Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Nadprzewodzące układy scalone, prostsze niż myślisz.

ghost666 20 Paź 2014 14:25 3186 0
  • Nadprzewodzące układy scalone, prostsze niż myślisz.Układy elektroniczne wykonane z nadprzewodzących materiałów - takich, które charakteryzują się zerowym oporem elektrycznym - mogą być od 50 do 100 razy mniej energochłonne niż użytkowane dzisiaj klasyczne układy scalone. Jest to kusząca perspektywa, zwłaszcza gdy spojrzy się na zwiększające się zapotrzebowanie na energię elektryczną systemów elektronicznych, takich jak serwerowanie i inne systemy nadzorujące Internet.

    Nadprzewodzące układy scalone obiecują znacznie zwiększenie wydajności obliczeniowej: układy skonstruowane z tak zwanego złącza Josephsona, funkcjonuje przy taktowaniu 770 GHz. To około 500 razy więcej niż taktowane są układy w dzisiejszych smartfonach.

    Jednakże układy oparte o złącze Jospehsona są duże i skomplikowane w tworzeniu. Największym problemem jest fakt, iż prądy płynące przez to złącze są tak niewielkie, iż problematyczna jest detekcja wyników obliczeń. Sprawdzają się one jedynie w niewielkiej ilości specjalizowanych układów z precyzyjnymi systemami detekcji sygnału.

    W ostatnim wydaniu prestiżowego czasopisma Nano Letters naukowcy z MIT zaprezentowali nowy projekt układu, który mógłby uczynić nadprzewodzące układy scalone znacznie tańszymi i prostszymi w produkcji. Jakkolwiek prędkość ich działania byłaby porównywalna z dzisiejszymi układami scalonymi, to rozwiązują one problemy związane z detekcją sygnału na wyjściu z układów opartych o złącze Josephsona.

    Naukowiec z MIT, Adam McCaughan, który niedawno skończył studia na inżynierii elektrycznej i jego promotor, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej Karl Beggren, opracowali urządzenie, które nazwali nanokriotronem, po kriotronie - eksperymentalnym systemie stworzonym w latach '50 XX wieku przez profesora Dudleya Bucka. Kriotron skupił na sobie znaczne zainteresowanie gremium akademickiego (a także sporą ilość funduszy na badania) jako podstawa nowej generacji systemów liczących (jednakże układy scalony) opracowywanych w tych samych czasach, wyprzedziły go w tym zastosowaniu.

    "W sferze nadprzewodzących układów elektronicznych naukowcy stworzyli wiele układów, które przychodziły i odchodziły, jednakże nie udało się zastosować ich w rzeczywistych aplikacjach" mówi McCaughan. "W napisanym przez nas artykule opisaliśmy, jak udało nam się zaaplikować opracowany przez nas układ w aplikacjach, które będą niezwykle istotne w przyszłości - w nadprzewodzących systemach obliczeniowych i komunikacji kwantowej".

    Nadprzewodzące układy wykorzystywane są w detektorach światła, które mogą rejestrować przybycie pojedynczego fotonu. Jest to jedna z aplikacji, w których testowano nanokriotron. McCaughan testował także układy obliczeniowe, łącząc kilka układów w jeden, aby skonstruować prosty system cyfrowej arytmetyki, jakim jest pół-sumator.

    Opór jest bezcelowy

    Nadprzewodniki nie wykazują jakiegokolwiek oporu elektrycznego, co oznacza, iż elektrony płyną przezeń bez żadnych utrudnień. Nawet najlepsze klasyczne przewodniki, takie jak miedź, używane w okablowaniu i w konwencjonalnych układach scalonych, charakteryzują się jakimś oporem elektrycznym. Aby wymusić przepływ prądu w tych materiałach konieczne jest przykładanie napięcia o wiele większego niż to, jakie powoduje przepływ elektronów w nadprzewodniku. Gdy elektrony płyną przez klasyczny przewodnik czasami zderzają się z atomami materiału, uwalniając energię elektryczną jako ciepło.

    Nadprzewodniki są zwykłymi materiałami, dopóki nie ochłodzi się ich do bardzo niskiej temperatury, w której wibracje atomów w strukturze krystalicznej są tłumione, co pozwala elektronom przepływać przez materiał bez kolizji z materiałem. Laboratorium profesora Berggrena skupia się na układach złożonych z nadprzewodników wykonanych z azotku niobu, który ma dosyć wysoką temperaturę pracy, wynoszącą 16 Kelwinów (około -257°C). Temperatury takie da się osiągnąć z pomocą ciekłego helu, który to w nadprzewodzącym układzie scalonym przepływałby w rurkach w strukturze układu, podobnie jak Freon w lodówce.

    System chłodzenia ciekłym helem oczywiście zwiększałby zużycie mocy przez nadprzewodzący układ, jednakże z uwagi na zmniejszenie poboru mocy przez układ do około 1% tego ile pobierają dzisiejsze układy scalone, oszczędności energii elektrycznej byłyby znaczne. Co więcej serwerownie wyposażone w nadprzewodzące komputery mogłyby zrezygnować z systemów chłodzenia używanych dzisiaj, które chronią serwery przed przegraniem się.

    Tanie układy nadprzewodzące pozwoliłyby na tańszą konstrukcję detektorów pojedynczych fotonów. Systemy takie są kluczowym elementem składowym układów przetwarzających informacje, które miałyby wykorzystywać przyspieszenie wynikające z wykorzystania systemów kwantowych.

    Inżynieria z literą T

    Nanokriotron lub nTron, jak nazwali go naukowcy, to urządzenie składające się z pojedynczej warstwy azotku niobu naniesionej na warstwę izolatora elektrycznego, w kształcie przypominającym literę T. Jedyną różnicą jest to, że w miejscu, gdzie w literze T nóżka łączy się z daszkiem, jej grubość zmniejsza się do około 1/10 jej grubości. Elektrony płynące przez nóżkę litery T są w tym miejscu skupiane w jednym miejscu, co powoduje produkcję ciepła, co lokalnie niszczy nadprzewodnictwo azotku niobu. Jeśli przyłoży się do podstawy litery T napięcie, przez daszek litery przestaje płynąć prąd. Ten układ tworzy podstawowy element nadprzewodzącego systemu - przełącznik elektryczny podobny do tranzystora.

    Po tym jak odłączy się potencjał od podstawy litery prąd zaczyna płynąć, jak tylko struktura ochłodzi się z powrotem do temperatury poniżej 16 K. Jako że układ chłodzony jest ciekłym helem nie zajmuje to dużo czasu. Jednakże układ o takiej architekturze raczej nie pokona granicy 1 GHz, typowej dla dzisiejszych układów scalonych. Oczywiście nadal istnieje pewne zastosowanie dla takich systemów, szczególnie w aplikacjach, gdzie ważniejsze jest zużycie energii, a nie prędkość działania.

    Jednakże najbardziej obiecującą aplikacją jest wykorzystanie opisywanego układu do łączenia świata zewnętrznego z złączem Josephsona. Złącze tego typu wykorzystuje prądy na tyle małe, iż tylko wyspecjalizowane systemy laboratoryjne są w stanie go detekować. Nie są to prądy pozwalające na przesyłanie danych do pamięci, nie mówiąc już o komunikacji ze światem zewnętrznym.

    W swoich eksperymentach McCaughan zademonstrował, iż prądy nawet mniejsze niż te które płyną przez złącze Jospehsona, są dostatecznie duże aby przełączać nTron z przewodzącego do nieprzewodzącego stanu. Prąd płynący przez 'bazę' układu może być niewielki, skutecznie przełączając duży prąd płynący przez daszek litery T. Co najważniejsze - prąd ten może być dostatecznie duży, aby komunikować układ z światem zewnętrznym, systemami pamięci czy też całą płytą główną w komputerze.

    "Uważam, że to wspaniały układ" - mówi Oleg Mukhanov, zarządzający pionem technologicznym w firmie Hypres, skupiającej się na produkcji układów nadprzewodzących ze złączem Josephsona. "nTron skupia skutecznie naszą uwagę, jako interfejs do pamięci naszych systemów" - dodaje.

    "Kilka rzeczy jest bardzo atrakcyjnych w tym układzie" mówi Mukhanov. "Po pierwsze to bardzo kompaktowy system, wszak jest on de facto nanodrutem. Jednym z problemów ze złączem Josephsona jest fakt, iż są to duże układy. Jeśli je porównać na przykład z tranzystorem układ CMOS są one fizycznie większe. Dodatkowo, mają one tylko dwa terminale, a nie trzy, tak jak tranzystory. Podobnie jak tranzystor nTron także ma trzy terminale".

    "Na tyle na ile rozważamy pamięć zrealizowaną w ten sposób" - dodaje Mukhanov - "jedną ze szczególnie interesujących własności jest fakt pozwalający na zintegrowanie układów nTron z pamięcią magnetorezystywną mRAM. Jedną z cech magnetycznych pamięci RAM jest fakt, iż mają one dużą impedancję. Układy te charakteryzują się impedancją rzędu kiloomów, w porównaniu do pojedynczych omów złącza Josephsobna. Duże niedopasowanie impedancji jest sporym problemem technologicznym tych systemów w łączeniu tych systemów. nTron daje szanse na połączenie układów opartych o złącze Josephsona z elementami magnetorezystancyjnymi".

    Źródło:

    http://phys.org/news/2014-10-superconducting-circuits.html

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9481 postów o ocenie 7502, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.