RSFQ

Suprajohtavista digitaalisista elektroniikan logiikkaperheistä käsittelemme vain RFSQ:n (Rapid Single Flux Quantum logic). Se vaikuttaa tällä hetkellä lupaavimmalta, kun taas monet muut suprajohtavat vaihtoehdot (esim. Josephson FET) ovat osoittautuneet liian hitaiksi, jotta niiden vaatima jäähdytys koskaan olisi kannattavaa. Ennuste puolijohde-elektroniikan kehityksestä (taulukko) vaikuttaa aluksi hyvältä, mutta tarkemmin katsellessa nopeus ei enää kasva läheskään samaa tahtia kuin aiemmin. Tämä johtuu lämmön tuotannosta, joka on $P \propto V^2f$. Jo nyt DECin 600 MHz Alpha 21264 tuottaa noin 60 W lämpöä. On arvioitu, että 175 W on ehdoton maksimi, joka voidaan poistaa yksittäiseltä mikropiiriltä.

Year	1999	2003	2006	2009	2012
Minimum feature size (nm)	140	100	70	30	35
Maximum integration (bits/chip)	1G	4G	16G	64G	256G
Power supply voltage (V)	1.5-1.8	1.2-1.5	0.9-1.2	0.6-0.9	0.5-0.6
Clock frequency (GHz)	0.6-1.25	0.8-2.1	1.1-3.5	1.4-6.0	1.8-10

from The National Technology Roadmap 1997

RSFQ perustuu SQUIDeihin, jotka on säädetty niin, että ne voivat toimia vain kahdessa eri tilassa (1 ja 0). Tilan vaihtaminen perustuu renkaan läpäisevän magneettikentän muuttamiseen, johtimissa kulkevien jännitepulssien avulla. Tällainen pulssi voidaan synnyttää kuvan 1 mukaisella generaattorilla. Johtuen vuon kvantittumisesta jännitepulssin ala on vakio. Kun tällaisia kaksitilaportteja kytketään yhteen, voidaan rakentaa loogisia piirejä kuten D-kiikkuja. Oletetaan, että laite on aluksi tilassa 0. $I_dc$ säädetään siten, että SET IN pulssin saapuminen kasvattaa liitoksen 1 vaihetta $2\pi$:llä. Näin renkaassa on magneettivuo $\Phi_0$ ja persistenttivirta kiertää myötäpäivään. Vastaavasti RESET IN pulssin saapuminen aiheuttaa magneettivuon muutoksen renkaassa ja siirtää sen jälleen tilaan 0. Samaan aikaan syntyy SFQ OUT pulssi, koska liitoksen 2 vaihe muuttuu $2\pi$:llä. Tämä pulssi voi siirtyä sitten seuraavaan laitteeseen. Liitokset 1' ja 2' tarvitaan estämään heijastukset takaisin kyseisiin linjoihin. Jos kiikku on tilassa 1 ja SET IN pulssi saapuu, liitos 1':n vaihe muuttuu $2\pi$:llä ja pulssi ei heijastu takaisin. Näin D-kiikkua voidaan käyttää tiedon varastoimiseen ja käyttämiseen tarvittaessa. On kuitenkin huomattava:

• Kiikun tila säilyy kunnes se resetoidaan toisella pulssilla.
• Reset-pulssi samanaikaisesti tuottaa kiikun tilasta kertovan pulssin ja resetoi kiikun, näin kiikun kirjoittamisen ja resetoimisen välinen aika voi olla lähellä pulssin leveyttä, muutamaa pikosekuntia, joten toimintataajuus voi olla yli 100 GHz.
• $I_dc$ antaa tarvittavan energian SFQ-pulssien vahvistamiseen ja väistämättömien häviöiden korjaamiseen.

Laskutoimitusten tapahduttua voidaan siirtyä konventionaaliseen elektroniikkaan käyttämällä SFQ/DC-muunninta, joka on käytännössä DC SQUID, jolla mitataan viimeisen renkaan tila.

Suprajohtavien digitaalipiirien yleiset edut:

• Suprajohtavat siirtolinjat
  • Pikosekunti aaltomuotojen ballistinen kuljetus
  • Alhainen "crosstalk"
• Josephson-liitokset
  • Pikosekunti aaltomuotojen generointi
  • Impedanssisovitus siirtolinjoihin
  • Alhainen tehokulutus -> suuri tiheys -> suuri nopeus
• Valmistusteknologia (Nb-kolmikerrosrakenne)
  • Yksinkertaisempi kuin Si tai GaAs

RSFQ logiikan mahdolliset sovellukset:

• AD-muuntimet: 14-bit 60 MHz
• DA-muuntimet
• Digitaalinen SQUID: $10^{10}\Phi_0 /s$
• Autokorrelaattori
• Pseudo-random piirit
• Ultranopeat digitaaliset kytkimet
• Digitaalinen signaaliprosessointi
• Petaflops tietokoneet

Muistipiiri. Kuten kurssin alussa luvattiin käsitellään tässä nyt nopeampi muistipiiri. Tässä käsiteltävällä tekniikalla on valmistettu 4 k-muistipiiri, joka sisältää noin 21 000 Josephson-liitosta ja on kooltaan noin 4.5 mm x 4.5 mm. Yksittäisen muistisolun koko on noin 55 x 55 μm ja se koostuu kahdesta loopista ja lukuportista. Lukuportti on SQUID, joka on magneettisesti kytketty looppiin 2. Loop 1 on biasoitu $I_{DC}$:llä siten, että se varastoi yhden vuokvantin kun sekä $I_x$ että $I_y$ ovat aktiivisia. Datan luetaan loopin 2 kautta luku-SQUIDillä. Loop 2 on kytketty looppiin 1, joten sen tila riippuu loopin 1 tilasta, ja kun lukeminen suoritetaan loopista 2 ei ole vaaraa, että se häiritsisi loopin 1 tilaa. Tämän muistipiirin hakuaika on noin 380 ps.

RSFQ muistipiiri

Lisätietoja: RSFQ @ SUNY