新型多門控超導(dǎo)納米線邏輯器件
為了追求極限性能,越來越多的電子系統(tǒng)需要在低溫條件下工作。例如,在量子計(jì)算機(jī)、高性能傳感器、深空觀測以及一些經(jīng)典信息處理系統(tǒng)中,通常使用工作溫度為2K甚至是mk溫區(qū)的低溫器件,從而在噪聲、速度和靈敏度等方面實(shí)現(xiàn)接近量子極限的性能。對(duì)于這一類低溫系統(tǒng),信號(hào)讀取與處理通常采用兩種方式:第一種是采用超導(dǎo)數(shù)字電路SFQ(單磁通量子技術(shù))來實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算和處理;第二種是將信號(hào)傳送至幾十K的溫區(qū),再采用低溫CMOS技術(shù)對(duì)進(jìn)行信號(hào)處理。然而,不論采用何種技術(shù)路徑,數(shù)字電路的功耗都必須控制在極小范圍之內(nèi),從而保持極低溫的工作環(huán)境,維持低溫器件的高性能。隨著應(yīng)用需求的提高和低溫陣列器件規(guī)模的擴(kuò)大,低溫電子系統(tǒng)性能受到信號(hào)處理和傳輸技術(shù)的制約,急切需要新的方案進(jìn)行解決。 圖1. (a) 采用超導(dǎo)納米線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的12門控或邏輯門;(b) 超導(dǎo)納米線數(shù)字編碼器芯片照片。針對(duì)此問題,南京大學(xué)吳培亨院士領(lǐng)導(dǎo)的超導(dǎo)電子學(xué)研究所團(tuán)隊(duì),趙清源教授和康琳教授課題組設(shè)計(jì)出新型多門控超導(dǎo)納米線邏輯器件(superconducting nanowire cryotron, nTron),并利用此器件搭建經(jīng)典二進(jìn)制數(shù)字編碼器;在1.6K的溫度下,成功實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息編碼,總功耗小于1微瓦(10-6瓦)。同時(shí),他們還利用此編碼器對(duì)超導(dǎo)納米線單光子探測器陣列實(shí)現(xiàn)數(shù)字化讀出,為低溫陣列探測器的信號(hào)讀出和處理提供第三種解決方案。圖2. 超導(dǎo)納米線邏輯芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子探測器陣列的數(shù)字化讀取。半導(dǎo)體數(shù)字電路,經(jīng)歷了從電子管、晶體管、混合集成電路至大規(guī)模集成電路的發(fā)展過程。每一代技術(shù)的升級(jí)變革,其核心推力都是基礎(chǔ)邏輯器件的更新?lián)Q代。前沿技術(shù)領(lǐng)域?qū)Τ瑢?dǎo)電子器件的應(yīng)用需求,也正將超導(dǎo)電子技術(shù)推向數(shù)字化的發(fā)展時(shí)代。南京大學(xué)吳培亨院士團(tuán)隊(duì)基于超導(dǎo)納米線技術(shù),開展了新型超導(dǎo)邏輯器件(nTron)的研究工作。nTron為單層平面器件,利用局部超導(dǎo)相變,實(shí)現(xiàn)高速低功耗的開關(guān)邏輯。
南京大學(xué)
2021-04-11