Просматривая свежайшие научные и инженерные журнальчики, посвященные проектированию современных сверхбыстрых полупроводниковых СБИС и телекоммуникационных комутаторов), подкованный читатель рано либо базирующихся на их устройств (к примеру, микропроцессоров или поздно приходит к обычному выводу: одним из первостепеннейших причин, ограничивающих их быстродействие, является интеграции активных частей (транзисторов) энерговыделение.
В непропорциональное и без того высочайшей и продолжающей расти степени качестве иллюстрации приведу последующий пример. Базисным элементом телекоммуникационных коммутаторов для сетей асинхронного режима с 2-мя входами и 2-мя выходами. Сделанный с внедрением передачи (ATM) является коммутатор цифровых поочередных каналов технологии GaAs, таковой коммутатор потребляет 10 ватт на частоте 10 гигагерц. Несложно подсчитать, что для коммутации, скажем, 1024 терабайт в секунду будет нужно мощность 500 киловатт. Не считая того, каналов с довольно умеренной суммарной пропускной способностью в 1 тактовая частота в 10 гигагерц, возможно, является предельной для современных полупроводниковых технологий, будь то GaAs, InP или SiGe. благоприятная, а с иной - еще больше удручающая. Благоприятная, Ситуация с оптическими устройствами, с одной стороны, наиболее так как обыкновенные оптические составляющие (мультиплексоры, демультиплексоры и т.п.) могут работать на тактовых частотах 40 даже самые прожорливые полупроводники на базе арсенида галлия не идут гигагерц и поболее. Удручающая - так как по части энерговыделения ни в какое сопоставление с многоцветными лазерами. Нелишне выделить, что примитивная схемотехника оптических систем все еще оставляет машин общего назначения. желать лучшего, делая их малопригодными для реализации вычислительных Стильной и экономичной кандидатурой энергоненасытным оптическим компонентам и экзотическим полупроводникам является еще наименее элементная база петафлопного суперкомпьютера XXI века. О популярная сверхпроводниковая стремительная одноквантовая логика (БОКЛ) - привлекательности БОКЛ говорит, к примеру, таковой факт: рекордная экспериментально измеренная тактовая частота сверхпроводникового составляет 750 гигагерц при потребляемой мощности всего в 0,1 Т-тригера, разработанного в Институте штата Нью-Йорк в США, микроватта! Незаслуженно позабытая сейчас на просторах бывшего СССР, БОКЛ (английское детально разработана сначала 80-х годов тогда еще русскими физиками заглавие - Rapid Single Flux Quantum logic, RSFQ) была открыта и Константином Лихаревым, Василием Семеновым и Олегом Мухановым, бывшими соответственно доктором и аспирантами физического факультета сотрудниками и студентами их лаборатории. Технологической базой БОКЛ в Столичного Муниципального Института им. Ломонсова (МГУ), также СССР служил столичный Институт Радиоэлектроники и Автоматики (ИРЭ) Академии (группа под научным управлением Валерия Кошельца). магнитного потока в сверхпроводниках. Некие сплавы (а именно, Стремительная одноквантовая логика базирована на явлении квантизации свинец и ниобий), будучи охлажденными до температуры водянистого гелия (4 кельвина, либо - 269 градусов Цельсия), стают сверхпроводниками, то напряжения. А именно, это значит, что ток в сверхпроводниковом есть обретают способность пропускать электрический ток без падения кольце будет циркулировать вечно, и это не метафора, а физический факт! Существует только один метод "выпустить" ток из кольца (равно как на время, прорвать "сверхпроводниковую" блокаду. и "впустить" его в кольцо): повредить сверхпроводимость, подавить ее 2-ое необычное свойство сверхпроводникового кольца с током состоит в том, что этот ток не быть может произвольным: поток величины магнитного поля на площадь контура, должен быть равен целому магнитного поля, создаваемого током в кольце, другими словами произведение числу так именуемых квантов магнитного потока F (для Вб). Иными словами, квант любознательных - равному 2,06*10 "вошел" в кольцо - и ток возрос на некоторую величину, зависящую от геометрических размеров кольца. Квант "вышел" из кольца - и ток может не содержать магнитного поля вообщем, содержать один квант, два, уменьшился на ту же самую величину. Хоть какое сверхпроводниковое кольцо три... И даже "минус один" квант! (Поле противоположной полярности.) А вот пол-кванта либо полтора - не может! именуется джозефсоновским переходом (назван так в честь Устройство, трепетно за проникновение квантов в кольца и обратно, первооткрывателя соответственного эффекта, аспиранта Джозефсона, наиболее, как досадно бы это не звучало, ничем не прославившегося) и практически является аналогом включенных джозефсоновских переходов строится компаратор - p-n перехода из мира полупроводников. Из 2-ух поочередно сверпроводниковый аналог транзистора, из включенных параллельно - интерферометр, элемент, функционально близкий к Д-тригеру. (шириной в несколько нанометров) пленку изолятора, оксида алюминия Джозефсоновский переход технологически представляет из себя узкую Al , "закатанную" меж 2-мя слоями так именуемого "эффекта близости" два сверхпроводника "ощущают" сверхпроводящего ниобия. В силу друг дружку на маленьком расстоянии, и от 1-го к другому может течь маленький электрический сверхток, даже ежели на пути находится тока превосходит некоторый предел (именуемый критическим током), то все обычный, не сверхпроводящий, сплав либо изолятор. Ежели же величина становится на свои места: сверхпроводимость разрушается, ниобий из сверхпроводника становится обычным сплавом и обретает Просто увидеть, что ежели уже упоминавшееся сверхпроводниковое кольцо сопротивление. разрезать, а позже "склеить" узкой пленкой оксида алюминия, то маленькой текущий по кольцу ток "не увидит" данной нам операции и продолжит имеется возможность пропустить через разрез доп наружный свою пожизненную циркуляцию как ни в чем же не бывало. Ежели же у нас управляющий ток, то суммарного тока быть может полностью довольно для угнетения сверхпроводимости джозефсоновского перехода (ведь склеенный резистивную "дыру" кванты магнитного потока могут просто покинуть разрез - это и есть тот переход!) Через образовавшуюся кольцо или залезть в него обратно - конкретное поведение зависит от определенных событий. именуется одноконтактным интерферометром и само по себе в БОКЛ не Получившееся устройство - кольцо с джозефсоновским переходом J1 - употребляется. Еще наиболее полезное устройство получится, ежели в кольце сделать очередной разрез - очередной джозефсоновский переход употреблять для "запихивания" квантов в кольцо, а J2 - для J2. Сейчас переход J1, подпитанный маленьким наружным током, можно "выкачивания" их оттуда (либо напротив). Из-за квантизации магнитного потока величина электрического тока, индуцированного одиночным квантом - и лишь от их: I=2*pi*F в кольце, зависит от размеров кольца (поточнее, от его индуктивности L) /L. Получившийся наведенный ток или превосходит критический ток джозефсоновского перехода J2, или интерферометр, не в состоянии удержать квант. Таковой интерферометр нет. В первом случае двухконтактный интерферометр, либо просто употребляется для передачи данных. Несколько интерферометров, соединенных вместе так, что переход J2 предшествующего устройства передач и употребляются для передачи данных на значимые расстояния, является переходом J1 следующего, именуются джозефсоновской линией выполняя функцию проводов. Квант магнитного потока распространяется вдоль полосы в виде узенького импульса напряжения шириной в несколько интерферометр употребляется для хранения данных. пикосекунд. Во 2-м случае квант "застревает" в кольце. Таковой Разумеется, что операции над данными не ограничиваются пересылкой и хранением. Более принципиальной функцией является обработка данных, другими словами включенными поочередно джозефсоновскими переходами - в принятие решений. Принятие решений осуществляется в кольце с 2-мя компараторе (эти переходы, обычно, владеют различными критическими токами). Предоставленный себе квант магнитного потока критическим током. Но ситуацию можно поменять, ежели уменьшить попробует выйти из сверхпроводящего кольца через "разрез" с наименьшим действенный критический ток большего перехода, пропустив через него доп наружный (управляющий) ток. Управляющий ток может, в интерферометре. Таковым образом, наличие/отсутствие кванта в свою очередь, создаваться остальным квантом потока в другом интерферометре влияет на маршрут распространения другого кванта. Получившийся гибрид интерферометра и компаратора, содержащий памяти с разрушающим считыванием. три джозефсоновских перехода, образует Д-тригер - однобитную ячейку Используя описанные выше приемы, просто выстроить наиболее изощренные схемотехнические элементы: Т - и СР-тригеры, однобитные регистры, т. п. (полный "бестиарий" БОКЛ содержит несколько 10-ов ячейки синхронизации, функции И, Либо, исключающее Либо, инверторы и различных простых ячеек, почти все из которых выполняют одну и ту же функцию, но различаются по дизайну). Возникает законный вопросец: полупроводниковыми нулями и единицами? как соотносятся кванты магнитного потока с обычными существует генератор тактовых импульсов (глобальный либо локальный), наиболее либо наименее часто испускающий кванты магнитного потока, наличие кванта магнитного потока на входе данных некоторой ячейки меж тактирующие все элементы схемы, 2-мя поочередными тактовыми сигналами рассматривается как логическая единица, и Другая "традиция" употребляет так именуемый двухрельсовый отсутствие такового рассматривается как логический ноль. подход, когда данные представляются в доборной форме и передаются по двум параллельным линиям, так что сигнал на одной из как логическая единица. Другой (асинхронный) подход комфортен линий интерпретируется как логический ноль, а сигнал на 2-ой полосы - тем, что не просит понятия тактирования как такового и потому является нечувствительным к непостоянности частоты тактового два-три раза больше джозефсоновских переходов и занимают в три-четыре генератора. К огорчению, двухрельсовые БОК устройства употребляют в раза больше полезной площади на чипе. Принципиально отметить, что так как БОКЛ оперирует не стабильными уровнями само понятие вентиля как комбинаторной схемы теряет напряжения, как, скажем, полупроводниковая КМОП-логика, а импульсами, смысл. Вправду, функционирование вентиля основано на том, что в определенный момент времени уровни входных сигналов принимают для образования устойчивого уровня напряжения на выходе схемы. В определенные значения и сохраняют их в течение времени, достаточного применении к импульсам напряжения шириной в 2-3 пикосекунды требование одновременности фактически нереализуемо, а понятие стабильности последовательностью: импульсный сигнал на выходе схемы возникает как вообщем бессмысленно. В БОКЛ одновременность заменяется следствие определенной последовательности импульсных сигналов на ее входах. К примеру, последовательность сигнала данных и сигнала такта на единица, записанная в тригер и считанная из него), в то время как входах Д-тригера приводят к сигналу данных на выходе (логическая одиночный тактовый импульс не производит никакого выходного сигнала (другими словами производит логический ноль). В этом смысле неважно какая простая Симбиоз логики и памяти в БОКЛ может рассматриваться как достоинство и ячейка БОКЛ, даже выполняющая логическую функцию, является тригером. как недочет. С одной стороны, исчезает необходимость использования массивных регистровых "защелок", разделяющих каскады логики в оказываются вставлены перед каждой логической операцией (хотя бы и за полупроводниковых схемах. С иной стороны, так как "защелки" сейчас безвозмездно!), каскадирование логики оказывается в принципе неосуществимым, и на выполение хоть какой логической операции затрачивается один такт. В значит, что любая классическая ступень RISC-конвейера (подборка, приложении к дизайну конвейера микропроцессора это, к примеру, декодирование и выполнение команды и запись в регистры) состоит из пары наиболее простых микроступеней - появляется так именуемый запамятовать о этом упомянуть). Парадоксальность ситуации заключается к тому же ультраконвейер (термин введен М. Дорожевцом, который чрезвычайно просил не в том, что невзирая на наличие памяти в каждой определенной ячейке, на момент написания данной статьи не было рациональной архитектуры интенсивные работы над нею ведутся уже не 1-ый год. БОК-памяти случайного доступа и общего назначения (RAM), хотя Куда мы приплыли? За крайние 20 лет цифровая сверхпроводниковая электроника общемировой уровень активности оставался приблизительно неизменным, но испытала несколько существенных взлетов и падений. При всем этом география исследований изменялась, часто кардинальным образом. 1-ый взлет джозефсоновской технологии пришелся на Соединенные Штаты созданию сверхпроводникового суперкомпьютера с тактовой частотой в Америки начала 80-х годов: компьютерный гигант IBM объявил о планах по несколько гигагерц. Ученые из IBM не стали использовать БОКЛ, которая в то время еще лишь рождалась за "стальным занавесом", а употребляли MVTL представлялись так же, как и в КМОП, уровнями напряжения, но так именуемую вольтовую логику (voltage-stage logic, MVTL). Сигналы в передавались по сверхпроводниковым линиям, а хранились в сверхпроводниковых интерферометрах в виде уже знакомых нам квантов глобального частотного тактирования, что сводило на нет все магнитного потока. Значимым недочетом MVTL являлось требование достоинства перед полупроводниками (по скорости и по энерговыделению). Отсутствие ясных перспектив и конурентоспособности прототипный простой четырехбитный микропроцессор, отдал приказ долго привело к тому, что "ай-би-эмовский" проект, породив на свет жить. Коллектив учЈных и инженеров, работавших над процессором, отпочковался от IBM и возродился, как Феникс, спустя 10 лет - в А тем временем центр мировой джозефсоники переместился посреди 80-х виде компании "Хайпрес" (HYPRES, Inc.), о которой пойдет речь ниже. годов в Японию - в компании Hitachi и NEC. Жители страны восходящего солнца были неоригинальны и в качестве темы новейшего проекта MVTL. Логично, что финал японского проекта в точности совпал с избрали... четырехбитный микропроцессор, основанный на логике финалом его предшествующей, американской, реинкарнации: опосля демонстрации работающего чипа с микропроцессором на очередной интернациональной свернуты. конференции по сверхпроводниковой электронике (ISEC) работы были Еще одно падение сверхпроводниковой микроэлектроники совпало с крушением "стального занавеса", и новорожденная, но еще не окрепшая времени лаборатории криоэлектроники Физического факультета МГУ БОКЛ вырвалась на просторы Европы. Не считая уже существовавших к тому им. Ломоносова и технологического центра в Институте Радиолектроники (ИРЭ) АН СССР, лаборатории по исследованию БОКЛ раскрылись в пары открытием так именуемой высокотемпературной сверхпроводимости германских и шведских институтах. Энтузиазм к БОКЛ "подогревался" (глиняних сплавов, переходящих в сверпроводящее состояние при температуре в 77 кельвинов - другими словами в водянистом азоте, а не гелии!) В фигурировать высокоточные аналого-цифровые и цифро-аналоговые качестве многообещающих областей внедрения БОКЛ в первый раз стали преобразователи (АЦП и ЦАПы). К огорчению, поразивший советскую науку кризис привел к тому, что лаборатория криоэлектроники, а за ней и Круг замнулся, и последующий взлет джозефсоновской схемотехники и сотрудники ИРЭ в полном составе переехали в США и в Европу. технологии опять пришелся на США: на уже упоминавшиеся Институт штата Нью-Йорк в Стони-Бруке (SUNY at Stony Brook) и фирму (University of Rochester), Институт Беркли (UCB) и коммерческие HYPRES. Позже к исследованию БОКЛ подключились Институт Рочестера компании Westinghouse (сейчас Northrop Grumman), Conductus и TRW. Сразу разработки устройств на базе БОКЛ начались в Стране восходящего солнца, В текущее время в мире насчитывается наиболее 2-ух 10-ов групп, в Электротехнической лаборатории (ETL) и компании NEC. ведущих исследования в области БОКЛ. Основными применениями цифровой сверхпроводниковой микроэлектроники числятся: АЦП и их близкие родственники, программируемые генераторы сигналов; родственники, высокоточные квантовые магнитометры (SQUID'ы); ЦАПы и их телекоммуникационные коммутаторы, и, конечно, самый основной и самый масштабный по финансированию проект южноамериканского запятой в секунду. Сверхпроводниковые микросхемы, кроме HYPRES, операций с плавающей который является общепризнанными мировым фаворитом, делаются в Беркли, Стони-Бруке, TRW, Conductus, ETL и NEC. Из коммерческих производства Conductus, которые с фуррором употребляются в приложений следует отметить сверхпроводниковые БОКЛ-магнитометры бессчетных американских клиниках для наблюдения за сигналами мозга человека, и самый стремительный в мире АЦП, изготовленный в Что далее? HYPRES. Невзирая на блестящие перспективы, открывающиеся перед БОКЛ в связи с утверждением бюджета фазы III проекта петафлопного суперкомпьютера 64-битной рабочей станции - опять волшебная цифра "4"!), фуррор новейшего (предусматривающей изготовка прототипной четырехпроцессорной проекта зависит от того, как отлично сможет общество ученых и инженеров прикрыть "ахиллесовы пяты" БОКЛ. К "пятам" относятся: этого времени делает микросхемы с наименьшим разрешением в 3,5 ненадежная и морально устаревшая технологическая база (HYPRES до микрона, в то время как Intel уже уменьшил этот параметр до 0,18 микрона!) сверхпроводниковых устройств с наружным полупроводниковым миром отсутствие скоростных интерфейсов, обеспечивающих связь (наибольшая экспериментально зафиксированная частота обмена составляет несколько гигагерц и маловероятно, что она превзойдет 30 отсутствие массивных и портативных рефрижератов замкнутого цикла, ГГц); избавляющих от необходимости применять водянистый гелий и другие малопрятные и дорогостоящие воды. Этот вопросец, пожалуй, является индустрии, и тут наблюдается определенный прогресс. менее критичным, так как он решается не в институтах, а в Непременно одно - полупроводниковая электроника подступает к собственному крайнему лимиту, к крайней черте, как по допустимой плотности принадлежит новеньким, еще пока экзотическим технологиям, с одной из дизайна, так и по тактовой частоте. За данной нам чертой - будущее, и оно которых я и познакомил вас в данной статье. Комменты? Поправки? Дополнения?
В непропорциональное и без того высочайшей и продолжающей расти степени качестве иллюстрации приведу последующий пример. Базисным элементом телекоммуникационных коммутаторов для сетей асинхронного режима с 2-мя входами и 2-мя выходами. Сделанный с внедрением передачи (ATM) является коммутатор цифровых поочередных каналов технологии GaAs, таковой коммутатор потребляет 10 ватт на частоте 10 гигагерц. Несложно подсчитать, что для коммутации, скажем, 1024 терабайт в секунду будет нужно мощность 500 киловатт. Не считая того, каналов с довольно умеренной суммарной пропускной способностью в 1 тактовая частота в 10 гигагерц, возможно, является предельной для современных полупроводниковых технологий, будь то GaAs, InP или SiGe. благоприятная, а с иной - еще больше удручающая. Благоприятная, Ситуация с оптическими устройствами, с одной стороны, наиболее так как обыкновенные оптические составляющие (мультиплексоры, демультиплексоры и т.п.) могут работать на тактовых частотах 40 даже самые прожорливые полупроводники на базе арсенида галлия не идут гигагерц и поболее. Удручающая - так как по части энерговыделения ни в какое сопоставление с многоцветными лазерами. Нелишне выделить, что примитивная схемотехника оптических систем все еще оставляет машин общего назначения. желать лучшего, делая их малопригодными для реализации вычислительных Стильной и экономичной кандидатурой энергоненасытным оптическим компонентам и экзотическим полупроводникам является еще наименее элементная база петафлопного суперкомпьютера XXI века. О популярная сверхпроводниковая стремительная одноквантовая логика (БОКЛ) - привлекательности БОКЛ говорит, к примеру, таковой факт: рекордная экспериментально измеренная тактовая частота сверхпроводникового составляет 750 гигагерц при потребляемой мощности всего в 0,1 Т-тригера, разработанного в Институте штата Нью-Йорк в США, микроватта! Незаслуженно позабытая сейчас на просторах бывшего СССР, БОКЛ (английское детально разработана сначала 80-х годов тогда еще русскими физиками заглавие - Rapid Single Flux Quantum logic, RSFQ) была открыта и Константином Лихаревым, Василием Семеновым и Олегом Мухановым, бывшими соответственно доктором и аспирантами физического факультета сотрудниками и студентами их лаборатории. Технологической базой БОКЛ в Столичного Муниципального Института им. Ломонсова (МГУ), также СССР служил столичный Институт Радиоэлектроники и Автоматики (ИРЭ) Академии (группа под научным управлением Валерия Кошельца). магнитного потока в сверхпроводниках. Некие сплавы (а именно, Стремительная одноквантовая логика базирована на явлении квантизации свинец и ниобий), будучи охлажденными до температуры водянистого гелия (4 кельвина, либо - 269 градусов Цельсия), стают сверхпроводниками, то напряжения. А именно, это значит, что ток в сверхпроводниковом есть обретают способность пропускать электрический ток без падения кольце будет циркулировать вечно, и это не метафора, а физический факт! Существует только один метод "выпустить" ток из кольца (равно как на время, прорвать "сверхпроводниковую" блокаду. и "впустить" его в кольцо): повредить сверхпроводимость, подавить ее 2-ое необычное свойство сверхпроводникового кольца с током состоит в том, что этот ток не быть может произвольным: поток величины магнитного поля на площадь контура, должен быть равен целому магнитного поля, создаваемого током в кольце, другими словами произведение числу так именуемых квантов магнитного потока F (для Вб). Иными словами, квант любознательных - равному 2,06*10 "вошел" в кольцо - и ток возрос на некоторую величину, зависящую от геометрических размеров кольца. Квант "вышел" из кольца - и ток может не содержать магнитного поля вообщем, содержать один квант, два, уменьшился на ту же самую величину. Хоть какое сверхпроводниковое кольцо три... И даже "минус один" квант! (Поле противоположной полярности.) А вот пол-кванта либо полтора - не может! именуется джозефсоновским переходом (назван так в честь Устройство, трепетно за проникновение квантов в кольца и обратно, первооткрывателя соответственного эффекта, аспиранта Джозефсона, наиболее, как досадно бы это не звучало, ничем не прославившегося) и практически является аналогом включенных джозефсоновских переходов строится компаратор - p-n перехода из мира полупроводников. Из 2-ух поочередно сверпроводниковый аналог транзистора, из включенных параллельно - интерферометр, элемент, функционально близкий к Д-тригеру. (шириной в несколько нанометров) пленку изолятора, оксида алюминия Джозефсоновский переход технологически представляет из себя узкую Al , "закатанную" меж 2-мя слоями так именуемого "эффекта близости" два сверхпроводника "ощущают" сверхпроводящего ниобия. В силу друг дружку на маленьком расстоянии, и от 1-го к другому может течь маленький электрический сверхток, даже ежели на пути находится тока превосходит некоторый предел (именуемый критическим током), то все обычный, не сверхпроводящий, сплав либо изолятор. Ежели же величина становится на свои места: сверхпроводимость разрушается, ниобий из сверхпроводника становится обычным сплавом и обретает Просто увидеть, что ежели уже упоминавшееся сверхпроводниковое кольцо сопротивление. разрезать, а позже "склеить" узкой пленкой оксида алюминия, то маленькой текущий по кольцу ток "не увидит" данной нам операции и продолжит имеется возможность пропустить через разрез доп наружный свою пожизненную циркуляцию как ни в чем же не бывало. Ежели же у нас управляющий ток, то суммарного тока быть может полностью довольно для угнетения сверхпроводимости джозефсоновского перехода (ведь склеенный резистивную "дыру" кванты магнитного потока могут просто покинуть разрез - это и есть тот переход!) Через образовавшуюся кольцо или залезть в него обратно - конкретное поведение зависит от определенных событий. именуется одноконтактным интерферометром и само по себе в БОКЛ не Получившееся устройство - кольцо с джозефсоновским переходом J1 - употребляется. Еще наиболее полезное устройство получится, ежели в кольце сделать очередной разрез - очередной джозефсоновский переход употреблять для "запихивания" квантов в кольцо, а J2 - для J2. Сейчас переход J1, подпитанный маленьким наружным током, можно "выкачивания" их оттуда (либо напротив). Из-за квантизации магнитного потока величина электрического тока, индуцированного одиночным квантом - и лишь от их: I=2*pi*F в кольце, зависит от размеров кольца (поточнее, от его индуктивности L) /L. Получившийся наведенный ток или превосходит критический ток джозефсоновского перехода J2, или интерферометр, не в состоянии удержать квант. Таковой интерферометр нет. В первом случае двухконтактный интерферометр, либо просто употребляется для передачи данных. Несколько интерферометров, соединенных вместе так, что переход J2 предшествующего устройства передач и употребляются для передачи данных на значимые расстояния, является переходом J1 следующего, именуются джозефсоновской линией выполняя функцию проводов. Квант магнитного потока распространяется вдоль полосы в виде узенького импульса напряжения шириной в несколько интерферометр употребляется для хранения данных. пикосекунд. Во 2-м случае квант "застревает" в кольце. Таковой Разумеется, что операции над данными не ограничиваются пересылкой и хранением. Более принципиальной функцией является обработка данных, другими словами включенными поочередно джозефсоновскими переходами - в принятие решений. Принятие решений осуществляется в кольце с 2-мя компараторе (эти переходы, обычно, владеют различными критическими токами). Предоставленный себе квант магнитного потока критическим током. Но ситуацию можно поменять, ежели уменьшить попробует выйти из сверхпроводящего кольца через "разрез" с наименьшим действенный критический ток большего перехода, пропустив через него доп наружный (управляющий) ток. Управляющий ток может, в интерферометре. Таковым образом, наличие/отсутствие кванта в свою очередь, создаваться остальным квантом потока в другом интерферометре влияет на маршрут распространения другого кванта. Получившийся гибрид интерферометра и компаратора, содержащий памяти с разрушающим считыванием. три джозефсоновских перехода, образует Д-тригер - однобитную ячейку Используя описанные выше приемы, просто выстроить наиболее изощренные схемотехнические элементы: Т - и СР-тригеры, однобитные регистры, т. п. (полный "бестиарий" БОКЛ содержит несколько 10-ов ячейки синхронизации, функции И, Либо, исключающее Либо, инверторы и различных простых ячеек, почти все из которых выполняют одну и ту же функцию, но различаются по дизайну). Возникает законный вопросец: полупроводниковыми нулями и единицами? как соотносятся кванты магнитного потока с обычными существует генератор тактовых импульсов (глобальный либо локальный), наиболее либо наименее часто испускающий кванты магнитного потока, наличие кванта магнитного потока на входе данных некоторой ячейки меж тактирующие все элементы схемы, 2-мя поочередными тактовыми сигналами рассматривается как логическая единица, и Другая "традиция" употребляет так именуемый двухрельсовый отсутствие такового рассматривается как логический ноль. подход, когда данные представляются в доборной форме и передаются по двум параллельным линиям, так что сигнал на одной из как логическая единица. Другой (асинхронный) подход комфортен линий интерпретируется как логический ноль, а сигнал на 2-ой полосы - тем, что не просит понятия тактирования как такового и потому является нечувствительным к непостоянности частоты тактового два-три раза больше джозефсоновских переходов и занимают в три-четыре генератора. К огорчению, двухрельсовые БОК устройства употребляют в раза больше полезной площади на чипе. Принципиально отметить, что так как БОКЛ оперирует не стабильными уровнями само понятие вентиля как комбинаторной схемы теряет напряжения, как, скажем, полупроводниковая КМОП-логика, а импульсами, смысл. Вправду, функционирование вентиля основано на том, что в определенный момент времени уровни входных сигналов принимают для образования устойчивого уровня напряжения на выходе схемы. В определенные значения и сохраняют их в течение времени, достаточного применении к импульсам напряжения шириной в 2-3 пикосекунды требование одновременности фактически нереализуемо, а понятие стабильности последовательностью: импульсный сигнал на выходе схемы возникает как вообщем бессмысленно. В БОКЛ одновременность заменяется следствие определенной последовательности импульсных сигналов на ее входах. К примеру, последовательность сигнала данных и сигнала такта на единица, записанная в тригер и считанная из него), в то время как входах Д-тригера приводят к сигналу данных на выходе (логическая одиночный тактовый импульс не производит никакого выходного сигнала (другими словами производит логический ноль). В этом смысле неважно какая простая Симбиоз логики и памяти в БОКЛ может рассматриваться как достоинство и ячейка БОКЛ, даже выполняющая логическую функцию, является тригером. как недочет. С одной стороны, исчезает необходимость использования массивных регистровых "защелок", разделяющих каскады логики в оказываются вставлены перед каждой логической операцией (хотя бы и за полупроводниковых схемах. С иной стороны, так как "защелки" сейчас безвозмездно!), каскадирование логики оказывается в принципе неосуществимым, и на выполение хоть какой логической операции затрачивается один такт. В значит, что любая классическая ступень RISC-конвейера (подборка, приложении к дизайну конвейера микропроцессора это, к примеру, декодирование и выполнение команды и запись в регистры) состоит из пары наиболее простых микроступеней - появляется так именуемый запамятовать о этом упомянуть). Парадоксальность ситуации заключается к тому же ультраконвейер (термин введен М. Дорожевцом, который чрезвычайно просил не в том, что невзирая на наличие памяти в каждой определенной ячейке, на момент написания данной статьи не было рациональной архитектуры интенсивные работы над нею ведутся уже не 1-ый год. БОК-памяти случайного доступа и общего назначения (RAM), хотя Куда мы приплыли? За крайние 20 лет цифровая сверхпроводниковая электроника общемировой уровень активности оставался приблизительно неизменным, но испытала несколько существенных взлетов и падений. При всем этом география исследований изменялась, часто кардинальным образом. 1-ый взлет джозефсоновской технологии пришелся на Соединенные Штаты созданию сверхпроводникового суперкомпьютера с тактовой частотой в Америки начала 80-х годов: компьютерный гигант IBM объявил о планах по несколько гигагерц. Ученые из IBM не стали использовать БОКЛ, которая в то время еще лишь рождалась за "стальным занавесом", а употребляли MVTL представлялись так же, как и в КМОП, уровнями напряжения, но так именуемую вольтовую логику (voltage-stage logic, MVTL). Сигналы в передавались по сверхпроводниковым линиям, а хранились в сверхпроводниковых интерферометрах в виде уже знакомых нам квантов глобального частотного тактирования, что сводило на нет все магнитного потока. Значимым недочетом MVTL являлось требование достоинства перед полупроводниками (по скорости и по энерговыделению). Отсутствие ясных перспектив и конурентоспособности прототипный простой четырехбитный микропроцессор, отдал приказ долго привело к тому, что "ай-би-эмовский" проект, породив на свет жить. Коллектив учЈных и инженеров, работавших над процессором, отпочковался от IBM и возродился, как Феникс, спустя 10 лет - в А тем временем центр мировой джозефсоники переместился посреди 80-х виде компании "Хайпрес" (HYPRES, Inc.), о которой пойдет речь ниже. годов в Японию - в компании Hitachi и NEC. Жители страны восходящего солнца были неоригинальны и в качестве темы новейшего проекта MVTL. Логично, что финал японского проекта в точности совпал с избрали... четырехбитный микропроцессор, основанный на логике финалом его предшествующей, американской, реинкарнации: опосля демонстрации работающего чипа с микропроцессором на очередной интернациональной свернуты. конференции по сверхпроводниковой электронике (ISEC) работы были Еще одно падение сверхпроводниковой микроэлектроники совпало с крушением "стального занавеса", и новорожденная, но еще не окрепшая времени лаборатории криоэлектроники Физического факультета МГУ БОКЛ вырвалась на просторы Европы. Не считая уже существовавших к тому им. Ломоносова и технологического центра в Институте Радиолектроники (ИРЭ) АН СССР, лаборатории по исследованию БОКЛ раскрылись в пары открытием так именуемой высокотемпературной сверхпроводимости германских и шведских институтах. Энтузиазм к БОКЛ "подогревался" (глиняних сплавов, переходящих в сверпроводящее состояние при температуре в 77 кельвинов - другими словами в водянистом азоте, а не гелии!) В фигурировать высокоточные аналого-цифровые и цифро-аналоговые качестве многообещающих областей внедрения БОКЛ в первый раз стали преобразователи (АЦП и ЦАПы). К огорчению, поразивший советскую науку кризис привел к тому, что лаборатория криоэлектроники, а за ней и Круг замнулся, и последующий взлет джозефсоновской схемотехники и сотрудники ИРЭ в полном составе переехали в США и в Европу. технологии опять пришелся на США: на уже упоминавшиеся Институт штата Нью-Йорк в Стони-Бруке (SUNY at Stony Brook) и фирму (University of Rochester), Институт Беркли (UCB) и коммерческие HYPRES. Позже к исследованию БОКЛ подключились Институт Рочестера компании Westinghouse (сейчас Northrop Grumman), Conductus и TRW. Сразу разработки устройств на базе БОКЛ начались в Стране восходящего солнца, В текущее время в мире насчитывается наиболее 2-ух 10-ов групп, в Электротехнической лаборатории (ETL) и компании NEC. ведущих исследования в области БОКЛ. Основными применениями цифровой сверхпроводниковой микроэлектроники числятся: АЦП и их близкие родственники, программируемые генераторы сигналов; родственники, высокоточные квантовые магнитометры (SQUID'ы); ЦАПы и их телекоммуникационные коммутаторы, и, конечно, самый основной и самый масштабный по финансированию проект южноамериканского запятой в секунду. Сверхпроводниковые микросхемы, кроме HYPRES, операций с плавающей который является общепризнанными мировым фаворитом, делаются в Беркли, Стони-Бруке, TRW, Conductus, ETL и NEC. Из коммерческих производства Conductus, которые с фуррором употребляются в приложений следует отметить сверхпроводниковые БОКЛ-магнитометры бессчетных американских клиниках для наблюдения за сигналами мозга человека, и самый стремительный в мире АЦП, изготовленный в Что далее? HYPRES. Невзирая на блестящие перспективы, открывающиеся перед БОКЛ в связи с утверждением бюджета фазы III проекта петафлопного суперкомпьютера 64-битной рабочей станции - опять волшебная цифра "4"!), фуррор новейшего (предусматривающей изготовка прототипной четырехпроцессорной проекта зависит от того, как отлично сможет общество ученых и инженеров прикрыть "ахиллесовы пяты" БОКЛ. К "пятам" относятся: этого времени делает микросхемы с наименьшим разрешением в 3,5 ненадежная и морально устаревшая технологическая база (HYPRES до микрона, в то время как Intel уже уменьшил этот параметр до 0,18 микрона!) сверхпроводниковых устройств с наружным полупроводниковым миром отсутствие скоростных интерфейсов, обеспечивающих связь (наибольшая экспериментально зафиксированная частота обмена составляет несколько гигагерц и маловероятно, что она превзойдет 30 отсутствие массивных и портативных рефрижератов замкнутого цикла, ГГц); избавляющих от необходимости применять водянистый гелий и другие малопрятные и дорогостоящие воды. Этот вопросец, пожалуй, является индустрии, и тут наблюдается определенный прогресс. менее критичным, так как он решается не в институтах, а в Непременно одно - полупроводниковая электроника подступает к собственному крайнему лимиту, к крайней черте, как по допустимой плотности принадлежит новеньким, еще пока экзотическим технологиям, с одной из дизайна, так и по тактовой частоте. За данной нам чертой - будущее, и оно которых я и познакомил вас в данной статье. Комменты? Поправки? Дополнения?