Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1986/A19860127Elc006.shtml

Структура логических ИС на переходах Джозефсона, снижающая энергопотребление

Новая структура криотронных логических ИС, использующих эффект Джозефсона, возможно, позволит уменьшить потребляемую мощность примерно в 1000 раз по сравнению с обычными приборами на переходах Джозефсона, При этом скорость переключения будет немногим менее 1 пс — минимального времени переключения, характерного для ИС данного типа, Новый прибор, получивший наименование «параметром с квантовым магнитным потоком» (quantum flux parametron — QFP), состоит из двух переходов Джозефсона и нескольких миниатюрных катушек индуктивности, работающих при сверхнизкой температуре, равной 4,2 К.

Название «параметрон с квантовым потоком» отражает тот факт, что магнитный поток в сверхохлажденных катушках индуктивности должен быть кратным определенному кванту, величина которого равна 2,07*10-15 Вб1{В оригинале 2,07-15, что, по всей видимости, неверно, — Прим. перев.}. Новая структура ИС была предложена группой сотрудников лаборатории информатики Института физических и химических исследований (Riken), финансируемого Управлением по науке и технике. Группу эту возглавляет ведущий научный сотрудник Эйити Гото. Прибор QFP представляет собой одну из разновидностей параметро-на — логического прибора, изобретенного Гото в начале 1960гг., когда он был студентом-дипломником Токийского университета. В то время прибор получил широкую известность в Японии. Однако позднее параметрон, имевший первоначально предложенную структуру, вышел из моды, так как он обладал слишком малым быстродействием и его не удавалось приспособить для интегрального использования. В то же время приборы QFP можно изготавливать только с помощью технологии СБИС, и в перспективе они могут оказаться самыми быстродействующими из существующих приборов.

Как и первоначально изобретенный параметрон, прибор QFP (рис.1) имеет структуру с двумя внешними выводами. Для его возбуждения используется синусоидальный тактовый сигнал. Трехфазный тактовый сигнал обеспечивает однонаправленное действие: логический сигнал движется в направлении затвора, на котором фаза тактового сигнала отстает на 120°. Этот метод уже использовался на протяжении ряда лет для изготовления различных двухвыводных логических приборов, таких как спаренный туннельный диод и логические схемы на парах Гото.

В схеме мажоритарной логики параметрона с квантовым потоком (QFP) преобладающий сигнал от трех входов используется для кратковременного переключения п
Рис.1 В схеме мажоритарной логики параметрона с квантовым потоком (QFP) преобладающий сигнал от трех входов используется для кратковременного переключения перехода Джозефсона.

Как и в случае обычного параметрона, на входы прибора QFP подается нечетное число входных сигналов, и выходной сигнал вентиля определяется по мажоритарному принципу. Тактовый возбуждающий сигнал прикладывается к каждому вентилю через катушки возбуждения, которые наводят ток в контуре, включающем в себя два перехода Джозефсона.

Мажоритарный сигнал, поступающий от входного контакта прибора, делится поровну между двумя переходами Джозефсона и складывается с током возбуждения в одной из двух ветвей контура. Величина этого добавочного тока достаточно велика, для того чтобы на мгновение вывести переход Джозефсона из его сверхпроводящего состояния. Это вызывает перенос кванта магнитного потока в контур, который включает в себя переход Джозефсона и нагрузочную катушку индуктивности, так что импульс прикладывается к нагрузочной катушке. Выходной ток с помощью взаимной индукции связывается со следующим логическим каскадом.

Мощность, потребляемая структурой QFP в рабочем состоянии, чрезвычайно мала, поскольку вся необходимая энергия — это то, что требуется для переноса одного кванта энергии магнитного потока за время переключения. По той же причине переключение происходит с весьма высокой скоростью. В обычных приборах с переходами Джозефсона напряжение должно предварительно снизиться от нескольких милливольт до нуля, а колебательный процесс не позволяет уменьшить времена переключения до величины менее 1 пс.

Переходы Джозефсона в структурах QFP изготовляются по обычной технологии с использованием многослойных переходов, выполненных из свинца и нитрида ниобия, причем минимальная ширина проводящих линий составляет 5 мкм. Высокое быстродействие новых структур нашло свое подтверждение в схеме деления частоты на 2, работавшей с частотой на входе 1,8 ГГц. Это соответствует скважности импульсов, равной примерно 50 пс. При проведении измерений имели место ограничения, связанные с возможностями измерительного оборудования, а не с самими контролируемыми приборами. Результаты моделирования этих приборов показывают, что при изготовлении приборов на основе переходов Джозефсона с включением по мостовой схеме, имеющих гораздо меньшую емкость, чем многослойные переходы, при минимальном размере элементов около 1 мкм могут быть получены времена переключения импульсов порядка 1 пс.

Структуры QFP отличаются от других приборов тем, что между входом и выходом у них реализована не непосредственная, а индуктивная связь. Индуктивная связь между слоями должна облегчить создание трехмерных схем, а это позволит в перспективе создать компьютер, занимающий объем всего лишь около 1 дм3.

Полярность сигнала на выходе прибора QFP определяется преобладающей полярностью сигналов на входе. Энергия от тактового сигнала позволяет обеспечить в одном вентиле усиление около 20 дБ, что вполне достаточно для обеспечения требующейся на практике нагрузочной способности по выходам. В экспериментальной модели кольцевого счетчика, работающего с делением на 2, перемена полярности связи от выходной катушки одного из каскадов обеспечивает реализацию функции НЕ; при этом имеет место пропуск каждого второго импульса, тем самым осуществляется деление на 2 тактовой частоты, равной 1,8 ГГц.

Ту же самую базовую схему можно скоммутировать для реализации триггера с целью ее применения в регистрах, однако в данный момент разрабатывается упрощенная схема памяти, аналогичная ячейке динамического ЗУПВ. В схеме памяти на структурах для хранения энергии используются катушка индуктивности и переход Джозефсона (вместо конденсатора, применяемого в полупроводниковых динамических ЗУПВ).

Экспериментальное изготовление указанных приборов и проверка их функционирования осуществлялись совместно институтом Riken и центральной исследовательской лабораторией фирмы Hitachi Ltd. (Токио). Фирма Hitachi использовала при этом технологию изготовления переходов Джозефсона, которую она разрабатывает в рамках рассчитанного на девятилетний срок проекта общей стоимостью 115 млн. долл., нацеленного на разработку быстродействующего компьютера для научных и технических приложений.

Данный проект, финансируемый Управлением промышленной науки и техники, входящим в состав министерства внешней торговли и промышленности, призван обеспечить создание суперкомпьютера на приборах, изготовленных без использования кремния [No.4, pp.20,21].

Чарлз Л. Коэн

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 59, No.02 (735), 1986г - пер. с англ. М.: Мир, 1986, стр.10

Electronics Vol.59 No.03 January 20, 1986 A McGraw-Hill Publication

Electronics Vol.59 No.04 January 27, 1986 A McGraw-Hill Publication

Раздел: ОБОЗРЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Тема:     Интегральные схемы




<<< Пред. Оглавление
Начало раздела
След. >>>

Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1986/A19860127Elc006.shtml