WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Соловьев Игорь Игоревич ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В УСИЛИТЕЛЕ СИГНАЛОВ БЫСТРОЙ ОДНОКВАНТОВОЙ ЛОГИКИ НА ОСНОВЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ СТРУКТУР Специальность 01.04.04 – Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2007

Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Виктор Константинович Корнев.

Официальные оппоненты:

• доктор физико-математических наук, профессор Валерий Павлович Кошелец.

• кандидат физико-математических наук Александр Львович Гудков.

Ведущая организация: Физико-технологический институт Российской академии наук.

Защита диссертации состоится “31” мая 2007г. в 14.30 часов на заседании Диссертационного Совета Д.501.001.66 в Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские Горы дом 1, строение 2, физический факультет МГУ, аудитория 5-19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан “ ” апреля 2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.501.001.66 Ершов А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Прогресс современных цифровых технологий в значительной степени связывается с развитием сверхпроводниковых цифровых устройств на основе быстрой одноквантовой логики, известной как RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum logic), которая была впервые предложена и введена в разработку в лаборатории криоэлектроники физического факультета МГУ [1]. RSFQ устройства характеризуются крайне низкой энергией переключения джозефсоновских элементов EJ = 0IC = 2·10-15 Вб х 10-4 А 10-18 Дж, а также очень высоким быстродействием, допускающим тактовые частоты устройств на основе низкотемпературных сверхпроводников до 100 ГГц. Это позволяет одновременно наращивать быстродействие и степень интеграции сверхпроводниковых цифровых устройств.

В настоящее время в целом ряде ведущих научных центров мира, таких как HYPRES (США), ISTEC и AIST (Япония), IPHT и PTB (Германия), VTT (Финляндия) существует отработанная ниобиевая технология изготовления сверхпроводниковых интегральных схем.

Эта технология позволила достичь очень высокой степени интеграции элементов сверхпроводниковых схем, характеризующейся числом джозефсоновских переходов (JJ) на одном чипе более десяти тысяч: 11 000 JJ/чип (ISTEC) и 12 000 JJ/чип (HYPRES). В настоящее время в ISTEC разрабатывается интегральная схема с плотностью 81 000 JJ/чип.

Для охлаждения таких сверхпроводниковых схем до рабочих температур (T 4.2 К) уже разработаны малогабаритные криокулеры с низким энергопотреблением (SUMITOMO SRDK101D, Lockheed Martin и другие). Характеристика криокулера SRDK101D: размеры 130x226x442 мм, вес 7.2 кг, энергопотребление 1.2 кВт, температура охлаждения 3 К, частота технического обслуживания – 1 раз в 10 000 часов (416 суток).

В процессе разработки основ цифровой сверхпроводниковой электроники в научных лабораториях фирмы HYPRES (США) и университетов Чалмерс (Швеция), Илменау (Германия), Нагойя и Йокогама (Япония), SUNY (США) были созданы полные библиотеки логических элементов ячеек памяти. Эти библиотеки используются в системах автоматизированного проектирования больших интегральных схем (например, системы проектирования, разрабатываемые Cadence Design Systems, Inc.). В каждой из этих библиотек логические ячейки описаны схемой, программным кодом, отражающим физические основы работы ячейки, послойным фотошаблоном и символьным представление ячейки, включающим в себя все входы и выходы ячейки для создания блок схем на макро уровне.

Достигнутый уровень цифровой сверхпроводниковой электроники характеризует созданный группой CONNECT (Cooperation of Nagoya Univ., NEC, CRL, and Yokohama National Univ. Team.) RISC микропроцессор CORE1 [2] для которого продемонстрирована корректная работа с тактовой частотой 20 ГГц и минимальный период тактового сигнала 36.2 пс (27.6 ГГц) для отдельных частей [3]. Результатом признания крайне высокой перспективности цифровой сверхпроводниковой электроники в США явилось выделение в 2007 году бюджетных средств на выполнение проекта по разработке RSFQ суперкомпьютера с тактовой частотой 50 ГГц и процессором, содержащим 1 млн. логических вентилей (на базе лаборатории университета Беркли) [4].

Использование макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках позволяет также создавать высокочувствительные быстродействующие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а также высокоэффективные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Это делает возможным разработку полностью цифровых устройств, осуществляющих прием, обработку и передачу сигналов для современных телекоммуникационных систем в гигагерцовых и выше (десятки ГГц) диапазонах частот. В ряде таких устройств можно отметить полностью цифровой приемник высокочастотного аналогового сигнала, разрабатываемый в HYPRES [5] c АЦП, максимальная продемонстрированная частота работы которого составила 10.5 ГГц [6].

Крайне низкая энергия переключения джозефсоновских элементов, обеспечивающая преимущество сверхпроводниковой электроники, одновременно создает значительное препятствие для передачи сигналов RSFQ логики в цепи полупроводниковой электроники.

Поэтому исключительно важная роль в развитии цифровой сверхпроводниковой электроники отводится разработке высокоэффективных выходных усилителей одноквантовых импульсов (сигналов RSFQ логики). Разные подходы к построению таких интерфейсов были предложены и экспериментально реализованы в ряде работ. Это усилители переменного питания [7-10], усилитель, основанный на использовании логических элементов [11], усилители на базе умножителей напряжения [12,13], усилители на цепочках сверхпроводящих квантовых интерферометров [14,15] и некоторые другие. Однако все эти интерфейсы обладают теми или иными недостатками, поскольку были разработаны для решения проблемы сопряжения в конкретных разрабатываемых устройствах. Таким образом, разработка физических основ построения высокоэффективного быстродействующего выходного усилителя-интерфейса, пригодного для решения различных задач, в настоящее время является весьма актуальной.

Цель диссертационной работы Целью данной работы является исследование физических процессов в усилителе сигналов быстрой одноквантовой логики на основе многоэлементных джозефсоновских структур, включающих в себя последовательную суммирующую цепочку сверхпроводящих квантовых интерферометров. Данное исследование направлено на разработку физических основ нового перспективного типа интерфейса между сверхпроводниковыми устройствами быстрой одноквантовой логики и полупроводниковой электроникой.

Научная новизна Следующие результаты были получены впервые:

1. Предложен, разработан и экспериментально исследован новый перспективный тип выходного импульсного усилителя для передачи сигналов сверхпроводниковой быстрой одноквантовой логики в цепи полупроводниковой электроники. Структура усилителя позволяет поднимать амплитуду выходного сигнала за счет увеличения числа суммирующих элементов без ограничения быстродействия и допусков на технологический разброс параметров интегральной схемы.

2. Впервые реализован режим усиления сигналов быстрой одноквантовой логики на цепочке сверхпроводящих квантовых интерферометров в резистивном состоянии. Для этой цели была разработана специальная техника мультиплицирования и уширения одноквантовых импульсов.

3. Показано, что разработанный принцип построения усилителя позволяет максимально поднять предельную частоту следования одноквантовых импульсов до значения, составляющего 10% – 20% характерной частоты джозефсоновских элементов интегральной схемы. В случае ниобиевой технологии джозефсоновских структур с плотностью критического тока jc = 1 кА/см2 предельная частота следования импульсов составляет 9 – 18 ГГц и увеличивается соответственно в 2 и 4 раза при переходе на технологию с плотностью критического тока 4.5 кА/см2 и 20 кА/см2.

4. Разработана и оптимизирована топология послойных фотошаблонов интегральной схемы для изготовления выходного усилителя на основе ниобиевой технологии с плотностью критического тока jc = 1 кА/см2. Экспериментально продемонстрировано усиление одноквантовых импульсов до уровня 1 мВ на нагрузке 50 Ом при использовании интегральной схемы с 32-мя суммирующими элементами.

Практическая ценность работы В процессе работы было проведено детальное изучение физических процессов связанных с распространением, мультиплицированием, уширением и усилением одиночных квантовых магнитного потока и соответствующих им одноквантовых импульсов напряжения в многоэлементных джозефсоновских структурах.

В результате проведенного исследования был предложен новый тип выходного усилителя одноквантовых импульсов, отличающегося увеличенным быстродействием и возможностью свободного масштабирования многоэлементной структуры для получения необходимой амплитуды выходного сигнала без существенной деградации характеристик устройства.

Выполнена оптимизация всех функциональных частей усилителя. Разработана и оптимизирована топология послойных фотошаблонов интегральной схемы для изготовления выходного усилителя на основе ниобиевой технологии. Проведено экспериментальное исследование разработанной интегральной схемы, подтверждающее полученные теоретические результаты.

Полученные результаты могут быть успешно использованы в передовых компаниях, занятых разработкой сверхпроводниковой электроники, и служить основой для последующих опытно-конструкторских разработок в области современных цифровых технологий обработки и передачи информации.

Достоверность представленных результатов Достоверность результатов, приведенных в диссертации, подтверждается тем, что они были получены автором с использованием передового высокотехнологического оборудования, современных методов обработки экспериментальных данных, а также адекватного математического аппарата и программного обеспечения для проведения теоретических расчетов. Полученные результаты находятся в соответствии с имеющимися литературными данными.

Личный вклад Автором лично было выполнено численного моделирование физических процессов в многоэлементных джозефсоновских структурах с помощью программного комплекса PSCAN, а также другого современного программного обеспечения. Автором были исследованы и оптимизированы все основные части усилителя одноквантовых импульсов: 1) цепи изохронного мультиплицирования одноквантовых импульсов, 2) цепи уширения импульсов и 3) цепи результирующего суммирования импульсов.

Автором были разработаны и оптимизированы топологии послойных фотошаблонов для изготовления интегральной схемы на основе современной ниобиевой технологии джозефсоновских структур. Разработка выходного фильтра производилась автором совместно с научной группой лаборатории микроволной микроэлектроники СанктПетербургского государственного электротехнического университета (СПбГЭТУ) «ЛЭТИ».

Серия экспериментальных образцов была изготовлена фирмой HYPRES.

Все экспериментальные данные: результаты низкочастотных измерений характеристик исследуемых структур и результаты высокочастотного тестирования интегральной схемы усилителя были получены автором лично.

Апробация работы Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах лаборатории криоэлектроники кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и в Институте Радиотехники и Электроники РАН. Основные положения и результаты диссертации докладывались на 6 международных конференциях и симпозиумах, а именно, на международных конференциях по прикладной сверхпроводимости (Applied Superconductivity Conference, ASC) в 2004 и 2006 годах, на международной конференции по сверхпроводниковой электронике (International Superconductive Electronics Conference, ISEC) в 2005 году, на международной европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS) в 2005 году, на международном студенческом семинаре по микроволновым применениям современных физических явлений (12th International Student Seminar on Microwave Applications Of Novel Physical Phenomena) в 2005 году (2 доклада).

Публикации По результатам вошедших в диссертацию исследований имеется 6 печатных работ, опубликованных в ведущих отечественных и зарубежных реферируемых журналах.

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из общей характеристики диссертационной работы, четырех глав, заключения, списка публикаций автора по теме диссертации и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 94 страницы, включая 58 рисунков, 6 таблиц, список публикации автора по теме диссертации из 6 наименований и список цитируемой литературы из 42 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В общей характеристики диссертационной работы представлено обоснование выбранной темы, сформулированы цели исследования, раскрыты научная новизна, практическая ценность и личный вклад автора.

Глава 1. Введение. Постановка задачи В разделе 1.1 дано краткое описание макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках, на которых основана работа устройств сверхпроводниковой электроники.

Раздел 1.2 посвящен обзору современного состояния сверхпроводниковой электроники и рассмотрению перспективных направлений ее развития. Показано, что современная технология позволяет разрабатывать интегральные схемы с очень высокой степенью интеграции элементов. Существуют полные библиотеки логических элементов. Уровень развития сверхпроводниковой электроники характеризуют разработанные прототипы RSFQ процессоров, тактовые частоты которых в несколько раз больше максимальных частот работы полупроводниковых процессоров. В то же время, крайне низкая энергия переключения джозефсоновских элементов, обеспечивающая преимущество сверхпроводниковой электроники, создает значительное препятствие для передачи сигналов RSFQ логики в цепи полупроводниковой электроники. Поэтому исключительно важная роль в развитии цифровой сверхпроводниковой электроники отводится разработке высокоэффективных выходных усилителей-интерфейсов.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»