Rychlý kvantový tok - Rapid single flux quantum

v elektronika, rychlý kvantový tok (RSFQ) je digitální elektronické zařízení, které používá supravodivé zařízení, jmenovitě Josephson křižovatky, ke zpracování digitálních signálů. V logice RSFQ jsou informace ukládány ve formě kvanta magnetického toku a přeneseny ve formě napěťových pulzů Single Flux Quantum (SFQ). RSFQ je jedna rodina supravodivá nebo SFQ logika. Mezi další patří Reciprocal Quantum Logic (RQL), ERSFQ - energeticky efektivní verze RSFQ, která nepoužívá zkreslení rezistory atd. Josephson Junction jsou aktivní prvky pro RSFQ elektroniku, stejně jako tranzistory jsou aktivní prvky pro polovodičovou elektroniku. RSFQ je klasický digitální, ne kvantové výpočty, technologie.

RSFQ se velmi liší od CMOS tranzistor technologie používaná v konvenčních počítačích:

  • Supravodivé zařízení vyžadují kryogenní teploty.
  • pikosekunda - doba trvání SFQ napěťových impulsů produkovaných Josephson křižovatky se používají k kódování, zpracování a přenosu digitálních informací namísto úrovní napětí produkovaných tranzistory v polovodičové elektronice.
  • Napěťové impulsy SFQ se pohybují po supravodivosti přenosové linky které mají velmi malou a obvykle zanedbatelnou disperzi, pokud žádná spektrální složka pulzu není nad frekvencí energetická mezera supravodiče.
  • V případě SFQ pulzů 1 ps je možné taktovat obvody na frekvencích řádově 100 GHz (jeden pulz každých 10 pikosekund).

Pulz SFQ se vytváří, když se magnetický tok přes supravodivou smyčku obsahující Josephsonovo spojení změní o jedno kvantové množství, Φ0 v důsledku přepnutí křižovatky. Impulzy SFQ mají kvantovanou oblast ʃPROTI(t)dt = Φ0 ≈ 2.07×10−15 Wb = 2,07 mV⋅ps = 2,07 mA⋅pH kvůli kvantování magnetického toku, základní vlastnost supravodičů. V závislosti na parametrech Josephsonových křižovatek mohou být impulsy tak úzké jako 1ps s amplitudou přibližně 2 mV nebo širší (např. 5–10ps ) s odpovídající nižší amplitudou. Typická hodnota amplitudy pulzu je přibližně 2JáCRn, kde JáCRn je produktem kritického proudu křižovatky, JáCa odpor tlumení spojení, Rn. Pro spojovací technologii založenou na Nb JáCRn je řádově 1 mV.

Výhody

  • Interoperabilní s obvody CMOS, mikrovlnná trouba a infračervená technologie
  • Extrémně rychlá pracovní frekvence: od několika desítek gigahertz až stovky gigahertz
  • Nízký spotřeba energie: přibližně 100 000krát nižší než CMOS polovodičové obvody, bez zohlednění chlazení
  • Ke výrobě obvodů RSFQ lze přizpůsobit stávající technologii výroby čipů
  • Dobrá tolerance k výrobním odchylkám
  • Obvody RSFQ jsou v podstatě vlastní časování, tvorba asynchronní návrhy mnohem praktičtější.

Nevýhody

  • Vyžaduje kryogenní chlazení. Toho bylo tradičně dosaženo použitím kryogenních kapalin, jako je tekutý dusík a tekuté hélium. Nověji kryochladiče s uzavřeným cyklem, např. pulzní trubkové chladničky si získaly značnou popularitu, protože vylučují kryogenní kapaliny, které jsou jednak nákladné, jednak vyžadují pravidelné doplňování. Kryogenní chlazení je také výhodou, protože snižuje pracovní prostředí tepelný hluk.
  • Požadavky na chlazení lze uvolnit použitím vysokoteplotní supravodiče. Dosud však bylo dosaženo pouze RFSQ obvodů s velmi nízkou složitostí pomocí vysoceTC supravodiče. Předpokládá se, že digitální technologie založené na SFQ se stanou nepraktickými při teplotách nad ~ 20 K - 25 K z důvodu exponenciálně rostoucí míry bitových chyb (tepelně indukované přepínání spojů) způsobené snižováním parametru EJ/kBT s rostoucí teplotou T, kde EJ = JáCΦ0/ 2π je Josephsonova energie.
  • Ztráta statického výkonu, která je obvykle 10–100krát větší než dynamický výkon potřebný k provádění logických operací, byla jednou z nevýhod. Ztrátový výkon statické elektřiny byl však ve verzi RSFQ ERSFQ eliminován použitím supravodivých induktorů a Josephsonových křižovatek namísto zkreslení rezistorů, zdroje ztrát statické energie.
  • Protože RSFQ je rušivá technologie, speciální vzdělávací tituly a konkrétní komerční software je třeba ještě vyvinout.

Aplikace

Viz také

Reference

  1. ^ Yerosheva, Lilia Vitalyevna; Peter M. Kogge (duben 2001). „Prototypování na vysoké úrovni pro stroj HTMT Petaflop (2001)“. Ústav výpočetní techniky a inženýrství Notre Dame, Indiana. CiteSeerX  10.1.1.23.4753. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  2. ^ Bunyk, Paul, Michail Dorojevets, K. Likharev a Dmitrij Zinovjev. "RSFQ subsystém pro výpočet HTMT petaFLOPS." Stony Brook HTMT Technical Report 3 (1997).

Čtení

externí odkazy