Не беда, что холода: перспективы развития сверхпроводниковой цифровой электроники

Наноразмерные джозефсоновские контакты и безиндуктивные логические схемы открывают возможность для радикального (в разы и даже на порядки) уменьшения всех ключевых схем современной сверхпроводниковой цифровой электроники.

Вычислительные комплексы, элементная база которых использует макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках, уже не первое десятилетие привлекают внимание научного сообщества. Характерное время переключения между устойчивыми состояниями джозефсоновского контакта — аналога полупроводникового диода и базы всех логических устройств — здесь составляет всего несколько пикосекунд (1пс = 10-12 с); тепла же при этом выделяется всего порядка 1 аДж (10-18 Дж). Даже с учетом энергозатрат на охлаждение современные цифровые джозефсоновские сверхпроводниковые устройства на пару порядков «бережливее» своих полупроводниковых аналогов. Сверхпроводниковая цифровая электроника используется в специализированных вычислительных системах в ситуациях, когда её достоинства — высокие быстродействие и энергоэффективность — оказываются критически важны. К таким задачам относятся, например, обработка сигналов с массивов сверхчувствительных низкотемпературных датчиков на перспективных космических обсерваториях, где энергетический бюджет сводится с большим трудом, а избавляться от выделяющегося в электронике тепла весьма тяжело. С интересом поглядывают на прототипы сверхпроводниковых суперкомпьютеров и «фермеры XXI века», оборудование которых занято майнингом криптовалюты или любыми иными однообразными и энергозатратными операциям. Наконец, сверхпроводниковые процессоры для квантовой индустрии должны обеспечить связь между электроникой, работающей при комнатной температуре, и устройствами, функционирующими при субкельвиновых морозах.

Но долгие годы развитие этой технологии сдерживает низкая степень интеграции. Одна из самых сложных проблем в этой области — уменьшение размера джозефсоновского контакта, нелинейного элемента сверхпроводниковых цепей. С физической точки зрения эта гетероструктура — просто «слабая связь» между двумя сверхпроводниками; обычно её готовили в виде «сэндвича» из двух сверхпроводящих электродов и прослойки из слоя изолятора. И если мы желаем получить наноразмерные параметры такого «джозефсоновского диода», то нужно делать слой диэлектрика атомарной толщины, что отрицательно сказывается на воспроизводимости характеристик устройства.

Сотрудники НОШ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» предложили метод миниатюризации таких гетероструктур. Оказалось, что контакт типа «сверхпроводник — металл — сверхпроводник» в геометрии «мостик переменной толщины» допускает многообещающую миниатюризацию планарных размеров. Ученые теоретически рассчитали температурные зависимости критического тока и характерного напряжения для различных интерфейсов, исследовали механизмы ухода тепла из такого «мостика».

Рис. 1. Предложенный джозефсоновский контакт «сверхпроводник — металл — сверхпроводник» в геометрии «мостик переменной толщины», позволяющий получать высокие значения критического тока и сопротивления в нормальном состоянии при высокой воспроизводимости основных характеристик

Но получить наноразмерный джозефсоновский аналог диода недостаточно для радикальной миниатюризации сверхпроводниковых цифровых устройств. Для хранения информации в таких схемах используют сверхпроводящие квантовые интерферометры (контура с джозефсоновскими контактами, аналоги уже не диодов, а транзисторов). И одна только индуктивность, используемая для хранения информации в виде квантов магнитного потока, занимает в этом случае несколько квадратных микрометров на чипе.

Сотрудники НОШ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» предложили использовать для хранения информации так называемую джозефсоновскую фазу (разность между фазами параметров порядка, описывающих сверхпроводящие коллективы по разные стороны от «слабой связи») отдельных контактов. Коллектив авторов при помощи имитационного численного моделирования на основе обобщенной резистивной модели джозефсоновских гетероструктур и метода баланса фаз для сверхпроводящих цепей предложил и исследовал разные варианты реализации ячейки памяти, а также 8-битного параллельного сумматора, способного функционировать без «индуктивностей для хранения информации».

Рис. 2. Пример предложенного безиндуктивного логического блока для сверхпроводниковой цифровой электроники. Крестами на схеме показаны джозефсоновские контакты

В комплексе наноразмерные джозефсоновские контакты и безиндуктивные логические схемы открывают возможность для радикального (в разы и даже на порядки) уменьшения всех ключевых схем современной сверхпроводниковой цифровой электроники.

Основные результаты проведенных исследований опубликованы в двух статьях в престижном журнале Physical Review Applied; представлена к защите диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (В.И. Ружицкий; научный руководитель И.И. Соловьев).

И.И. Соловьев, В.И. Ружицкий, С.В. Бакурский, Н.В. Кленов, М.Ю. Куприянов