快速單通量量子
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在電子學領域中,快速單通量量子(英語:rapid single flux quantum,縮寫RSFQ;也稱快單磁通量子)是一種使用超導裝置的數位產品,也稱約瑟夫森結, 用來處理數位訊號。在RSFQ邏輯中,資訊以磁通量量子的形式儲存,並以單通量量子(Single Flux Quantum,縮寫SFQ)電壓脈衝的形式傳遞。RSFQ是超導或SFQ邏輯的一個家族。其他家族包括Reciprocal Quantum Logic (RQL)、ERSFQ——不使用偏置電阻等元件的節能RSFQ版本。約瑟夫效應是RSFQ電子的有源元件,就像電晶體是半導體電子中的有源元件一樣。RSFQ是一種經典數學而非量子電腦技術。
- 超導裝置需要低溫。
- 約瑟夫森結產生的皮秒級SFQ電壓脈衝被用於編碼、處理和傳輸數字資訊,這代替半導體電子器件中電晶體產生的電壓電平。
- SFQ電壓脈衝在超導傳輸線上的行程非常小,並且如果脈衝的頻譜分量不超過超導體能隙的頻率,通常可以忽略不計。
- 在1 ps的SFQ脈衝情況下,電路計時可能達到100 GHz頻率(每10皮秒一次脈衝)。
優點
- 可以與CMOS電路、微波和紅外線技術互操作
- 極快工作頻率:從幾十千兆赫到高達數百千兆赫
- 低功耗:比CMOS電路低大約10萬倍(不考慮冷卻)
- 現有晶片製造技術可適用於製造RSFQ電路
- 良好的製造變化耐受性
- RSFQ電路本質上是自我計時,這使非同步設計更實用。
缺點
- 需要低溫冷卻。傳統上這已通過低溫液體實現,諸如液氮和液氦。最近來說,如脈管制冷機等封閉式迴圈制冷機已納入考慮,它們能避免使用昂貴且需要定期再填充的低溫液體。低溫冷卻還有一個優點是降低了工作環境的熱噪聲。
- 通過使用高溫超導體,冷卻的要求可得到放寬。但迄今為止,使用高溫超導體僅實現了非常低複雜度的RFSQ電路。據信基於SFQ的數位技術在溫度高於~20 K - 25 K時變得不切實際,參數EJ/kBT因溫度T的增加導致的減小會導致誤碼率(熱誘髮結切換)呈指數增長 ,其中 EJ = IcΦ0/2π 是約瑟夫森能量。
- 靜態功耗通常比執行邏輯操作所需的動態功耗大10-100倍,這是其一個缺點。不過,在ERSFQ版本的RSFQ中,通過使用超導電感器和約瑟夫森結而非偏置電阻(靜態功耗來源)則完全消除了靜態功耗。
- 由於RSFQ是一種顛覆性技術,專門的教育程度和商業軟體仍有待開發。
應用
參見
參考資料
- ^ Yerosheva, Lilia Vitalyevna; Peter M. Kogge. High-Level Prototyping for the HTMT Petaflop Machine (2001). Department of Computer Science and EngineeringNotre Dame, Indiana. April 2001 [2017-11-02]. (原始內容存檔於2014-09-04).
- ^ Bunyk, Paul, Mikhail Dorojevets, K. Likharev, and Dmitry Zinoviev. "RSFQ subsystem for HTMT petaFLOPS computing." Stony Brook HTMT Technical Report 3 (1997).
拓展閱讀
- Superconducting Technology Assessment (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館), study of RSFQ for computing applications, by the NSA (2005).
- 超导RSFQ计算机. 中國計算機學會通訊. 2016, (3) [2017-11-02] (中文(中國大陸)).[永久失效連結]
外部連結
- An introduction to the basics and links to further information at the State University of New York at Stony Brook.
- K.K. Likharev and V.K. Semenov, RSFQ logic/memory family: a new Josephson-junction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems. IEEE Trans. Appl. Supercond. 1 (1991), 3. doi:10.1109/77.80745
- A. H. Worsham, J. X. Przybysz, J. Kang, and D. L. Miller, "A single flux quantum cross-bar switch and demultiplexer," IEEE Trans. on Appl. Supercond., vol. 5, pp. 2996–2999, June 1995.
- Feasibility Study of RSFQ-based Self-Routing Nonblocking Digital Switches (1996) (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Design Issues in Ultra-Fast Ultra-Low-Power Superconductor Batcher-Banyan Switching Fabric Based on RSFQ Logic/Memory Family (1997) (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- A Clock Distribution Scheme for Large RSFQ Circuits (1995) (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Josephson Junction Digital Circuits – Challenges and Opportunities (Feldman 1998) (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- Superconductor ICs: the 100-GHz second generation (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) // IEEE Spectrum, 2000