रैपिड सिंगल फ्लक्स क्वांटम

इलेक्ट्रानिक्स में, रैपिड सिंगल फ्लक्स क्वांटम (आरएसएफक्यू) एक डिजिटल डाटा इलेक्ट्रॉनिक उपकरण है जो डिजिटल सिग्नल को संसाधित करने के लिए सुपरकंडक्टिंग डिवाइस, अर्थात् जोसेफसन जंक्शनों का उपयोग करता है। आरएसएफक्यू लॉजिक में, जानकारी को चुंबकीय फ्लक्स क्वांटा के रूप में संग्रहीत किया जाता है और सिंगल फ्लक्स क्वांटम (एसएफक्यू) वोल्टेज पल्स के रूप में स्थानांतरित किया जाता है। आरएसएफक्यू [[ अतिचालक तर्क ]] का एक परिवार है। अन्य में रेसिप्रोकल क्वांटम लॉजिक (आरक्यूएल), ईआरएसएफक्यू - ऊर्जा-कुशल आरएसएफक्यू संस्करण शामिल है जो बायस रेसिस्टर्स का उपयोग नहीं करता है, आदि। जोसेफसन जंक्शन आरएसएफक्यू इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सक्रिय तत्व हैं, जैसे ट्रांजिस्टर सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सक्रिय तत्व हैं। आरएसएफक्यू एक शास्त्रीय डिजिटल तकनीक है, क्वांटम कम्प्यूटिंग नहीं।

RSFQ पारंपरिक कंप्यूटरों में उपयोग की जाने वाली CMOS ट्रांजिस्टर तकनीक से बहुत अलग है:

• अतिचालक उपकरणों को क्रायोजेनिक तापमान की आवश्यकता होती है।
• जोसेफसन जंक्शनों द्वारा उत्पादित पीकोसैकन्ड-अवधि एसएफक्यू वोल्टेज दालों का उपयोग सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स में ट्रांजिस्टर द्वारा उत्पादित वोल्टेज स्तरों के बजाय डिजिटल जानकारी को एन्कोड करने, संसाधित करने और परिवहन करने के लिए किया जाता है।
• एसएफक्यू वोल्टेज पल्स सुपरकंडक्टिंग संचरण लाइन ों पर यात्रा करते हैं जिनमें बहुत छोटा, और आमतौर पर नगण्य, फैलाव होता है यदि पल्स का कोई वर्णक्रमीय घटक सुपरकंडक्टर की ऊर्जा अंतराल की आवृत्ति से ऊपर नहीं होता है।
• 1 पीएस के एसएफक्यू पल्स के मामले में, सर्किट को 100 गीगाहर्ट्ज (प्रत्येक 10 पिकोसेकंड में एक पल्स) की आवृत्तियों पर क्लॉक करना संभव है।

एक एसएफक्यू पल्स तब उत्पन्न होता है जब जोसेफसन जंक्शन वाले सुपरकंडक्टिंग लूप के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह एक फ्लक्स क्वांटम द्वारा बदलता है, Φ₀जंक्शन स्विचिंग के परिणामस्वरूप। SFQ दालों का एक परिमाणित क्षेत्र होता है ʃV(t)dt = Φ₀ ≈ 2.07×10⁻¹⁵ Wb = 2.07 mV⋅ps = 2.07 mA⋅pH चुंबकीय प्रवाह क्वांटम के कारण, जो सुपरकंडक्टर्स का एक मौलिक गुण है। जोसेफसन जंक्शनों के मापदंडों के आधार पर, दालें लगभग 2 mV के आयाम के साथ 1 पिकोसेकंड जितनी संकीर्ण हो सकती हैं, या समान रूप से कम आयाम के साथ व्यापक (उदाहरण के लिए, 5-10 पिकोसेकंड) हो सकती हैं। पल्स आयाम का विशिष्ट मान लगभग 2I है_cR_n, जहां मैं_cR_n जंक्शन क्रिटिकल करंट, I का उत्पाद है_c, और जंक्शन अवमंदन अवरोधक, आर_n. एनबी-आधारित जंक्शन प्रौद्योगिकी के लिए I_cR_n 1 mV के क्रम पर है।

लाभ

• सीएमओएस सर्किट्री, माइक्रोवेव और इन्फ्रारेड तकनीक के साथ इंटरऑपरेबल
• अत्यधिक तेज़ ऑपरेटिंग आवृत्ति: कुछ दसियों गीगाहर्ट्ज़ से लेकर सैकड़ों गीगाहर्ट्ज़ तक
• कम बिजली की खपत: प्रशीतन के लिए लेखांकन के बिना, सीएमओएस अर्धचालक सर्किट की तुलना में लगभग 100,000 गुना कम
• मौजूदा चिप निर्माण तकनीक को आरएसएफक्यू सर्किटरी के निर्माण के लिए अनुकूलित किया जा सकता है
• विनिर्माण विविधताओं के प्रति अच्छी सहनशीलता
• आरएसएफक्यू सर्किटरी अनिवार्य रूप से स्व-क्लॉकिंग है, जो अतुल्यकालिक सर्किट डिज़ाइन को और अधिक व्यावहारिक बनाती है।

नुकसान

• क्रायोजेनिक शीतलन की आवश्यकता है। परंपरागत रूप से इसे तरल नाइट्रोजन और तरल हीलियम जैसे क्रायोजेनिक तरल पदार्थों का उपयोग करके हासिल किया गया है। हाल ही में, बंद-चक्र क्रायोकूलर, जैसे, पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर ने काफी लोकप्रियता हासिल की है क्योंकि वे क्रायोजेनिक तरल पदार्थों को खत्म करते हैं जो महंगे हैं और समय-समय पर रिफिलिंग की आवश्यकता होती है। क्रायोजेनिक कूलिंग भी एक फायदा है क्योंकि यह कामकाजी वातावरण के थर्मल शोर को कम करता है।
• उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स के उपयोग के माध्यम से शीतलन आवश्यकताओं में ढील दी जा सकती है। हालाँकि, हाई-टी का उपयोग करके आज तक केवल बहुत कम-जटिलता वाले आरएफएसक्यू सर्किट प्राप्त किए गए हैं_c अतिचालक. ऐसा माना जाता है कि SFQ-आधारित डिजिटल प्रौद्योगिकियाँ ~ 20 K – 25 K से ऊपर के तापमान पर अव्यावहारिक हो जाती हैं क्योंकि पैरामीटर E के घटने से बिट त्रुटि दर (थर्मली-प्रेरित जंक्शन स्विचिंग) तेजी से बढ़ती है।_J/क_Bबढ़ते तापमान के साथ टी टी, जहां ई_J = मैं_cΦ₀/2π जोसेफसन ऊर्जा है।
• स्थैतिक शक्ति अपव्यय जो आमतौर पर तर्क संचालन करने के लिए आवश्यक गतिशील शक्ति से 10-100 गुना बड़ा होता है, कमियों में से एक था। हालाँकि, आरएसएफक्यू के ईआरएसएफक्यू संस्करण में स्थैतिक बिजली अपव्यय के स्रोत बायस रेसिस्टर्स के बजाय सुपरकंडक्टिंग इंडक्टर्स और जोसेफसन जंक्शनों का उपयोग करके स्थैतिक बिजली अपव्यय को समाप्त कर दिया गया था।

अनुप्रयोग

• ऑप्टिकल और अन्य हाई-स्पीड नेटवर्क स्विचिंग डिवाइस
• अंकीय संकेत प्रक्रिया , एक्स-बैंड सिग्नल तक और उससे आगे
• अल्ट्राफास्ट राउटर
• सॉफ़्टवेयर-परिभाषित रेडियो (एसडीआर)
• हाई स्पीड एनॉलॉग से डिजिटल परिवर्तित करने वाला उपकरण
• उच्च प्रदर्शन क्रायोजेनिक कंप्यूटर
• सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट और क्वांटम सर्किट के लिए नियंत्रण सर्किटरी

यह भी देखें

• सुपरकंडक्टिंग लॉजिक में RSFQ की तुलना में बेहतर ऊर्जा दक्षता वाले नए लॉजिक परिवार शामिल हैं।
• मात्रात्मक प्रवाह पैरामीटर, एक संबंधित डिजिटल लॉजिक तकनीक।

रीडिंग

• सुपरकंडक्टिंग टेक्नोलॉजी असेसमेंट, एनएसए (2005) द्वारा कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों के लिए आरएसएफक्यू का अध्ययन।

बाहरी संबंध

• An introduction to the basics and links to further information at the State University of New York at Stony Brook.
• K.K. Likharev and V.K. Semenov, RSFQ logic/memory family: a new Josephson-junction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems. IEEE Trans. Appl. Supercond. 1 (1991), 3. doi:10.1109/77.80745
• A. H. Worsham, J. X. Przybysz, J. Kang, and D. L. Miller, "A single flux quantum cross-bar switch and demultiplexer," IEEE Trans. on Appl. Supercond., vol. 5, pp. 2996–2999, June 1995.
• Feasibility Study of RSFQ-based Self-Routing Nonblocking Digital Switches (1996)
• Design Issues in Ultra-Fast Ultra-Low-Power Superconductor Batcher-Banyan Switching Fabric Based on RSFQ Logic/Memory Family (1997)
• A Clock Distribution Scheme for Large RSFQ Circuits (1995)
• Josephson Junction Digital Circuits – Challenges and Opportunities (Feldman 1998)
• Superconductor ICs: the 100-GHz second generation // IEEE Spectrum, 2000