150147 (Високотемпературні надпровідні схеми інтегральних мікросхем)

Содержание

Вступ

1. Принцип дії SFQ цифрових схем

2. Основні проблеми в HTS SFQ ланцюгів

2.1 Параметри ланцюга

2.1.1 Джозефсонівські переходи

2.1.2 SFQ Петлі

2.1.3 Опір

2.2 Фактори, що обмежують HTS SFQ ланцюгових операцій

2.2.1 Теплові шуми

2.2.2 Паразитична Індуктивність

2.3 Виготовлення SFQ схем

2.3.1 Матеріали

2.3.2 Джозефсонівські переходи

2.4 Елементарні RSFQ схеми

2.4.1 Збалансований компаратор

2.4.2 Дільники напруги

2.4.3 Аналого-цифрові перетворювачі флеш типу

2.4.4 Підрахунок типу АЦП

2.4.5 Сігма-дельта АЦП

2.4.6 Колектор

2.4.7 Затримка лінії пам’яті

Висновки

Список використана література

Вступ

Надпровідникова цифрова схема має дві переваги в порівнянні з її конкурентоспроможністю, такі, як джозефсонівські і надпровідникові лінії електропередачі. Джозефсонівські можуть перемикатися при нульовій напрузі протягом декількох пікосекунд і потужність дисипації перемикання є вкрай низькою, так як напруга менша ніж на декілька мілівольт. Надпровідникова мікросхема ЛЕП здатна передавати пікосекундні сигнали практично на будь-яку відстань між чіпами зі швидкістю, близькою до швидкості світла.

Було витрачено багато зусиль для розробки схем з перевагами для вивчення надвисокої швидкості обробки систем надпровідних цифрових схем з використанням металевих матеріалів, надпровідників, таких як Pb і Nb. Два приклади таких зусиль: проект IBM (1969-1983) (1) і японського проекту MITI (1981-1991) (2). Успішна демонстрація на низькій Тс надпровідникових (LTS) каналів були зроблені, наприклад, 4Кбіт оперативної пам'яті, має 42000 вузлів і працює на частоті 620 МГц (3) і комп'ютерного ланцюгового зв'язку логіки, має 4300 вузлів і працює на частоті 2 ГГц (4). Однак, стало ясно, що перше покоління надпровідних цифрових схем, так звані "замок логіки "схем з використанням нульового і кінцевого значення, напруга логічного" 0 "і" 1 ", не може конкурувати з високою швидкістю напівпровідникової схеми після охолодження. Основним недоліком "замка логіки" є те, що синхронізація великої радіочастоти (РЧ) поточного зовнішнього чіпа. Частота операцій обмежується кількома гігагерц, оскільки велика кількість поточних (наприклад, кілька ампер) не можуть бути поставлені на більш високій частоті. Багато уваги, таким чином, були спрямовані на один потік квантів (SFQ).

Алгоритм, який кодує інформацію, не бінарний за допомогою постійного струму напруги, а за допомогою одного кванта магнітного потоку (Ф₀=h/2e=2.07*10^-15Wb). Надпровідні цифрові схеми з використанням програми SFQ були спочатку запропоновані Накаджімом і Онодером і в 1976 році (5), і з 1985 року значно покращилися в Московському державному університеті (6). Їх SFQ схем, називаються швидкі одно потокові квантові (RSFQ) схеми, стали одні з найпопулярніших SFQ схем і, як очікувалося, працювали на частоті більше 100ГГц. Деякі високошвидкісні RSFQ схеми на основі тунельного типу LTS Джозефсонівських переходів не було, і у вищій мірі важливим з них є аналого-цифрові перетворювачі, які були зроблені

А.Л. Семеновим та іншими з тисячами переходів і працювали на частоті до 11ГГц (7).

ВТНП (HTS) цифрових схем, більше підходять для використання в SFQ схем, ніж ті, LTS, тому що HTS джозефсонівських природно змінених, це означає, що їх ВАХ не виявляють гістерезис, і в ланцюгах SFQ повинні бути переходи. Тунелем типу LTS джозефсонівські переходи, з іншого боку, від них і вимагають деяких опорів між двома електродами кожного переходу. Це робить характерну напругу (IcRn продукт) значень нижче, що дозволяє знизити швидкість роботи, а також ускладнює планування і процес виготовлення. Продукт з IcRn HTS переходах можна очікувати більшого, ніж у переходах, оскільки LTS нерозривно залежить від розриву напруги надпровідників. Кількість випробування схеми RSFQ з допомогою HTS джозефсонівських переходів не надходило, але більшість схем є малими, тому що технологія виготовлення для HTS переходів і раніше знаходиться в первісному стані.

1. Принцип дії SFQ цифрових схем

Магнітний потік квантів в надпровідних пристроях замкнутого циклу з мінімальним SFQ. На рис.1 показана найпростіша петля для замикання SFQ, для надпровідників, включаючи джозефсонівські. Як для магнітного потоку надпровідного переходу свинцю заборонено ефект Джозефсона Мейснера перехід грає роль "воріт" для виходу з петлі. Коли Джозефсонівських контактів вимикачів на напругу, магнітний потік іде

Рис.1. Зберігання SFQ в тому числі надпровідних джозефсонівських петель через з'єднання.

Якщо продукт від перехрестя критичного струму Ic і петлі індуктивності L від Ф₀ c < 2Ф₀, тільки SFQ може існувати в цьому циклі після перезавантаження переходу в надпровідний стан і робить SFQ циркулюючого струму в Icir циклу. Рис.2. показує інше пояснення SFQ зберігання та випуску в надпровідних циклах. При постійному струмі зміщення Ib подається в надпровідникових петлях у тому числі переходу Джозефсона, майже всі нинішні переходи через індуктивність L в іншому рисунку (рис.2a). Тут, Ib менше ніж критичний струм Ic переходу. Якщо сигнал струму в подальшому використовується для з’єднання сумів, I_b і I_s більше Ic, з'єднання перемикається напруга I_b і I_s чи потік через індуктивність (рис.2b). Після переходу в надпровідний стан І_b і I_s перетворюється, поточний протікає через індуктивності зберігається в петлю (рис.2c). Збережений поточний Icir дорівнює Ф₀/L якщо L і Ic значення задовольнять умову Ф₀ < LI_c < 2Ф₀. Збереження Icir в циклі відповідають SFQ. Icir звільнений I_s, в зворотному напрямку. Струми I_s і I_cir додалися тому що вони течуть в тому ж напрямку, і їх сума перевищує Ic (рис.2d).

Рис.2. Основні операції SFQ воріт.

Рис.3. Ряд схем SFQ: DC / SFQ, JTL, і SFQ / DC.

Потім включається і Icir розсіюється на переході (рис.2е). Це відповідає SFQ виходу з циклу. Рис.9.3 показує ряд схем SFQ: DC / SFQ трансформатор, Джозефсонівська (лінія електропередачі) ЛЕП (JTL) і SFQ / DC трансформатори. DC / SFQ перетворювач, який складається з переходів J1 і J2 та індуктивності L1, дає імпульс SFQ на постійному струмі введення I_in. Якщо I_in збільшується за попереднє значення, імпульсу SFQ створюється по J2 включення і передається в правильному напрямку, на рис.3. DC / SFQ трансформатор скидається в початковий стан, коли I_in падає нижче певного значення. Скидання схеми супроводжується генерацією імпульсу SFQ через J2, не поширюються праворуч. JTL складається з трьох надпровідних петель у тому числі переходів J3-J5 й індуктивності L2-L4. Оскільки значення Ic і L і для кожного надпровідника контур менший, ніж в Ф₀ в JTL, імпульсу SFQ поширюється через JTL без зберігання в цих петлях. SFQ / DC перетворювача містить цикл SFQ зберігання J5, L5, і L6, в якому LI_c значення ЛІК більше Ф₀, і зчитування SQUID, що складається з переходів J7 і J8 і напруги на виході терміналу між ними.

З цієї схеми відхилення постійного струму Ib показано на рис.3, ВЧ зміщення необхідне для поточної схеми для їх скидання непотрібних операцій в SFQ схем. Це головна причина того, SFQ схеми набагато швидші, ніж запірні схеми. Будь-які логічні функції та операції з пам'ятю можуть бути реалізовані SFQ використанням схем, комбінуючи LI_c > Ф₀ петлі і LI_c < Ф₀ петель.

У схемах SFQ, двійкової інформації поширюється як дуже короткі напруги імпульсів замість постійної напруги в надпровідні запірні схемі, а також у всіх напівпровідникових схем. Імпульсну напругу V (T) має квантова область:

Швидкість перемикання τ від простої SFQ петлі як і на рис.1-3 обмежена характерними частотами змінного струму ефект Джозефсона. Використання критичних струмів джозефсонівських контактів мікросхеми та нормального опору Rn, ми можемо представити τ наступним чином:

IcRn величина є одна з найбільш важливих параметрів для оцінки Джозефсонівських переходів, які використовуються в схемах SFQ. Якщо продукт IcRn становить 1 мВ, який розумні значення для HTS джозефсонівських переходів, τ може складати всього лише 2шт.

Енергоспоживання на одне перемикання джозефсонівських SFQ про вихід I_c²R_nτ = I_cФ₀ і що необхідні при переході на частоті ƒ є nI_cФ₀ƒ коли кількість переходів Джозефсона на виході є n. Використання таких типових значень як Ic = 0,4 мА та n=4, ми можемо оцінити спожиту потужність HTS SFQ схеми з частотою 100 ГГц до 0,33 µW. З іншого боку, споживання енергії з метал-оксидного напівпровідника (C-MOS) на вході 3 В рівень сигналу 7-fF ємність 62 µВт, навіть якщо його робочі частоти тільки 1 ГГц. Таким чином, споживання енергії на виході HTS SFQ на два порядки менше, ніж величина виходу C-MOS.

2. Основні проблеми в HTS SFQ ланцюгів

2.1 Параметри ланцюга

2.1.1 Джозефсонівські переходи

Над затуханнями джозефсонівських переходів, які мають dc кривих I-V, не гістерезису, використовуються в схемах SFQ. Розподільні загасання представлені β_с= (2π/Ф₀) I_cR_n²C де C є переходом ємності (8,9). Nb / AlОx / Nb джозефсонівських контактів (10), що використовуються в LTS SFQ схемах тунельні переходи з своїм β_с набагато більше, ніж 1. Тому, βс з точки з'єднання повинен бути скорочений шляхом додавання через її опір тунельного бар'єру (6). Опір шунта використовується в так званих “NEC стандартних процесів” є 3-5 Ω (11). Додавання шунтів опором знижує IcRn значення на 4,2 K від 1,7 мВ до 0,3 мВ і подовжує час перемикання від 1,2 до 6,7 пс. З ВТС джозефсонівських контактів, з іншого боку, це менше 1 без додаткового опору шунта. Це відбувається тому, що ВТС на тунельних переходах, мають слабкі зв'язки і, отже, характеризуються меншими значеннями Rn. Внутрішні IcRn значення HTS джозефсонівських можна очікувати більшого, ніж LTS переходи через великі енергетичні щілини у HTS матеріалів. Розвиток покращеної якості джозефсонівських переходів з високими IcRn значеннями є одним із самих важливих питань в галузі досліджень, пов'язаних з додатками HTS SFQ ланцюга. Спад краю HTS переходів за допомогою Ga-легованих PrBa₂Cu₃O_x бар'єру і мають IcRn значення від 8 мВ при 4,2 K було повідомлено групою університету Твенте (12) і спад краю HTS переходах допомогою Со-легованого YBa₂Cu₃O_x, бар'єр і, IcRn значення 0,8 мВ при 65 K були зареєстровані в групі Northrop Grumman (13).

Розглядаються відносини між Ic поширення в чіп і рівня схеми інтеграції (14,15). Щоб проілюструвати ефект критичного струму користуються схемою виходу, ми вважаємо один перехід входу критичного струму Ic. Крім того, ми передбачаємо, що процес виготовлення дасть переходам, розподіл критичного струму розподіл Гауса з стандартним відхиленням σ.

Вірогідність даного переходу, що входять Δ край надано критичного струмами розподілу Гауса зі стандартним відхиленням:

Критичний струм кожного з'єднання в ланцюзі, що складається з N таких переходів повинен бути між Ic-Δ і Ic+Δ. Сумарний вихід ланцюга буде P^N. Рис.9.4 показує, цінність, необхідних у виробництві ланцюгів даного з'єднання (15). Маленький критичний струм розповсюдження досягнутих на сьогоднішній день складає 1σ =8% для 100 спаду краю переходів модифікованим інтерфейсом бар'єр (16). Як показано на рис.4, де критичний струм поширення відповідає прибутковості 50% для схем з кілька сотень вузлів.

Розповсюдження від Rn і IcRn продукт має менше за критичне значення, ніж схема поширення Ic. Крім того, розповсюдження Rn і IcRn продукту, як правило, менше, ніж поширення Ic (17).

2.1.2 SFQ Петлі

SFQ схеми містять два види петель SFQ. Одним з них є для зберігання циклу, для якого Ф₀ < β_l = LI_c < 2Ф_0. Інша передача циклу для JTL, для яких β_L < Ф₀. Ці типові значення 1,5 Ф₀ і 0,5 Ф₀, відповідно. Тут L є індуктивність петлі SFQ і І_с критичний струм переходу у тому циклі.

Індуктивність L надпровідного мікролінійний рядок якого, що розділ представлений на рис.5 дається

де w - ширина лінії, L - довжина лінії, L є надпровідна глибина проникнення поверхнею грунту і лінія, t_G і t_c товщини поверхні грунту та лінії, відповідно, d є товщина ізоляції шару, µ₀ проникність вільного простору, і К окантовка (1). Тому що λ_L матеріалів HTS більше, ніж матеріали LTS, L на квадратний (L_) значення для HTS мікрополоскових ліній більше, ніж для Nb мікрополоскових відповідно до тієї ж товщини діелектрика.

Важко викласти невелику петлю L з-за великого значення L_. Більше того, ми пояснимо докладно в розділі 9.3.2.1., Ic не може бути зменшений занадто багато через тепловий шум. Труднощі рішення менших β_L петля є однією з найсерйозніших проблем в HTS схеми SFQ.

2.1.3 Опір

Три види опору необхідні в чіпі HTS SFQ. Опір менше кілька Ом розміщуються в деяких в SFQ. Деякі SFQ виходи не мають потреби в цих малих опорах, але деякі використовуються для затухання опору (6) і Сигма-дельта модулятор, який використовується для основної частини свого роду аналого - цифровий трансформатор, є необхідними для опору.

Н адпровідникові

д

………………………………………… ……………t_s……………………………………………………..

t_s

роти

Ізолятор d