Быстрая одноквантовая логика

Генератор и формирователь тактовых БОК импульсов

На рис. 2.6.а показана принципиальная схема генерирования последовательности тактовых ОК импульсов напряжения, необходимых для работы БОК логики. Схема представляет собой сквид, через который пропускают постоянный ток смещения. Этот ток и параметры элементов подобраны так, что через ПД3 течет ток, немного меньший критического. Кроме того, на сквид извне подают переменный ток синхронизации, который задает частоту и фазу последовательности тактовых импульсов.

Временная зависимость суммарного входного тока синхронизации IC показана на рис. рис. 2.6.б вверху. В момент, когда ток синхронизации при нарастании превышает пороговое значение , ток через ПД3 превышает критическое значение, и ПД3 кратковременно выходит из состояния сверхпроводимости. На выходе формируется пикосекундный ОК импульс напряжения. А в контуре сквида (L3–ПД2–ПД3) направление циркуляции сверхпроводящего тока изменяется на противоположное. При этом ток через ПД1 и ПД2 возрастает выше критического, так как циркулирующий в контуре ток прибавляется к . И на определенное время эти переходы выходят из сверхпроводящего состояния.

Потом ток синхронизации IC начинает уменьшаться, и в момент , когда он становится меньше порогового значения , ток через ПД1 и ПД2 становится меньше критического, и эти переходы возвращаются в сверхпроводящее состояние. Это приводит к изменению направления циркуляции тока в сквиде, который возвращается в исходное состояние. В следующем периоде, когда ток синхронизации опять начинает возрастать, все повторяется.

Ток синхронизации не обязательно должен быть синусоидальным, он может иметь любую другую форму, главное, чтобы он при уменьшении и при последующем возрастании периодически проходил через пороговое значение .

Когда тактовые ОК импульсы напряжения передаются вдоль относительно длинных сверхпроводящих шин, они постепенно "размываются" – становятся ниже и заметно растягиваются во времени. (Напомним, что речь идет о пикосекундных импульсах). Чтобы восстановить их форму, используется формирователь импульсов, показанный на рис. 2.6,в. Ток смещения здесь лишь немного меньше, чем критический ток. Поэтому, когда поступает даже "размытый" тактовый импульс, ток через переход Джозефсона ПД почти сразу превышает критический, и на выходе формируется короткий ("острый") одноквантовый импульс напряжения нужной формы. После этого ПД снова возвращается в сверхпроводящее состояние.

Преимущества наноэлектронной элементной базы БОК логики

Время задержки сигналов в БОК схемах не превышает , где

– критический ток перехода Джозефсона, – его емкость, которая пропорциональна площади контакта. Значение для обеспечения флуктуационной стабильности при температуре порядка 4,2 К выбирают на уровне 100 мкА и выше.

Наиболее употребительная технология с использованием ниобия при размерах ПД порядка 3 х 3 мкм² обеспечивает значение пс. БОК логические схемы могут работать в этом случае с тактовой частотой порядка 100 ГГц. С уменьшением размеров ПД время задержки быстро уменьшается и при размерах порядка 200 х 200 нм² достигает насыщения

где – постоянная Планка, – полуширина "запрещенной зоны" (энергетической "щели") куперовской пары электронов. Для сверхпроводника из ниобия пс. При использовании сверхпроводников с более широкой запрещенной зоной куперовских пар электронов удается уменьшить даже до 0,1 пс.

Поэтому при использовании наноразмерных переходов Джозефсона БОК логические схемы могут работать с тактовой частотой порядка 700 ГГц и даже свыше 1 ТГц.

Вдобавок, как оказалось, наноразмерные ПД (размерами меньше, чем 300х300 нм²) уже не нуждаются во внешнем шунтировании. Их собственное сопротивление является уже достаточным для демпфирования. А это заметно уменьшает площадь, требуемую для размещения логических схем, содействует повышению поверхностной плотности их интеграции и упрощает технологию изготовления.

Рассеяние энергии в БОК логических схемах определяется не диссипацией энергии внутри ПД (обычно она меньше, чем 10^-18 Дж), а диссипацией энергии на резисторах, через которые подается ток смещения. Эти потери энергии оцениваются величиной порядка 1 мкВт на одну логическую схему. Поэтому рассеяние тепла в большой интегральной БОК схеме, состоящей даже из 10⁵ логических вентилей не превышает 100 мВт.

Технологические допуски на параметры элементов БОК логики довольно широки. Наиболее жестким требованием является обеспечение заданного значения критического тока через ПД с точностью порядка . Для других параметров допуски составляют , что позволяет достигать высокого выхода при изготовлении даже очень сложных логических схем. Таких, например, как процессоры для выполнения сверхбыстрых арифметических действий над многоразрядными числами с плавающей запятой (порядка 30 млрд. операций/с) или сверхбыстрые блоки оперативной памяти (частота записи и считывания порядка 100 Гбайт/с).

С использованием БОК логики уже реализованы также:

• высокоточные сверхбыстродействующие аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (свыше 10¹³ преобразований в секунду),
• сверхскоростные телекоммуникационные коммутаторы,
• многоканальные БОК магнитометры для магнитной томографии мозга человека (фирма Conductus, США),
• 16-канальный автокоррелятор и другие важные сверхскоростные устройства.

У БОК устройств с низким энергопотреблением, как и у всех устройств на основе сверхпроводимости, есть лишь один недостаток, – они работают только при криогенных температурах. И во многих случаях на это идут.