Теоретическое и экспериментальное исследование пикосекундных процессов в структурах с джозефсоновскими переходами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

6 од

,, , г,

> МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДС 621.382

ПОЛОНСКИЙ Станислав Владимирович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПИКОСЕКУНДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СТРУКТУРАХ С ДЖОЗЕФСОНОВСКИМИ ПЕРЕХОДАМИ

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук

МОСКВА - 1993

Работа выполнена на кафедре Атомной Физики, Физики Плазмы и Микроэлектроники Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научный, руководитель:

доктор физико-математических наук ' К.К.ЛИХАРЕВ

Официальные -оппоненты:

доктор физико-математических наук В.П. Кошелец

доктор технических наук' В.И. Махов

Ведущая организация:

Институт Точной Механики и Вычислительной Техники АН РФ.

Защита состоится 1993 г. в /Г _ часов в конференц-

зале корпуса нелинейной оптики на заседании специализированного Ученого Совета N 1 отделения Радиофизики в Московском Государственном Университете.

Адрес: 119899, Москва, ГСП Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ученому секретарю специализированного Ученого Совета N 1 отделения Радиофизики.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан

1993 г.

Актуальность темы диссертации.

Возможность использования макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках для создания сверхбыстрой элементной базы вычислительной техники привдекала иссследователей начиная с открытия эффекта Джозефсона в начале, 60-х годов [1]. Эта возможность стала реальной после открытия надежной интегральной технологии изготошгения сверхпроводниковых структур с джозефсоновскими переходами тина ЫЬ/А^Оз/МЬ в середине 80-х годов [2]. Теоретически упомянутые структуры позволяют реализовать быстродействие порядка долей пикосекунды на элементарную логическую операцию при потреблении энергии на два-три порядка меньше достижимого полупроводниковыми устройствами.

Исторически наибольшее внимание исследователей уделялось структурам, использующим джозефсоновские переходы с малой диссипацией, и, соответственно, с гистерезисной вольт-амперной характеристикой. Двоичная информация в таких структурах представляется в потенциальном виде - сверхпроводящее состояние джозефсоновского перехода кодирует логический ноль, в то время как резистивное состояние кодирует логическую единицу. Усилия, направленные на развитие такого подхода, привели к созданию ряда устройств, обладающих рекордными характеристиками. Так, в частности, японскими учеными был продемонстрирован работающий прототип сверхпроводникового микропроцессора, содержащий 3056 логических элементов (около 15000 джозефсоновских переходов), с тактовой частотой 1.1 ГГц и энергопотреблением 6.1 мВт [3]. Впечатляющим примером систем с меньшей степенью интеграции является созданный в США 6-битный сверхпроводниковый аналогово-цифровой преобразователь с полосой 14 ГГц [4]. К основным недостаткам структур с гистерезисными джозефсоновскими переходами следует отнести необходимость многофазного переменного питания и эффект динамического пробоя. Эти факторы ограничивают максимальное быстродействие таких систем единицами Гигагерц и не позволяют реализовать полностью потенциальное быстродействие джозефсоновских переходов.

Структуры на джозефсоновских переходах с большой диссипацией и, как следствие, с безгистерезисной вольт-амперной характеристикой, использующие одиночные кванты магнитного

потока в качестве носителей логической информации, являются альтернативным подходом к цифровой сверхпроводниковой электронике. Предельное быстродействие таких систем определяется характерным напряжением Ус используемых джозефсоновских переходов и для субмикронной ниобиевой технологии приближается к одному терагерцу.

Принцип представления логической информации, использующий одиночные кванты магнитного потока, и полная система логических элементов, получившая название Быстрая ОдноКвантовая (БОК) логика, основанная на этом принципе, были предложенны в 1985 году сотрудниками лаборатории криоэлектроники МГУ [5]. К моменту начала настоящей диссертационной работы, данное направление получило ряд экспериментальных подтверждений [6], однако работоспособность многих логических элементов не была подтверждена экспериментально, отсутствовали надежные методы расчета и оптимизации элементов, структура многих элементов не являлась оптимальной.

Цель работы.

Целями диссертационной работы являлись:

- разработка методов анализа и оптимизации логических элементов на одиночных квантах магнитного потока и создание соответствующего програмного обеспечения;

- теоретический анализ и оптимизация известных, а также ■раэрабхлка новых логических элементов на одиночных квантах магнитного потока;—-----^^

- экспериментальное исследование~од*шкващовых элементов;

- исследование некоторых вопросов практической, применимости систем на одноквантовых элементах, в частности:

(а) использование сверхпроводниковых микрополосковых линий для передачи одноквантовых импульсов на большие, порядка 1 см, расстояния между БОК элементами,

(б) согласование одноквантовых структур с устройствами полупроводниковой электроники,

(в) определение-вероятности редких сбоев в системах на БОК элементах.

Научная новизна.

1. Разработана методика формального описания динамики одиночных квантов магнитного потока. Впервые разработана методика оптимизации параметров одноквантовых элементов.

2. Предложены следующие новые одноквантовые логические элементы: исключающее ИЛИ с инвертированным выходом, асимметричные И Я и Т триггеры, ячейка памяти с неразрушающим считыванием, Б триггер с комплиментарными выходами, одноразрядный демультиплексор.

3. Предложен новый класс одноквантовых элементов, в основе которого лежит применение (113)2 ,Т115, Т^ би-триггеров. Показано, как на основе указаных би-триггеров можно создать элементы: ячейка памяти с неразрушающим считыванием, одноразрядный мультиплексор, Б триггер с комплиментарными выходами, Т1 триггер.

4. Произведена оптимизация допусков параметров известных ранее, а также предложенных в диссертационной работе элементов. Типичные допуски на критические токи джозефсоновских переходов оптимизированных элементов превышают 30%, допуски на индуктивности лежат в диапазоне 40-60%, допуски на токи питания составляют 20-35%.

5. Проведено экспериментальное исследование работы одноквантовых элементов на низких (единицы килогерц) частотах. Все изученные элементы (инвертор, асимметричный Т триггер, ячейка памяти с неразрушающим считыванием, Б триггер с комплиментарными выходами, одноразрядный демультиплексор, Т2 триггер) продемонстрировали полную работоспособность с допусками на токи питания в диапазоне 15-30%.

6. Найдены условия идеального согласования джозефсоновской линии передачи со сверхпроводниковой микрополосковой линией передачи без отражений. Экспериментально продемонстрирована возможность пересылки одноквантовых импульсов на расстояния 0.1, 0.5 и, 1 см по микрополосковой линии между одноквантовыми логическими элементами.

7. Проведен эксперимент по определению вероятности редких сбоев в кольцевой схеме на основе БОК. инвертора. В центре области

работоспособности при температуре 4.2 К и минимальном экранировании получена верхняя граница вероятности сбоев, равная 310" на одну логическую операцию.

П рактическая ценность.

Разработанный в диссертационной работе комплекс программ моделирования динамики сверхпроводниковых устройств с джозефсоновскими переходами PSCAN широко используется более чем в 15 университетах, государственных научных организациях и частных компаниях России, Европы и США.

Предложенные в диссертационной работе элементы на основе би-триггеров в настоящее время используются специалистами Института Радиотехники и Электроники РАН, Университета штага Нью-Йорк (США) и фирмы Hypres, Inc. (США) для разработки сверхбыстрых одноквантовых аналогово-цифровых преобразователей.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Applied Superconductivity Coaference'9Q, Snowmass, USA, L990.

2. Intemat. Supercinductor Electronics Conference'91, Glasgow, UK, 1991.

3. Applied Superconductivity CoRference'92, Chicago, USA, 1992.

Содержание работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и трех приложений.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы, кратко излагается содержание работы.

Первая глава посвящена обзору известных сверхпроводниковых цифровых систем. Кратко рассмотрены логические системы на гистсрезисных джозефсоновских переходах, использующие потенциальное представление информации. Приведены основные результаты разработки устройств на их основе. Значительное внимание уделено анализу недостатков таких систем: необходимости многофазового переменного питания и явлению динамического пробоя.

Далее обсуждаются цифровые сверхпроводниковые структуры на одиночных квантах магнитного потока. Описана динамика таких структур, показано, каким образом возможно представление двоичной информации и выпс-нение логических функций на их основе. Кратко описаны базисные элементы БОК логики. Приведены данные по экспериментальному подтверждению работоспособности БОК элементов и устройств {на конец 1992 года). Проведено сравнение возможных устройств на основе БОК элементов с существующими полупроводниковыми устройствами и обсуждены наиболее перспективные области применения сверхпроводниковых структур на одиночных квантах магнитного потока.

Завершает первую главу обзор существующих методов и программ моделирования устройств сверхпроводниковой электроники.

Вторая глава посвящена разработке методов моделирования динамики сверхпроводниковых структур с джозефсоновскими переходами и развитию соответствующего програмного обеспечения. В начале главы приводится описание модификации табличного метода моделирования электронных схем в применении к сверхпроводниковым структурам. Сущность модификации состоит в замене вектора узловых напряжений, описывающего состояние схемы, на вектор узловых джозефсоновских фаз. Такая замена позволяет адекватно моделировать явления макроскопической квантовой интерференции и влияние внешнего магнитного поля на сверхпроводниковые структуры. Далее описывается ряд методов, специфичных для структур с джозефсоновскими переходами: •

- метод усреднения джозефсоновских осцилляции, применяемый, как правило, для вычисления вольт-амперных характеристик систем с джозефсоновскими переходами,

- метод вычисления пороговых характеристик систем, содержащих сверхпроводниковые квантовые интерферометры, -метод моделирования микроскопической модели Вертхамера для джозефсоиовского перехода. Завершает, первый раздел настоящей главы описание структуры комплекса программ PSCAN (Personal Superconductor Circuit ANalyzer), реализующий указанные методы. В основу вычислительного ядра программы положен подход, широко пременяющийся в системах автоматического проектирования электронных систем, а именно, для каждой моделируемой структуры PSCAN, исполняемый на персональном компьютере IBM/PC, создает оптимизированную программу анализа на языке ФОРТРАН (см. рис. 1). Эта программа является машинно-независимой и может быть скомпилирована и исполнена на любом компьютере, включая суперкомпьютеры.

£исЛ. Структура комплекса программ PSCAN.

Типичное время анализа одного такта—ра£ющ____структуры

содержащей 100 джозефсоновских контактов на персональном компьютере с микропроцессором Intel 486/33 не превышает 10 секунд. Размер комплекса программ составляет около 50,000 строчек на языках Пролог, Си, ФОРТРАН и Ассемблер.

Второй раздел главы посвящен разработке метода формального описания динамики одиночных квантов магнитного потока в сверхпроводниковых структурах с джозефсоновскими переходами. Такое описание необходимо для автоматического определения правильности функционирования схем на одиночных квантах магнитного потока, что, в свою очередь, является необходимым

условием для применения алгоритмов оптимизации указаных схем. Описание представляет собой декларативный язык типа языка Пролог, атомарными предикатами которого являются ссылки на функционалы, описывающие состояние моделируемой схемы. Предложения описания состоят из двух частей: условия и следствия. Интерпретация описания происходит следующим образом: если состояние моделируемой схемы таково, что выполняется условие предложения, то должны быть также удоатетворснны и следствия данного предложения. В противном случае, поведение схемы считается неправильным.

В третьем разделе главы приводятся методы, разработанные для оптимизации структур на одиночных квантах магнитного потока:

- метод определения параметра схемы, имеющего минимальный

допуск,

- метод максимизации минимального допуска на основе

симплекс-алгоритма.

Третья глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию логических элементов на одиночных квантах магнитного потока. Глава начинается с раздела, посвященного описанию методики расчета джозефсоновских структур на одиночных квантах магнитного потока, а также описания использованной экспериментальной установки и методики измерения упомянутых структур.

Далее описывается структура, реализующая функцию БОК инвертора, и являющаяся результатом структурной оптимизации РОК инвертора ¡6). Показывается, каким образом можно реализовать логическую функцию Исключающее ИЛИ с инвертированным выходом путем симметризации БОК инвертора.

В следующих двух разделах обсуждаются одноквантовые структуры, использующие1 несмещенные джозефсоновские переходы для выполнения логически^ функций. Данный подход был предложен для увеличения допусков на параметры логических элементов и обсуждается на примере структур, реализующих функиии асимметричных ЛБ и Т триггеров.

Другой подход, а именно, использование задержаной обратной связи, был предложен как метод создания одноквантовых логических -элементов на регулярной основе. Идея метода состоит р использовании выходных импульсов элемента, задержаных в коротких

(1-2 сегмента) джозефсоновских линиях передач для изменен! состояния логического элемента. Подход иллюстрируеп результатами моделирования и экспериментальных измерений ячей* памяти с неразрушаюшим считыванием, В триггера комплиментарными выходами и одноразрядного дсмультиплексор Анализ полученных результатов показывает, что использован! данного подхода позволяет увеличить допуска на параметр логических элементов, правда, за счет некоторого снижет быстродействия (увеличение тактового цикла на ~5пс).

Обсуждение нового класса одноквантовых логичесю элементов на основе бн-триггеров продолжает третью главу. Основа отличие би-триггеров от обычных триггеров состоит в использоваш нескольких независимых входов/выходов, выполняющих одну и ту > функцию. При этом, сигнал, генерируемый на одном из выходе несет информацию не только о логическом состоянии би-триггера, 1 и о терминалах, на которые пришли входные импульсы.

81,82

Рис. 1.

(а)

эквивалентная состояний. ТК5 триггер получается соединения входов 81, Ш; Т^ - посредством соединенмяИвходс Ш и Б2, Я2 соответственно.

В основе нового класса лежат три фундаментальных б триггера (1*5)2, ТЯ5, Т^ (см. рис. 2). Модификации базисных б триггеров позволяют получить ряд практически важных логическ элементов, в частности, ячейку памяти с неразрушаюин считыванием, одноразрядный мультиплексор, Б триггер комплиментарными выходами (ОРИС элемент), Т1 триггер, одноразрядный реверсивный счетчик.

Завершает главу раздел, в котором просуммированы результаты теоретического и экспериментального исследования предложенных одноквантовых логических элементов (см. табл. 1).

Таблица 1. Основные результаты оптимизации и экспериментального исследования логических элементов на одиночных квантах магнитного потока.

№ Элемент Число ДП Мин. допуск на ДП Допуск по питанию (теор.) Допуск по питанию (эксп.)

1 Инвертор 5 ±31% ±30% ±29%

2 Асимметричный ЯБ-триггер 4 ±45% ±37% (а)

3 Асимметричный Т-триггер 4 ±28% ±37% ±16%

4 элемент (зос)(&) б ±25% ±27% ±17%

5 БРРС элемент (зос) 9 ±31% ±23% ±13%

6 Демультиплекс. (зос) 14 ±17% ±19% ±16%

7 (ИБ)^ триггер 12 ±30% ±31% (а)

8 Т- триггер 12 ±24% ±19% ±17%

(а) элемент не был исследован экспериментально.

(б) элемент на основе задержаной обратной связи.

В четвертой главе рассматривается рад вопросов практической применимости систем на одноквантовых элементах.

В первом разделе настоящей главы изучается вопрос о возможности согласования одноквантовых логических элементов со сверхпроводящими микрополосковыми линиями передачи. Для случая использования однородной ДЛП предложена эквивалентная схема идеального (т.е. без отражений) согласования с микрополосковой линией и получены формулы для расчета параметров этой схемы. На основе указаных формул был рассчитан и успешно проверен экспериментально ряд структур, демонстрирующих передачу одноквантовых импульсов на расстояние 0.1, 0.5 и I см. Завершает раздел теоретический аналшвозможностей использования микрополосков минимальной ширины. Показано, что для субмикронной джозефсОвозской_технологИи~ ширина микрополоска может быть уменьшена до 1 мкм, что обеспечит высокую плотность' ■■ межсоединений.

Во втором разделе приводятся результаты оптимизации экспериментального исследования сверхпроводящих преобразов телей одноквантовых импульсов в постоянное напряжени необходимых для связи одноквантовых структур с усгройстваь полупроводниковой электроники. Преобразователи основаны i использовании асимметричных RS и Т триггеров. В частности, для триггера минимальный допуск на критические токи джозефсоновск! переходов равен 35%, а допуск на ток питания составил 34% (теори и 21% (эксперимент). Выходное напряжение преобразователей i ниже 0.3 мВ.

Раздел завершается обсуждением нового преобразователя высоким выходным напряжением на основе элемента типа HUFFI (Hybrid Unlatching Logic Element), использующего нешунтироваш джозефсоновские контакты и питание от постоянного тока. Допуа параметров преобразователя составляют 20-30%, а выходн напряжение приближается к шелевому напряжени джозефсоновского перехода (2.6 мВ для ниобиевой технологи! Экспериментальное исследование пребразователя не было успешнь в связи с трудностями демпфирования LC резонансов двухконтактных интерферометрах элемента HUFFLE. Обсуждают перспективы преодоления этих трудностей.

Третий раздел главы посвящен экспериментально! определению вероятности редких сбоев в одноквантовых систем; Изучалась кольцевая структура, состоящая из БОК инвертора, и ДЛ соединяющей выход инвертора с его тактовым входом. В так

структура__________возможна самоподдерживающаяся циркуляц

одноквантовыхТшШульеоа^^а^посшянное напряжение на н

пропорциональной числу таких им пул bccnL_______Любо й сбой

функционировании инвертора и/или ДЛП изменяет числоТГйпульс< что может быть зарегистрированно по скачку напряжения структуре. Проведенные измерения дали верхнюю оценку вероятное сбоя, равную 310'на одну логическую операцию.

В заключении сформулированны основные выводы диссертаи онной работы:

1. Разработаны методы описания и численной оптимизац динамик« одиночных квантов магнитного потока в структурах джозефсоновскими переходами. Создан пакет программ PSCAN д

анализа таких структур. Типичное время анализа одного такта работы схемы из 100 джозефсоновских контактов на персональном компьютере с микропроцессором Intel 486/33 не превышает 10 секунд.

2. Предложен и экспериментально исследован ряд джозефсоновских структур, реализующих логические операции с одиночными квантами магнитного потока на основе эффекта запаздывающей обратной связи с максимальным быстродействием порядка 50 ГГц. Экспериментальное исследование подтвердило высокие (25-35%) допуска на критические параметры элементов.

3. Предложено и экспериментально проверено семейство логических элементов на основе новой универсальной структуры (бн-триггера). Элементы этого семейства использованы для создания рила цифровых устройств, таких как реверсивный счетчик и программируемый генератор одноквантоиых импульсов.

4. Проведено исследование передачи одноквантовых импульсов подлинным пассивным микрополосковым сверхпроводящим линиям. Предложен метод оптимального согласования микрополоскоиой линии с нелинейной джозефсоновской нагрузкой. Экспериментальное исследование доказало возможность передачи таких импульсов длительностью около 5 не на сравнительно дальние (более 1 см) расстояния без существенного затухания и дисперсии.

5. Проведена экспериментальная оценка вероятности редких сбоев в типичных логических элементах на одиночных квантах магнитного потока. Полученные результаты показывают, что вероятность сбоя при выполнении одной элементарной логической операции при температуре 4.2 К и минимальной экранировке не превышает 310*'5.

В Приложении 1 приведено описание входного языкз комплекса программ PSCAN, а также языка описания динамики одиночных квантов магнитного потока.

В Приложении 2 описаны функциональные интерфейсы к программным модулям PSCAN-a.

В Приложении 3 описан алгоритм экстракции индуктивных параметров эквивалентной схемы из матрицы адмитансов и программа, реализующая этот алгоритм.

\

Публикации по теме диссертации.

1. "New Elements of the RSFQ Logic Family", IEEE Trans, on Magn., vi 29, pp. 2435-2440, 1990. (Соавторы O.A. Муханов, B.K. Семенов).

2. "New Elements of the RSFQ Logic/Memory Family", in Ext. Abs 1SEC-91, Glasgow, U.K., pp. 200-203. (Соавторы А.Ю. Кидиярова Шевченко, А.Ф. Кириченко, П.Н. Шевченко).

3. "New SFQ/DC Convener for RSFQ Logic/Memory Famil; Supercond. Sci. Technol., vol. 4., pp.442-444, 1991.

4. "PSCAN: Personal Superconductor Circuit ANaiyzer", Supercond. S Technol., vol. 4, pp. 667-670, 1991. (Соавторы B.K. Семене П.Н.Шевченко)

5. "New RSFQ Circuits", to be published in IEEE Trans, on Ap Supercond. (Соавторы B.K. Семенов, П.И. Бунык, А.Ф. Киричен* А.Ю. Кидиярова-Шевчеико, О.А. Муханов, П.Н. Шевченко, Д.1 Шнайдер, Д.Ю. Зиновьев, и К.К. Лихарев).

6. 'Transmission of Single Flux Quantum Pulses Along Superconducti Microstrip Lines", to be published in IEEE Trans, on Appl. Supercor (Соавторы B.K. Семенов, Д.Ф. Шнайдер).

7. "Bi-Flip-Flops and their Applications for the RSFQ circuitry", to published in IEEE Trans, on Appl. Supercond. (Соавторы B.K. Семене А.Ф. Кириченко).

8. "Эффект Джозефсона в туннельных SS'IS'S структурах", бух опубликовано в ЖЭТФ (соавторы А.А. Голубов, М.А. Гурвич, M.I

Develop., vol. 24, no. 3, 1980.

2. Y. Tarutani, M. Hirado, and U. Kawabe, "Niobium-based integral circuit technologies", Proc. IEEE, vol. 77, no. 8, pp. 1164-1176, 1989. 3 S. Hasuo, "Josephson Integrated Circuits II. High-Speed Digi Circuits", Fujitsu Sci. Tech. J., vol. 27, no.l, 1991. 4. P. Bradley, "A 6-Bit Josephson Flash A/D Converter with GHz Inj l Bandwidth", report EM-1 on Appl. Supercond. Conference'92, Chicaj

I 1992.

5. K.K. Likharev, O.A. Mukhanov, V.K. Semenov, "Resistive single fluv. quantum logic for the Josephscin junction technology", in SQIIID'8.V Berlin, Germany. W. de Gruyter, pp. 1103-1108, 19X5.

6. V.P. Koshelets, K.K. Likharev,, V.V. Miguiin, O.A. Mukhanov, G.A. Ovsyannikov, V.K. Semenov, I.L. Serpuchcnko, A.N. Vystavkin, "Experimental realization of* a Resistive Single Flux Quantum Logic Circuit",.IEEE Trans. Magn., vol. 23, no. 2, pp. 755-75X. 19X7.

T*norp»n>««. U-M^>VlyfOi)k. Tup»* »I. 3»K.J №