超导纳米线逻辑器件的研究与应用

发布时间：2024-02-28 19:03

　　自1956年Dudley Buck首先提出cryotron的概念以来,低温超导器件经历了一个飞速的发展,基于RSFQ(Rapid Single Flux Quantum,RSFQ)的T触发器已经实现了最高频率为770 GHz的速度。在2014年,MIT基于cryotron的结构设计出一种新型的超导纳米线逻辑器件(nanowire crytron,nTron)而受到广泛的关注,其具有速度快、功耗低、高增益等优点,还具有驱动能力强和制备工艺简单等特点。这些优越的性能使得其能够在经典和量子通信、超导计算机、低温读出电路等诸多领域,有着越来越广泛的应用。nTron的工作特性也表明了它是一种具有数字逻辑功能的超导器件,因此它不但能够大规模集成用来设计复杂的超导数字电路,同时其输入输出特性也适合与现有的超导技术相集成。本文主要围绕超导纳米线逻辑器件展开,研究了nTron的工作机制,优化了nTron的设计结构和制备工艺,表征了nTron多重性能指标,并且利用nTron的原理结构设计和制备了“与”、“或”和“非”三种数字基础逻辑门单元。另外,本文还提出了多门控nTron新型结构,并且设计了nTron编...

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【部分图文】：

图1.1超级计算机Titan和美国IARPA提出的超导概念计算机[1]

绪论1第一章绪论1.1研究背景计算机网络、网络路由、云服务，这些数字系统给现代社会带来了前所未有的高速发展。伴随着信息的数字化和传输，现有的数字系统耗费的电力已经占据了整个发电总量的3%左右。随着超级计算机、大数据中心、云存储的快速发展，能耗需求将面临重要的挑战。尤其是当大规模数....

图1.2控制电流调节磁场将栅极转换成电阻态，在等效电路中由可调串联电阻表示

绪论4备和制备技术的巨额投入；（3）逻辑元件、封装、电源等方面的新技术需要研发，这将需要重大的成本。超导数字电路发展历史经历过以下三个阶段：1、Cryotron（1956年）在1956年低温管cryotron就已经由DudleyBuck提出，超导薄膜中的超导和正常态之间的转变被用....

图1.3约瑟夫森cryotron转换器和存储单元的原理图，约瑟夫森结作为可开关电阻

绪论5在1966年，IBM的J.Matisoo设计了第一个Josephsonswitchingdevice，该器件具有亚纳秒级的转变速度。正如图1.3所示，在Josephsoncryotron中，约瑟夫森结的临界电流被一个通常比超导体临界磁场小几个量级的磁场所抑制。因此，更小的控....

图1.4基于不同设备的延迟和功耗关系比较图，“Latching-JJ”代表锁存约瑟夫森电路，“RSFQ”代表RSFQ电路，约瑟夫森器件在延迟和功耗方面均优于半导体器件

绪论7图1.4基于不同设备的延迟和功耗关系比较图，“Latching-JJ”代表锁存约瑟夫森电路，“RSFQ”代表RSFQ电路，约瑟夫森器件在延迟和功耗方面均优于半导体器件1.2.2超导数字电路国内外研究现状超导数字电路的研究目前主要集中在基于约瑟夫森结的单磁通数字电路（Sing....

本文编号：3913888