Быстрая одноквантовая логика

Основные положения лекции 14

С использованием переходов Джозефсона (ПД) предложено много вариантов логических элементов, с помощью которых можно организовать быстрые компьютерные вычисления. Одним из интереснейших вариантов является быстрая одноквантовая логика (БОК логика). В ней используют шунтированные переходы Джозефсона (ШПД), в которых параллельно ПД включен шунт, например, в виде пленки из не сверхпроводящего металла. ШПД переключается очень быстро – за единицы пикосекунд, а при наноразмерах – даже за доли пикосекунды.

Квантовые свойства ШПД приводят к тому, что при его переключении на выходе появляются стандартные пикосекундные импульсы напряжения в том смысле, что мВ*пс. Их принято называть ОК импульсами – одноквантовыми импульсами напряжения. Они оказались достаточными для переключения последующих звеньев в логической сети обработки цифровой информации.

Эта обработка в БОК схемах базируется на следующих принципах: (а) используются ОК тактовые импульсы, которые делят все время работы схем на такты; (б) появление на входе или выходе схемы одноквантового импульса рассматривается как логическая "1", а отсутствие импульса – как логический "0"; (в) одноквантовый импульс, который появляется на выходе схемы в начале следующего такта, является логической функцией от ОК импульсов, действовавших на входах схемы в предыдущем такте.

Базовым "кирпичиком" БОК логики является "D-элемент", который состоит из сверхпроводящего контура с двумя ШПД и еще двух ШПД, последовательно подключенных ко входу тактового и ко входу сигнального импульсов соответственно. С использованием "D-элементов" и дополнительных ШПД построены логические схемы дизъюнкции и конъюнкции, инвертор, триггеры, и т.п.

Генератор тактовых ОК импульсов строится на трех ШПД, частота генерации задается внешним источником переменного тока, который при уменьшении и следующем нарастании периодически проходит через пороговое значение тока.

Когда ОК тактовые импульсы напряжения передаются вдоль относительно длинных сверхпроводящих шин, они постепенно "размываются". Чтобы восстановить их форму, используется формирователь импульсов, построенный на одном ШПД и превращающий входной "размытый" импульс в короткий ("острый") одноквантовый импульс напряжения.

При микронных размерах время задержки сигналов в БОК схемах составляло несколько пикосекунд и уменьшалось с уменьшением размеров ШПД. При размерах меньше 300 х 300 нм² время задержки достигает насыщения и зависит лишь от полуширины "запрещенной зоны" куперовской пары электронов. Для сверхпроводника из ниобия, например, время задержки составляет приблизительно 0,5 пс. При использовании сверхпроводников с более широкой "запрещенной зоной" его удается уменьшить даже до 0,1 пс. Тогда БОК логические схемы могут работать с тактовой частотой выше 1 ТГц. Оказалось, что наноразмерные ПД уже не нуждаются во внешнем шунтировании, так как их собственное электрическое сопротивление становится достаточным для демпфирования. Это уменьшает площадь, требуемую для размещения логических схем, содействует повышению поверхностной плотности их интеграции и упрощает технологию изготовления.

С использованием БОК логики реализованы процессоры для выполнения сверхбыстрых арифметических действий над многоразрядными числами с плавающей запятой (порядка 30 млрд. операций/с), сверхбыстрые блоки оперативной памяти (частота записи и считывания порядка 100 Гбайт/с), а также высокоточные сверхбыстродействующие цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (свыше 10¹³ преобразований в секунду), сверхскоростные телекоммуникационные коммутаторы, многоканальные БОК магнитометры для магнитной томографии мозга человека и другие важные сверхскоростные устройства.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Как реагирует переход Джозефсона на подачу кратковременного импульса напряжения?
2. Что такое "ШПД"? Для чего он предназначен?
3. Что означает "БОК триггер"? Начертите его схему и объясните, как он функционирует.
4. Что такое "ОК импульс"? В каком смысле он является "стандартным"?
5. Что такое "БОК логика"? Сформулируйте основные принципы кодирования и обработки информации в БОК схемах.
6. Как устроен D-элемент БОК логики? Начертите его схему и объясните, как он функционирует.
7. Как функционирует БОК инвертор? Начертите его схему и временную диаграмму его работы.
8. Как функционирует БОК схема дизъюнкции? Начертите эту схему и временную диаграмму ее работы.
9. Как функционирует БОК схема конъюнкции? Начертите эту схему и временную диаграмму ее работы.
10. Как функционирует генератор тактовых ОК импульсов? Начертите его схему и временную диаграмму его работы.
11. Для чего предназначен и как функционирует формирователь ОК импульсов? Начертите его схему и временную диаграмму его работы.
12. Какие приблизительно технические характеристики обеспечивает БОК логика? Как они улучшаются при переходе размеров сквидов в нанометровый диапазон?