышают 30%, допуски на индуктивности лежат в диапазоне 40-60%, допуски на токи питания составляют 20-35%.
-
Проведено экспериментальное исследование работы одноквантовых элементов на низких (единицы килогерц) частотах. Все изученные элементы (инвертор, асимметричный Т триггер, ячейка памяти с неразрушающим считыванием, D триггер с комплиментарными выходами, одноразрядный демультиплексор, Т^ триггер) продемонстрировали полную работоспособность с допусками на токи питания в диапазоне 15-30%.
-
Найдены условия идеального согласования джозефсоновской линии передачи со сверхпроводниковой микрополосковои линией передачи без отражений. Экспериментально продемонстрирована возможность пересылки одноквантовых импульсов на расстояния 0.1, 0.5 и, 1 см по микрополосковои линии между одноквантовыми логическими элементами.
-
Проведен эксперимент по определению вероятности редких сбоев в кольцевой схеме на основе БОК. инвертора. В центре области
работоспособности при температуре 4.2 К и минимальном экранировании получена верхняя граница вероятности сбоев, равная 310" 15 на одну логическую операцию.
Практаческая ценность.
Разработанный в диссертационной работе комплекс программ моделирования динамики сверхпроводниковых устройств с джозефсоновскими переходами PSCAN широко испольтуется более чем в 15 университетах, государственных научных организациях и частных компаниях России, Европы и США.
Предложенные в диссертационной работе элементы на основе би-триггеров в настоящее время используются специалистами Института Радиотехники и Электроники РАН, Университета штага Нью-Йорк (США) и фирмы Hypres, Inc. (США) для разработки сверхбыстрых одноквантовых аналогово-цнфровы.х преобразователей.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
-
Applied Superconductivity Coaference'9Q, Snowmass, USA, 1990.
-
Intemat. Supercinductor Electronics Conference'91, Glasgow, UK, 1991.
-
Applied Superconductivity Conference'92, Chicago, USA, 1992.
Публикации.
По теме диссертацтГЬпуб^гаксшано-Хліечатньк работ, из них 4
находятся в печати. ~~ —
Похожие диссертации на Теоретическое и экспериментальное исследование пикосекундных процессов в структурах с джозефсоновскими переходами
