Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben experimenteel een nieuwe cryogene, of lage temperatuur, geheugencelcircuitontwerp op basis van gekoppelde arrays van Josephson-juncties, een technologie die mogelijk sneller en energiezuiniger is dan bestaande geheugenapparaten. Indien succesvol geschaald, dit type cryogene geheugenarray zou een verscheidenheid aan toepassingen kunnen bevorderen, waaronder quantum- en exascale computing.

"In ons ontwerp we hebben een fundamenteel ander pad geprobeerd dat kleine, inductief gekoppelde arrays van Josephson-knooppunten, " zei Yehuda Braiman van ORNL's Computational Sciences and Engineering Division. "Indien geschaald, dergelijke geheugencelarrays kunnen orden van grootte sneller zijn dan bestaande herinneringen, terwijl ze heel weinig stroom verbruiken."

De cellen zijn ontworpen om te werken bij superkoude temperaturen en zijn getest bij slechts 4 Kelvin boven het absolute nulpunt. ongeveer min 452 graden Fahrenheit. In omstandigheden die zo koud zijn, atomen vertragen en bepaalde materialen verliezen weerstand tegen de stroom van elektriciteit, supergeleiders worden. Omdat supergeleiders geen weerstand hebben tegen elektrische stroom, ze verliezen een bijna verwaarloosbare hoeveelheid energie als warmte.

Terwijl de belofte om sneller te bouwen, meer energie-efficiënte computers op basis van deze principes van cryogene technologie hebben onderzoekers al tientallen jaren verleid, het bouwen van betrouwbare cryogene "herinneringen, " de delen van computers die informatie opslaan voor elementaire computerfuncties, is lang een obstakel gebleven.

Een ander ontwerp

Het door ORNL ontwikkelde ontwerp wijkt af van bestaande cryogene geheugentechnologieën omdat de geheugencellen, de gelokaliseerde delen van het circuit die een binair cijfer van een nul of een bevatten, bekend als één "beetje" informatie, worden bediend met behulp van drie inductief gekoppelde Josephson-knooppunten.

Josephson-knooppunten zijn gevestigde cryogene elektrische apparaten die magnetische flux kunnen gebruiken om gegevens op te slaan. Het ORNL-ontwerp, die een klein aantal van deze knooppunten gebruikt, zou voordelen kunnen bieden ten opzichte van enkele van de recentelijk bestudeerde geheugencellen voor lage temperaturen. Veel van deze technologieën steunen op een soort digitale logica genaamd single flux quantum, of SFQ. Anderen zijn gebaseerd op magnetische Josephson-juncties, die nog steeds enkele fabricage-uitdagingen vormen voor cryogene geheugentoepassingen.

"Mensen zijn op zoek naar iets anders, " zei Braiman. "We gebruiken typische knooppunten, die geen specifiek fabricageontwerp vereisen. Het is een inherent ander principe dat ervoor zorgt dat de cel werkt."

uniek, hun ternaire ontwerp maakt alle basisgeheugenbewerkingen mogelijk - lezen, schrijven en resetten - te implementeren op dezelfde drie-Josephson-junctiecel. Deze mogelijkheid kan helpen stabiliteit toe te voegen en tegelijkertijd ruimte en energie te besparen omdat de celcircuits worden geschaald naar grotere arrays, een stap die problemen heeft veroorzaakt voor bestaande technologieën.

"Het mechanisme waarop al deze [bestaande] soorten cryogene circuits zijn gebaseerd, is fundamenteel onstabiel, " zei Niketh Nair, een postdoctoraal onderzoeker bij ORNL die meewerkte aan het ontwerp. "Als je deze circuits schaalt, de instabiliteit die in deze systemen bestaat, kan een kritiek punt bereiken."

Ontwerpbevestiging

Om de levensvatbaarheid van hun nieuwe ontwerp te bevestigen, het ORNL-team heeft samen met SeeQC de celcircuits getest, een supergeleidend technologiebedrijf. Wetenschappers van SeeQC fabriceerden het ORNL-ontwerp op chips van 5 millimeter bij 5 millimeter - ongeveer de diameter van een standaard potloodwisser - met circuits op elke hoek.

De chips werden op een lange paal gemonteerd, een cryogene sonde genoemd, via draden verbonden met een desktopcomputer bij kamertemperatuur. Wetenschappers dompelden de chips onder in een speciale container gevuld met vloeibaar helium om het circuit af te koelen tot een temperatuur van 4 Kelvin. Volgens ORNL-gerichte testprocedures, ze stuurden vervolgens elektrische pulsen van de kamertemperatuurcomputer om de geheugenfunctie van de cellen te testen.

Tests van vier celcircuitontwerpen met enigszins verschillende specificaties toonden niet alleen aan dat de cellen werken, maar ook dat ze robuust functioneren en werken in een breder scala aan experimentele parameters dan het team aanvankelijk had voorzien.

Deze bevestiging komt drie jaar nadat het ORNL-team, waaronder Braiman, Nair en Neena Imam, oorspronkelijk analyseerde en simuleerde de logica van het cryogene geheugencelontwerp in artikelen gepubliceerd in Wetenschap en technologie van supergeleiders en Fysieke beoordeling E .

Hoewel de onderzoekers enthousiast waren om hun voorspellingen te bevestigen, ze zijn voorzichtig om te zeggen dat hun eerste resultaten tot een doorbraak zullen leiden. "Wat is aangetoond, is op een enkel celniveau, "zei Braiman. "Waar mensen om geven zijn zeer grote reeksen geheugencellen."

Als volgende stap, het ORNL-team zal werken aan de implementatie van hun cellen in steeds grotere arrays en testontwerpen met behulp van cryogene testapparatuur die het laboratorium onlangs heeft aangeschaft. De nieuwe laboratoriumopstelling zal toekomstig on-site onderzoek naar cryogene technologieën mogelijk maken.