СП переключатели и ЭП

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ И

ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИ

Идея об использовании сверхпроводников в ЭВМ возникла давно. Еще в середине 50-х годов было предложено сверхпроводниковое устрой­ство — криотрон,— в котором реализуются два состояния и которое может переключаться из одного состояния в другое.

                                   Рис. 6.20.1.                                                       Рис. 6.20.2.

Криотрон — устройство несложное. В своей первоначальной и простей­шей форме он представлял собой танталовую проволоку — вентиль,— вокруг которой были намотаны витки из ниобия (рис. 6.20.1). И тантал, и нио­бий — сверхпроводники, но критическая температура тантала — 4,4 К, а ниобия — 9,2 К. Поэтому в гелиевой ванне при температуре 4,2 К вентиль (и тем более обмотка) находится в сверхпроводящем состоянии и не оказыва­ет сопротивления проходящему через нее току. При подаче в обмотку управ­ления тока достаточной величины на поверхности вентиля появляется маг­нитное поле, превосходящее критическое, и танталовая проволока пере­ходит в нормальное состояние с конечным сопротивлением. Управляющая обмотка, имеющая более высокую критическую температуру, остается при этом в сверхпроводящем состоянии.

Такое устройство, по существу, действует как реле, замкнутое в сверх­проводящем и разомкнутое в нормальном состоянии. Так можно записывать 0 или 1, т. е. создавать простейший элемент памяти. Из нескольких криотронов, соединяя их в схеме, можно создавать устройства, отпирающие одни и запирающие другие каналы для прохождения тока, т. е. создавать счи­тающие, логические и другие элементы ЭВМ.

Пусть ток распределяется по двум параллельным цепям, содержащим криотроны (рис. 6.20.2). Если обе ветви являются сверхпроводящими, то ток будет раз­ветвляться по ним в соответствии с их индуктивностями. Если теперь криотрон К1на короткое время перевести в нормальное состояние, то общий ток пойдет по правой цепи. Такое распределение тока будет стабильным до тех пор, пока, скажем, криотрон К2не будет переведен в нормальное состояние управляющим импульсом, поданным на его катушку. Такой импульс пере­брасывает ток в левую цепь.

С помощью криотронов К3 и К4можно определять, в какой цепи течет сверхпроводящий ток, т. е. производить операцию считывания. Криотрон, управляемый током, текущим по данной ветви, находится в нормальном состоянии и при подаче на него импульса считывания даст сигнал в виде напряжения. Криотрон в другой цепи остается в сверхпроводящем состоянии.

Проволочный криотрон был прост по конструкции. Наряду с этим он отличался малой рассеиваемой тепловой мощностью при переходе в нормаль­ное состояние. И все же для криоЭВМ проволочные криотроны оказались непригодными — они работали слишком медленно. В состязании с быстро­действующими полупроводниковыми элементами проволочный криотрон проигрывает. И не потому, что «медлительна» сама сверхпроводимость: переход проволочки из одного состояния в другое происходит очень быстро. Быстродействие криотронного переключателя определяется его постоянной времени τ = L/R, где L— индуктивность управляющей обмотки, aR— сопротивление вентиля в нормальном состоянии. У проволочных криотронов τ = 10–3...10–4 с — это явно недостаточно для их применения в совре­менных машинах. Чтобы уменьшить постоянную времени τ, необходимо предельно увеличить сопротивление R и уменьшить индуктивность. Эту задачу можно решить, если вместо проволочек в криотроне исполь­зовать тонкие пленки, полученные напылением в вакууме. Такой пленочный криотрон показан на рисунке 6.20.3.

Рис. 6.20.3.

Вентиль здесь выполнен в виде тонкой пленки олова, нанесенной на подложку, а управляющим элементом служит свинцовая пленка, которая может располагаться либо перпендикулярно вентилю (поперечный криотрон, (рис. 6.20.3,а),либо параллельно (продольный криотрон, рис. 6.20.3,б).Изменением тока через управляющую пленку можно переводить вентиль из сверхпро­водящего состояния в нормальное и обратно, т. е. включать и выключать цепь. Обе пленки отделены друг от друга тонким слоем изолятора (обычно это окись кремния), имеют толщину порядка 10–7 м, а значит, малую ин­дуктивность и высокое сопротивление.

В дальнейшем конструкция пленочного криотрона была модернизирована введением между подложкой и вентильной пленкой свинцового экрана, который благодаря своему диамагнетизму в сверхпроводящем состоянии ограничивает объем, занимаемый магнитным полем. Это значительно умень­шает индуктивность криотрона и, следовательно, существенно увеличивает его быстродействие. Таким способом время переключения удалось снизить до 10–7 с, сохранив при этом высокую плотность монтажа: на площади 1 см2 можно разместить до ста пленочных элементов.

Рис. 6.20.4.

Для записи и хранения информации и построения ячеек памяти используется замкнутый сверхпроводящий контур, в котором может быть наведен незатухающий ток. Наличию тока можно приписать информацию 1, отсутствию — 0. На рисунке 6.20.4 показана принципиальная схема одного из вариантов криотронной ячейки памяти. На свинцовой подложке 1, покрытой тонким слоем диэлектрика, нанесены оловянные пленки в виде петель 2,соединенные в группы цифровым проводом 3.На оловянную пленку через слой диэлектрика напыляются свинцовые пленки А и В.

При записи информации через цифровой провод пропускают ток (рис. 6.20.4,а).Одновременно по проводам А и Впропускают токи, которые в сумме создают маг­нитное поле, способное разрушить сверхпроводимость на участке оловянной петли, расположенной под ними. Поэтому ток течет только по верхней части петли. Это состояние сохраняется и после выключения тока в проводах А и В,хотя оловянная пленка становится полностью сверхпроводящей. Если теперь через цифровой провод пропустить импульс тока, то в петле сформируется циркулирующий незатухающий ток, хранящий поданную информацию (рис. 6.20.4,б). Для считывания этой информации по проводам А и Впропускают суммарный ток, разрушающий сверхпроводимость на том участке оловянной петли, что и ранее. Это приводит к уничтожению тока в петле и введению в цифровом проводе смыслового импульса (рис. 6.20.4,в). Такая па­мять обладает рядом замечательных свойств и позволяет конструировать запо­минающее устройство емкостью до 109 ячеек памяти с быстродействием порядка 107 операций в секунду.

И все же превзойти параметры полупроводниковых схем сверхпровод­никам долго не удавалось. Оказалось, что время переключения криотронов не может быть меньше 10–8 с, а для современных ЭВМ даже 10–9 с — мил­лиардная доля секунды — не такая уж малая величина. В то же время сде­лать ЭВМ на сверхпроводящих криотронах оказалось гораздо труднее, чем на полупроводниках. И охлаждать ее надо было до очень низких температур. Поэтому сверхпроводящие криотроны на какое-то время были оставлены, и казалось, что это тупиковая ветвь в эволюции ЭВМ. Лишь с освоением эффектов слабой сверхпроводимости надежды на создание сверхЭВМ вновь возродились.