СВЕРХ-ЭВМ НА ТУННЕЛЬНЫХ КОНТАКТАХ
Новый физический эффект открыл новые технические возможности. Обратив внимание на характеристики джозефсоновских туннельных контактов, создатели ЭВМ сразу нащупали правильный путь.
Вот цепочка их рассуждений и действий. Если ток, проходящий через джозефсоновский туннельный контакт, не превышает определенной величины, то вся система должна находиться в сверхпроводящем состоянии и обладать нулевым сопротивлением. С помощью внешнего магнитного поля или тока такой контакт можно подвести близко к переходу в нормальное состояние, и тогда для перехода нужен совсем небольшой управляющий импульс тока. На контакте сразу же возникает разность потенциалов, что означает появление у него определенного сопротивления. Таким образом, туннельный контакт может находиться в двух состояниях, определяемый наличием и отсутствием напряжения на контакте. На этом принципе могут быть построены туннельные джозефсоновские криотроны.
Так как переход от нулевого сопротивления к конечному не связан с разрушением сверхпроводящего состояния материалов, то скорость переключения туннельных криотронов оказывается значительно более высокой, чем у обычных сверхпроводящих криотронов. При размерах контактов порядка десятка микрометров время срабатывания элемента оказывается порядка 10–10 —10–11 с.
Энергия, выделяемая при каждом переключении, составляет всего 10–17 Дж (предельно возможная величина еще на два порядка меньше). Это означает, что можно значительно увеличить плотность размещения таких элементов. Даже очень большая схема, собранная из миллиардов туннельных элементов, будет иметь очень небольшую мощность тепловыделения; устраняется, таким образом, главное препятствие на пути к микроминиатюризации быстродействующих ЭВМ.
Элемент памяти на туннельных криотронах схематически показан на рисунке 6.21.1. Система состоит из двух джозефсоновских туннельных контактов К1 и К2 и управляющего проводника над ними.
Информация записывается в виде тока в контуре С1С2 циркулирующего либо по часовой стрелке (состояние 1), либо против (состояние 0).
Рассмотрим работу этого элемента. Пусть требуется записать 1 в ячейку, находящуюся первоначально в состоянии 0. Процесс записи начинается с пропускания тока управления Iy. Этот ток разветвляется так, что через контакт С1 теперь течет
ток ,а через контакт С2 — ток.Затем полается ток IX; он подбирается таким, чтобы при совпадении IХи I0 вентиль закрылся, т. е. перешел в нормальное состояние. Тогда ток через контакт С2 будет возрастать до тех пор, пока ток через контакт К1не упадет до некоторой малой величины, при которой контакт К1снова переключится на туннелирование. Теперь уже ток через контакт С2будет больше, чем через контакт C1,и при выключении тока в контуре возбудится циркулирующий ток по часовой стрелке, что соответствует 1. При этом магнитный поток в контуре остается неизменным.
Считывание информации производится с помощью контакта K3. Для этого включается ток Iу и считывающий ток Iс. Если ток, то контакт К3переходит в состояние с конечным падением напряжения, выдавая при этом необходимую информацию. Если же ток циркулирует против часовой стрелки, то в контакте С2 ток и переключения контакта K3 не происходит.
Рис. 6.21.1
Для записи нуля нужно снова подать ток Iу и изменить направление тока I0.
Для хранения информации очень удобно использовать рассмотренное выше явление квантования магнитного потока. Такой способ хранения информации основан на том, что в контакт могут проникать отдельные кванты магнитного потока. Оказалось возможным вводить квант магнитного потока в джозефсоновский туннельный контакт и удалять его из контакта, фиксируя при этом изменения состояния контакта. Носителем информации в этом случае является квант магнитного потока, заключенный в самом контакте. Квант потока можно вводить также в сверхпроводящее кольцо малых размеров с джозефсоновским туннельным контактом.
Джозефсоновские схемы можно изготовлять по той же технологии, что и полупроводниковые интегральные схемы. На основе БИС со степенью интеграции 105...106 криотронов на плате можно создать работающие блоки машины, эквивалентной по структуре наиболее мощным ЭВМ. Производительность такой машины может составлять более 1010 операций в секунду, а рассеиваемая мощность — менее ватта. С такими рекордсменами полупроводниковые элементы конкурировать уже не могут. Преимущества джозефсоновских элементов окупают затраты на охлаждение, трудности конструирования и многие другие недостатки сверхпроводящих ЭВМ. Сейчас во всем мире ведутся интенсивные работы по созданию сверхЭВМ. И хотя на этом пути еще очень много нерешенных проблем, специалисты считают, что день, когда заработает первая ЭВМ на сверхпроводниках, не за горами.