用于超冷计算的新型内存存储技术

2020-01-15 10:43:12 文/实验帮 作者/ LabBang 存储

实验室的科学家已经实验证明这种基于约瑟夫森结耦合阵列的新型低温或低温存储单元电路设计,该技术可以比现有存储器器件更快和更节能。如果成功扩展,这种类型的低温存储阵列可以推进包括量子计算和百万兆级的计算在内的各种应用。

来源:美国能源部橡树岭国家实验室

美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)开发了在超导技术公司SeeQC的小芯片上制作低温存储单元电路的新型技术,并成功地演示了读、写和复位存储功能。

实验室的科学家已经实验证明这种基于约瑟夫森结耦合阵列的新型低温或低温存储单元电路设计,该技术可以比现有存储器器件更快和更节能。如果成功扩展,这种类型的低温存储阵列可以推进包括量子计算和百万兆级的计算在内的各种应用。

“在我们的设计中,我们尝试了一种完全不同的路径,它采用了约瑟夫森结的感应耦合阵列,”橡树岭国家实验室计算科学和工程部门的Yehuda Braiman说,如果缩放,那么这样的存储单元阵列在消耗非常小功率的情况下可以比现有存储器更快几个数量级。

这些电池被设计成在超低温下工作,在绝对零度以上4开尔文的温度下进行测试,温度约为零下452华氏度。在这种寒冷的条件下,原子变慢,某些材料对电流失去阻力,成为超导体。因为超导体对电流没有阻力,所以它们损失的能量几乎可以忽略不计。

尽管基于这些低温技术原理建造更快、更节能的计算机的承诺吸引了研究人员数十年,但建立可靠的低温“存储器”长期以来一直是一个障碍,而低温“存储器”是计算机中为基本计算功能存储信息的部件。

创新的设计

橡树岭国家实验室开发的设计偏离了现有的低温存储技术,因为它的存储单元是一个三个电感耦合的约瑟夫森结,它的电路的局部部分包含一个零或一个二进制数字,被称为一个“比特”信息。

约瑟夫森结是一种成熟的低温电子器件,可以利用磁通量来存储数据。橡树岭国家实验室设计使用了少量的这些连接,与最近研究的一些低温存储单元相比,它可以提供优势。其中许多技术依赖于一种称为单通量量子(SFQ)的数字逻辑。另一些是基于磁约瑟夫森结,这仍然对低温存储器的应用提出了一些制造挑战。

“人们正在寻找不同的东西,”Braiman说,“我们使用的是典型的接头,不需要任何特殊的制造设计。这是一个本质上不同的原理,它本身就可以使单元工作。”

独特的是,他们的三值设计允许所有基本的存储器操作读、写和复位在同一个三约瑟夫森结单元上实现。这种能力可以帮助增加稳定性,同时节省空间和能量,因为电池电路被缩放成较大的阵列,这一步骤对现有技术造成了问题。

“所有这些(现有的)低温电路的基础都是根本不稳定的,”Nokth-Naar说,他是实验室的博士后研究者。“当你缩放这些电路时,这些系统中存在的不稳定性可能达到临界点。”

设计确认

为了证实他们新设计的可行性,橡树岭国家实验室团队与SeeQC(一家超导技术公司)联合测试了电池电路。SeeQC的科学家们将橡树岭国家实验室设计制作成直径约为5毫米×5毫米的芯片,芯片的每个角落都有电路。

这些芯片被安装在一个称为低温探针的长杆上,在室温下通过电线与台式计算机相连。科学家将芯片浸入一个专门的装有液氦的容器中,将电路冷却到4开尔文的温度。根据橡树岭国家实验室指导的测试程序,他们随后从室温计算机发送电脉冲来测试电池的记忆功能。

对四种规格稍有不同的单元电路设计的测试表明,这些单元不仅工作正常,而且功能强大,运行的实验参数范围比小组最初设想的要广。

三年前,包括Braiman、Nair和Neena Imam在内的橡树岭国家实验室团队在《Superconductor Science and Technology》和《Physical Review E》上发表的论文中对低温存储单元的设计逻辑进行了初步分析和模拟。

尽管研究人员很高兴能证实他们的预测,但他们谨慎地表示,他们的初步结果将带来突破。已经证明的是在单个单元水平上,而人们真正关心的是非常大的存储单元阵列。

下一步,橡树岭国家实验室团队将致力于在越来越大的阵列中实现他们的电池,并使用实验室最近购买的低温测试设备进行测试设计。新的实验室设置将使未来的低温技术现场研究成为可能。

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