Snabbt enkelflödeskvantum

Inom elektronik är rapid single flux quantum ( RSFQ ) en digital elektronisk enhet som använder supraledande enheter, nämligen Josephson junctions , för att bearbeta digitala signaler. I RSFQ-logik lagras information i form av magnetiska flödeskvantor och överförs i form av Single Flux Quantum (SFQ) spänningspulser. RSFQ är en familj av supraledande eller SFQ-logik . Andra inkluderar Reciprocal Quantum Logic (RQL), ERSFQ – energieffektiv RSFQ-version som inte använder förspänningsmotstånd, etc. Josephson-övergångar är de aktiva elementen för RSFQ-elektronik, precis som transistorer är de aktiva elementen för halvledarelektronik. RSFQ är en klassisk digital, inte kvantberäkningsteknik .

RSFQ skiljer sig mycket från CMOS - transistorteknologin som används i konventionella datorer:

• Supraledande enheter kräver kryogena temperaturer.
• pikosekund -varaktighet SFQ-spänningspulser som produceras av Josephson-övergångar används för att koda, bearbeta och transportera digital information istället för de spänningsnivåer som produceras av transistorer i halvledarelektronik.
• SFQ-spänningspulser färdas på supraledande transmissionsledningar som har mycket liten, och vanligtvis försumbar, spridning om ingen spektral komponent om pulsen är över frekvensen för supraledarens energigap .
• I fallet med SFQ-pulser på 1 ps är det möjligt att klocka kretsarna vid frekvenser i storleksordningen 100 GHz (en puls var 10:e pikosekund).

En SFQ-puls alstras när magnetiskt flöde genom en supraledande slinga som innehåller en Josephson-övergång ändras med ett flödeskvantum, Φ ₀ som ett resultat av övergångsväxlingen. SFQ-pulser har en kvantiserad area ʃ V ( t ) dt = Φ ₀ ≈ 2,07 × 10 ⁻¹⁵ Wb = 2,07 mV⋅ps = 2,07 mA⋅pH på grund av magnetisk flödeskvantisering , en grundläggande egenskap hos supraledare. Beroende på parametrarna för Josephson-övergångarna kan pulserna vara så smala som 1 ps med en amplitud på cirka 2 mV, eller bredare (t.ex. 5–10 ps ) med motsvarande lägre amplitud. _{Det typiska värdet} för pulsamplituden är ungefär 2 _IcRn , där IcRn _är produkten av den kritiska _{strömmen Ic} , och övergångsdämpningsmotståndet _, Rn . För Nb-baserad kopplingsteknologi I _c Rn i storleksordningen 1 mV _.

Fördelar

• Kompatibel med CMOS-kretsar, mikrovågs- ​​och infraröd teknik
• Extremt snabb arbetsfrekvens: från några tiotals gigahertz upp till hundratals gigahertz
• Låg strömförbrukning : cirka 100 000 gånger lägre än CMOS -halvledarkretsar, utan hänsyn till kylning
• Befintlig chiptillverkningsteknik kan anpassas för att tillverka RSFQ-kretsar
• God tolerans mot tillverkningsvariationer
• RSFQ-kretsar är i huvudsak självklockande , vilket gör asynkrona konstruktioner mycket mer praktiska.

Nackdelar

• Kräver kryogen kylning. Traditionellt har detta uppnåtts med hjälp av kryogena vätskor som flytande kväve och flytande helium . På senare tid har kryokylare med sluten cykel, t.ex. pulsrörskylskåp, vunnit avsevärd popularitet eftersom de eliminerar kryogena vätskor som både är dyra och kräver periodisk påfyllning. Kryogen kylning är också en fördel eftersom den minskar arbetsmiljöns termiska buller .
• ₀ Kylningskraven kan mildras genom användning av högtemperatursupraledare . _Emellertid har endast RFSQ-kretsar med mycket låg komplexitet uppnåtts hittills med användning av hög- Tc supraledare. Man tror att SFQ-baserad digital teknik blir opraktisk vid temperaturer över ~ 20 K – 25 K på grund av de exponentiellt ökande bitfelsfrekvenserna (termiskt inducerad kopplingsbyte) som orsakas av att parametern E J / k B _T minskas med _ökande temperatur . T , där E _J = I _c Φ /2π är Josephson - energin .
• Statisk effektförlust som vanligtvis är 10–100 gånger större än den dynamiska effekt som krävs för att utföra logiska operationer var en av nackdelarna. Emellertid eliminerades den statiska effektförlusten i ERSFQ-versionen av RSFQ genom att använda supraledande induktorer och Josephson-övergångar istället för förspänningsmotstånd, källan till den statiska effektförlusten.
• Eftersom RSFQ är en störande teknologi , återstår dedikerade utbildningsexamina och specifik kommersiell programvara fortfarande att utvecklas.

Ansökningar

• Optiska och andra höghastighetsnätverksväxlingsenheter
• Digital signalbehandling , upp till X-bandssignaler och mer
• Ultrasnabba routrar
• Programvarudefinierad radio (SDR)
• Höghastighets analog-till-digital-omvandlare
• Högpresterande kryogena datorer
• Styrkretsar för supraledande kvantbitar och kvantkretsar

Se även

• Supraledande logik inkluderar nyare logikfamiljer med bättre energieffektivitet än RSFQ.
• Quantum flux parametron , en relaterad digital logikteknologi.

Avläsningar

• Superconducting Technology Assessment , studie av RSFQ för datortillämpningar, av NSA (2005).

externa länkar

• En introduktion till grunderna och länkar till ytterligare information vid State University of New York i Stony Brook .
• KK Likharev och VK Semenov, RSFQ logik/minnesfamilj: en ny Josephson-junction-teknologi för sub-terahertz-klockfrekvens digitala system. IEEE Trans. Appl. Superkond. 1 (1991), 3. doi:10.1109/77.80745
• AH Worsham, JX Przybysz, J. Kang och DL Miller, " A single flux quantum cross-bar switch and demultiplexer", IEEE Trans. på Appl. Supercond., vol. 5, s. 2996–2999, juni 1995.
• Genomförbarhetsstudie av RSFQ-baserade självdirigerande icke-blockerande digitala switchar (1996)
• Designproblem i Ultrasnabba Ultra-Low-Power Superconductor Batcher-Banyan Switching Fabric Baserat på RSFQ Logic/Memory Family (1997)
• Ett klockdistributionsschema för stora RSFQ-kretsar (1995)
• Josephson Junction Digital Circuits – Utmaningar och möjligheter (Feldman 1998)
• Supraledare IC:er: andra generationens 100 GHz // IEEE Spectrum, 2000