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新设计简化了超导电路

发布时间:2018-05-16

麻省理工学院的研究人员展示了一种新的电路设计,可以释放实验性超导电脑芯片的力量,并使简单的超导设备制造成本更低。 /

具有超导电路的电脑芯片 - 电阻为零的电路 - 与现在的芯片相比,节能效率将是现在的50到100倍,这是吸引互联网最受欢迎网站的海量数据中心功耗不断增加的吸引人的特性。

超导芯片也承诺提供更强大的处理能力:使用所谓的约瑟夫森结的超导电路的时钟频率为770千兆赫,即500倍于iPhone 6芯片的速度。

但约瑟夫森联芯片大而难以制造;其中最成问题的是,它们使用这样的微小电流,其计算结果难以检测。大多数情况下,他们已经被降级到一些定制设计的信号检测应用。

在最新一期的Nano Letters杂志中,麻省理工学院的研究人员提出了一种新的电路设计,可以使简单的超导器件制造起来便宜得多。虽然电路的速度可能不会超过当前芯片的速度,但他们可以解决读取约瑟夫森路口计算结果的问题。

麻省理工学院的研究人员 - 电气工程专业的研究生Adam McCaughan及其顾问,电气工程和计算机科学教授Karl Berggren--在cryotron之后,由麻省理工学院Dudley教授开发的实验计算电路之后,他们称自己的设备为纳米加速器巴克。作为新一代计算机的可能基础,cryotron只是短暂的兴趣和联邦资助的对象,但它被集成电路黯然失色。

“超导电子社区已经看到了许多新设备的出现和消失,没有超出基本特性的发展,”McCaughan说。 “但在我们的论文中,我们已经将我们的器件应用于与未来超导计算和量子通信工作高度相关的应用。”

超导电路用于可记录单个光粒子或光子到达的光检测器;这是研究人员测试nanocryotron的应用之一。 McCaughan还将几个电路连接在一起,生成一个称为半加器的基本数字算术组件。

抵抗是徒劳的

超导体没有电阻,这意味着电子可以完全不受阻碍地穿过它们。即使是最好的标准导体 - 如电话线或传统计算机芯片中的铜线 - 也有一定的阻力;克服它需要比可以在超导体中感应电流的电压高得多的操作电压。一旦电子开始通过普通导体移动,它们仍然偶尔与原子碰撞,释放出热量。

超导体是普通的材料,可以冷却到极低的温度,这可以抑制原子的振动,让电子压缩而不会碰撞。 Berggren的实验室专注于由氮化铌制成的超导电路,该电路具有16开尔文相对较高的工作温度或257摄氏度。液氦可以实现这一点,在超导芯片中,液氦可能会通过绝缘外壳内的管道系统循环流动,如氟利昂在冰箱中。

液氦冷却系统当然会增加超导芯片的功耗。但鉴于起点约为常规芯片所需能量的1%,节省量仍可能非常大。

便宜的超导电路还可以使构建单光子探测器更具成本效益,单光子探测器是利用量子计算所承诺的计算加速的任何信息系统的重要组成部分。

设计为T

nanocryotron或nTron由单层的氮化铌组成,其形状大致类似于大写字母“T”。但是,当T的基部与横杆相连时,它的锥度仅为十分之一其宽度。不受阻碍地穿过T底部的电子突然被挤压在一起,产生热量,辐射到横梁中并破坏氮化铌的超导电性。

施加到T的基极的电流因此可以关断流过交叉开关的电流。这使得电路成为开关,这是数字计算机的基本组成部分。

在关闭基座中的电流之后,交叉开关中的电流将仅在结冷却后才会恢复。由于超导体被液氦冷却,所以不需要很长时间。但是电路不可能超过今天典型的1千兆赫兹芯片。尽管如此,它们对于速度不如能效更重要的一些低端应用来说可能是有用的。

然而,他们最有前途的应用可能是让约瑟夫森路口的外部世界可以进行计算。约瑟夫森路口使用微小的电流,直到现在需要敏感的实验室设备来检测。它们不足以将数据移动到本地存储器芯片,更不用说将视觉信号发送到计算机显示器。

在实验中,McCaughan表明,电流甚至比约瑟夫森结器件中的电流更小,足以将nTron从导电状态切换到非导电状态。尽管T基础电流可能很小,但通过交叉开关的电流可能会更大 - 足以将信息传输到计算机主板上的其他设备。

“我认为这是一个很好的设备,”超级电子公司Hypres的首席技术官Oleg Mukhanov说。该公司的产品依赖于约瑟夫森路口。 “我们目前非常认真地对待nTron用于记忆。”

“这个设备有几个吸引力,”Mukhanov说。 “首先,它非常紧凑,因为毕竟它是纳米线。约瑟夫森路口的问题之一是它们很大。如果您将它们与CMOS晶体管进行比较,它们只是体积更大。其次是约瑟夫森路口是双终端设备。半导体晶体管是三端的,这是一个很大的优势。同样,nTrons是三端设备。“

“就内存而言,”Mukhanov补充说,“吸引我们的一个特点是,我们计划在室温下将其与磁阻自旋电子器件,mRAM,磁随机存取存储器集成在一起。这些器件的特点之一是它们是高阻抗的。他们在千欧姆范围内,如果你看看约瑟夫森路口,它们只有几个欧姆。所以存在很大的不匹配,这使得从电气工程角度来看这两种设备非常困难。 NTrons是纳米线器件,因此它们也是高阻抗的。它们自然与磁阻元件兼容。“

McCaughan和Berggren的研究由国家科学基金会和国家情报高级研究项目活动主任资助。

出版物:Adam N. McCaughan和Karl K. Berggren,“A Superconducting-Nanowire Three-Terminal Electrothermal Device,”Nano Letters,2014,14(10),第5748-5753页; DOI:10.1021 / nl502629x

PDF研究副本:一种超导纳米线三端子电子器件

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

图片:Adam N. McCaughan