Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har experimentellt demonstrerat en ny kryogen, eller låg temperatur, minnescellkretsdesign baserad på kopplade arrayer av Josephson-korsningar, en teknik som kan vara snabbare och mer energieffektiv än befintliga minnesenheter. Om skalningen lyckas, denna typ av kryogen minnesuppsättning skulle kunna främja en mängd olika applikationer inklusive kvant- och exaskala.

"I vår design, vi har försökt en fundamentalt annorlunda väg som använder små, induktivt kopplade arrayer av Josephson-korsningar, " sa Yehuda Braiman från ORNL:s Computational Sciences and Engineering Division. "Om skalad, sådana minnescellmatriser kan vara storleksordningar snabbare än befintliga minnen samtidigt som de förbrukar väldigt lite ström."

Cellerna är designade för att fungera i superkalla temperaturer och testades vid bara 4 Kelvin över absolut noll, cirka minus 452 grader Fahrenheit. Under så kalla förhållanden, atomer saktar ner och vissa material tappar motståndet mot strömflödet, bli supraledare. Eftersom supraledare inte har något motstånd mot elektriskt flöde, de förlorar en nästan försumbar mängd energi som värme.

Medan löftet om att bygga snabbare, mer energieffektiva datorer baserade på dessa kryogena teknologiprinciper har lockat forskare i årtionden, bygga tillförlitliga kryogena "minnen, "de delar av datorer som lagrar information för grundläggande datorfunktioner, har länge varit ett hinder.

En annorlunda design

Den ORNL-utvecklade designen avviker från befintliga kryogena minnesteknologier eftersom dess minnesceller, de lokaliserade delarna av kretsen som innehåller en binär siffra av en nolla eller en, känd som en "bit" information, drivs med tre induktivt kopplade Josephson-övergångar.

Josephson junctions är väletablerade kryogena elektriska enheter som kan utnyttja magnetiskt flöde för att lagra data. ORNL-designen, som använder ett litet antal av dessa korsningar, kan erbjuda fördelar jämfört med några av de nyligen studerade lågtemperaturminnescellerna. Många av dessa teknologier bygger på en typ av digital logik som kallas single flux quantum, eller SFQ. Andra är baserade på magnetiska Josephson-korsningar, som fortfarande utgör vissa tillverkningsutmaningar för kryogena minnestillämpningar.

"Människor letar efter något annat, ", sa Braiman. "Vi använder typiska korsningar, som inte kräver någon speciell tillverkningsdesign. Det är en helt annan princip i sig som gör att cellen fungerar."

Unikt, deras ternära design tillåter alla grundläggande minnesoperationer—läs, skriv och återställ – ska implementeras på samma cell med tre Josephson-övergångar. Denna förmåga kan bidra till att öka stabiliteten samtidigt som den sparar utrymme och energi eftersom cellkretsarna skalas till större arrayer, ett steg som har orsakat problem för befintlig teknik.

"Mekanismen som alla dessa [befintliga] typer av kryogena kretsar är baserade på är i grunden instabil, sa Niketh Nair, en postdoktor vid ORNL som arbetat med designen. "När du skalar dessa kretsar, den instabilitet som finns i dessa system kan träffa en kritisk punkt."

Designbekräftelse

För att bekräfta hållbarheten av deras nya design, ORNL-teamet testade tillsammans cellkretsarna med SeeQC, ett supraledande teknikföretag. SeeQC-forskare tillverkade ORNL-designen på 5 millimeter gånger 5 millimeters chip—ungefär diametern av en standard pennsuddare—med kretsar i varje hörn.

Chipsen monterades på en lång stolpe, kallas en kryogen sond, ansluten med kablar till en stationär dator vid rumstemperatur. Forskare stoppade ner chipsen i en specialiserad behållare fylld med flytande helium för att kyla kretsen till en temperatur på 4 Kelvin. Enligt ORNL-riktade testprocedurer, de skickade sedan elektriska pulser från rumstemperaturdatorn för att testa cellernas minnesfunktion.

Tester av fyrcellskretskonstruktioner med något olika specifikationer visade inte bara att cellerna fungerar, men också att de fungerar robust och fungerar inom ett bredare spektrum av experimentella parametrar än vad teamet från början hade tänkt sig.

Denna bekräftelse kommer tre år efter ORNL-teamet, som inkluderar Braiman, Nair och Neena Imam, ursprungligen analyserade och simulerade logiken i den kryogena minnescelldesignen i tidningar publicerade i Supraledare vetenskap och teknik och Fysisk granskning E .

Även om forskarna var glada över att bekräfta sina förutsägelser, de är försiktiga med att säga att deras första resultat kommer att leda till ett genombrott. "Det som har visats är på en cellnivå, ", sa Braiman. "Vad folk bryr sig om är mycket stora samlingar av minnesceller."

Som nästa steg, ORNL-teamet kommer att arbeta för att implementera sina celler i allt större arrayer och testdesigner med hjälp av kryogen testutrustning som labbet nyligen köpte. Den nya laboratorieuppsättningen kommer att möjliggöra framtida forskning på plats av kryogen teknologi.