來源：美國能源部橡樹嶺國家實驗室
美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）開發(fā)了在超導(dǎo)技術(shù)公司SeeQC的小芯片上制作低溫存儲單元電路的新型技術(shù)，并成功地演示了讀、寫和復(fù)位存儲功能。
實驗室的科學(xué)家已經(jīng)實驗證明這種基于約瑟夫森結(jié)耦合陣列的新型低溫或低溫存儲單元電路設(shè)計，該技術(shù)可以比現(xiàn)有存儲器器件更快和更節(jié)能。如果成功擴展，這種類型的低溫存儲陣列可以推進(jìn)包括量子計算和百萬兆級的計算在內(nèi)的各種應(yīng)用。
“在我們的設(shè)計中，我們嘗試了一種完全不同的路徑，它采用了約瑟夫森結(jié)的感應(yīng)耦合陣列，”橡樹嶺國家實驗室計算科學(xué)和工程部門的Yehuda Braiman說，如果縮放，那么這樣的存儲單元陣列在消耗非常小功率的情況下可以比現(xiàn)有存儲器更快幾個數(shù)量級。
這些電池被設(shè)計成在超低溫下工作，在絕對零度以上4開爾文的溫度下進(jìn)行測試，溫度約為零下452華氏度。在這種寒冷的條件下，原子變慢，某些材料對電流失去阻力，成為超導(dǎo)體。因為超導(dǎo)體對電流沒有阻力，所以它們損失的能量幾乎可以忽略不計。
盡管基于這些低溫技術(shù)原理建造更快、更節(jié)能的計算機的承諾吸引了研究人員數(shù)十年，但建立可靠的低溫“存儲器”長期以來一直是一個障礙，而低溫“存儲器”是計算機中為基本計算功能存儲信息的部件。
創(chuàng)新的設(shè)計
橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的設(shè)計偏離了現(xiàn)有的低溫存儲技術(shù)，因為它的存儲單元是一個三個電感耦合的約瑟夫森結(jié)，它的電路的局部部分包含一個零或一個二進(jìn)制數(shù)字，被稱為一個“比特”信息。
約瑟夫森結(jié)是一種成熟的低溫電子器件，可以利用磁通量來存儲數(shù)據(jù)。橡樹嶺國家實驗室設(shè)計使用了少量的這些連接，與最近研究的一些低溫存儲單元相比，它可以提供優(yōu)勢。其中許多技術(shù)依賴于一種稱為單通量量子（SFQ）的數(shù)字邏輯。另一些是基于磁約瑟夫森結(jié)，這仍然對低溫存儲器的應(yīng)用提出了一些制造挑戰(zhàn)。
“人們正在尋找不同的東西，”Braiman說，“我們使用的是典型的接頭，不需要任何特殊的制造設(shè)計。這是一個本質(zhì)上不同的原理，它本身就可以使單元工作。”
獨特的是，他們的三值設(shè)計允許所有基本的存儲器操作讀、寫和復(fù)位在同一個三約瑟夫森結(jié)單元上實現(xiàn)。這種能力可以幫助增加穩(wěn)定性，同時節(jié)省空間和能量，因為電池電路被縮放成較大的陣列，這一步驟對現(xiàn)有技術(shù)造成了問題。
“所有這些（現(xiàn)有的）低溫電路的基礎(chǔ)都是根本不穩(wěn)定的，”Nokth-Naar說，他是實驗室的博士后研究者。“當(dāng)你縮放這些電路時，這些系統(tǒng)中存在的不穩(wěn)定性可能達(dá)到臨界點。”
設(shè)計確認(rèn)
為了證實他們新設(shè)計的可行性，橡樹嶺國家實驗室團隊與SeeQC（一家超導(dǎo)技術(shù)公司）聯(lián)合測試了電池電路。SeeQC的科學(xué)家們將橡樹嶺國家實驗室設(shè)計制作成直徑約為5毫米×5毫米的芯片，芯片的每個角落都有電路。
這些芯片被安裝在一個稱為低溫探針的長桿上，在室溫下通過電線與臺式計算機相連。科學(xué)家將芯片浸入一個專門的裝有液氦的容器中，將電路冷卻到4開爾文的溫度。根據(jù)橡樹嶺國家實驗室指導(dǎo)的測試程序，他們隨后從室溫計算機發(fā)送電脈沖來測試電池的記憶功能。
對四種規(guī)格稍有不同的單元電路設(shè)計的測試表明，這些單元不僅工作正常，而且功能強大，運行的實驗參數(shù)范圍比小組最初設(shè)想的要廣。
三年前，包括Braiman、Nair和Neena Imam在內(nèi)的橡樹嶺國家實驗室團隊在《Superconductor Science and Technology》和《Physical Review E》上發(fā)表的論文中對低溫存儲單元的設(shè)計邏輯進(jìn)行了初步分析和模擬。
盡管研究人員很高興能證實他們的預(yù)測，但他們謹(jǐn)慎地表示，他們的初步結(jié)果將帶來突破。已經(jīng)證明的是在單個單元水平上，而人們真正關(guān)心的是非常大的存儲單元陣列。
下一步，橡樹嶺國家實驗室團隊將致力于在越來越大的陣列中實現(xiàn)他們的電池，并使用實驗室最近購買的低溫測試設(shè)備進(jìn)行測試設(shè)計。新的實驗室設(shè)置將使未來的低溫技術(shù)現(xiàn)場研究成為可能。
