Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из RSFQ )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В электронике , быстрый одиночный квант потока ( RSFQ ) представляет собой цифровое электронное устройство , которое использует сверхпроводящие устройства, а именно Джозефсон , 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, как и транзисторы.являются активными элементами полупроводниковой электроники. RSFQ - это классическая цифровая технология, а не технология квантовых вычислений .

RSFQ сильно отличается от технологии транзисторов CMOS, используемых в обычных компьютерах:

  • Для сверхпроводящих устройств требуются криогенные температуры.
  • пикосекундная -Длительность SFQ напряжения импульсов производится Джозефсона , используются для кодирования, процесса, и транспортной цифровой информации вместо уровней напряжения , производимых транзисторов в полупроводниковой электронике.
  • Импульсы напряжения SFQ проходят по сверхпроводящим линиям передачи, которые имеют очень небольшую и обычно незначительную 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 область ʃ V ( t ) dt = Φ 0 ≈2,07 × 10 -15  Вт = 2,07 мВ⋅с = 2,07 мА⋅пГ из-за квантования магнитного потока , фундаментального свойства сверхпроводников. В зависимости от параметров джозефсоновских переходов импульсы могут быть узкими, от 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 - произведение критического тока перехода, I c , и демпфирующего резистора перехода, R n.. Для технологии перехода на основе ниобия I c R n составляет порядка 1 мВ.

Преимущества [ править ]

  • Совместимость со схемами CMOS, микроволновыми и инфракрасными технологиями
  • Чрезвычайно быстрая рабочая частота: от нескольких десятков гигагерц до сотен гигагерц
  • Низкое энергопотребление : примерно в 100000 раз ниже, чем у полупроводниковых КМОП- схем, без учета охлаждения.
  • Существующая технология производства микросхем может быть адаптирована для изготовления схем RSFQ.
  • Хорошая устойчивость к производственным изменениям
  • Схема RSFQ по сути является самосинхронизирующейся , что делает асинхронные конструкции гораздо более практичными.

Недостатки [ править ]

  • Требуется криогенное охлаждение. Традиционно это достигалось с использованием криогенных жидкостей, таких как жидкий азот и жидкий гелий . В последнее время значительную популярность приобрели криохладители замкнутого цикла, например холодильники с пульсирующими трубками , поскольку они исключают криогенные жидкости, которые являются дорогостоящими и требуют периодической перезаправки. Криогенное охлаждение также является преимуществом, поскольку оно снижает тепловой шум в рабочей среде .
  • Требования к охлаждению можно снизить за счет использования высокотемпературных сверхпроводников . Тем не менее, только RFSQ схема очень низкие сложности были достигнута до настоящего времени с помощью высокого Т гр сверхпроводников. 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 / k B T с увеличением температуры. T , где E J = I c Φ 0 / 2π - энергия Джозефсона .
  • Статическое рассеяние мощности, которое обычно в 10–100 раз превышает динамическую мощность, необходимую для выполнения логических операций, было одним из недостатков. 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 представляет собой прорывную технологию , еще предстоит разработать специальные образовательные программы и конкретное коммерческое программное обеспечение.

Приложения [ править ]

  • Оптические и другие высокоскоростные сетевые коммутационные устройства
  • Цифровая обработка сигналов , вплоть до сигналов X-диапазона и выше
  • Сверхбыстрые роутеры
  • Программно-определяемая радиосвязь (SDR)
  • Высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи
  • Высокопроизводительные криогенные компьютеры [1] [2]
  • Схема управления сверхпроводящими кубитами и квантовыми схемами

См. Также [ править ]

  • Сверхпроводящая логика включает в себя более новые семейства логических схем с лучшей энергоэффективностью, чем RSFQ.
  • Квантовый параметрон потока , родственная технология цифровой логики.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Yerosheva, Лилия Витальевна; Питер М. Когге (апрель 2001 г.). "Высокоуровневое прототипирование машины HTMT Petaflop (2001)". Департамент компьютерных наук и инженерии, Нотр-Дам, штат Индиана. CiteSeerX  10.1.1.23.4753 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  2. ^ Bunyk, Павел, Михаил Dorojevets, К. Лихарев, и Дмитрий Зиновьев. «Подсистема RSFQ для вычислений HTMT petaFLOPS». Технический отчет Stony Brook HTMT 3 (1997).

Чтения [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

  • Введение в основы и ссылки на дополнительную информацию в Государственном университете Нью-Йорка в Стоуни-Брук .
  • К.К. Лихарев и В.К. Семенов, Семейство логики / памяти RSFQ: новая технология джозефсоновских переходов для цифровых систем с тактовой частотой субтерагерцового диапазона. IEEE Trans. Прил. Сверхсекунда. 1 (1991), 3. DOI: 10.1109 / 77.80745
  • AH Worsham, JX Przybysz, J. Kang и DL Miller, " Квантовый поперечный переключатель и демультиплексор с одним потоком ", IEEE Trans. по заявл. Supercond., Т. 5. С. 2996–2999, июнь 1995 г.
  • Технико-экономическое обоснование самомаршрутизирующихся неблокирующих цифровых коммутаторов на основе RSFQ (1996 г.)
  • Проблемы проектирования в сверхбыстрой сверхпроводящей сверхмалой мощности Batcher-Banyan Switching Fabric на основе RSFQ Logic / Memory Family (1997)
  • Схема распределения часов для больших схем RSFQ (1995)
  • Цифровые схемы Джозефсона - проблемы и возможности (Фельдман, 1998 г.)
  • Сверхпроводниковые ИС: второе поколение 100 ГГц // IEEE Spectrum, 2000