रैपिड सिंगल फ्लक्स क्वांटम

इलेक्ट्रानिक्स में, रैपिड सिंगल फ्लक्स क्वांटम (आरएसएफक्यू) एक डिजिटल डाटा इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस है जो डिजिटल सिग्नल को प्रोसेस करने के लिए सुपरकंडक्टिंग डिवाइस, अर्थात् जोसेफसन जंक्शन का उपयोग करता है। आरएसएफक्यू लॉजिक में, इनफार्मेशन को मैग्नेटिक फ्लक्स क्वांटा के रूप में स्टोर किया जाता है और सिंगल फ्लक्स क्वांटम (एसएफक्यू) वोल्टेज पल्स के रूप में ट्रांसफर किया जाता है। आरएसएफक्यू सुपरकंडक्टिंग लॉजिक की एक फैमिली है। अन्य में रेसिप्रोकल क्वांटम लॉजिक (आरक्यूएल), ईआरएसएफक्यू - एनर्जी-एफिसिएंट आरएसएफक्यू वर्ज़न सम्मिलित है जो बायस रेसिस्टर्स का उपयोग नहीं करता है, आदि। जोसेफसन जंक्शन आरएसएफक्यू इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक्टिव एलिमेंट हैं, जैसे ट्रांजिस्टर सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक्टिव एलिमेंट हैं। आरएसएफक्यू एक क्लासिकल डिजिटल टेक्नोलॉजी है लेकिनक्वांटम कम्प्यूटिंग नहीं।

आरएसएफक्यू पारंपरिक कंप्यूटरों में उपयोग की जाने वाली सीएमओएस ट्रांजिस्टर तकनीक से बहुत अलग है:

• सुपरकंडक्टिंग डिवाइस को क्रायोजेनिक टेम्परेचर की आवश्यकता होती है।
• जोसेफसन जंक्शन द्वारा प्रोड्यूस्ड पीकोसैकन्ड-ड्यूरेशन एसएफक्यू वोल्टेज पल्स का उपयोग सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स में ट्रांजिस्टर द्वारा प्रोड्यूस्ड वोल्टेज लेवल के स्थान पर डिजिटल इनफार्मेशन को एन्कोड करने, प्रोसेस करने और ट्रांसपोर्ट करने के लिए किया जाता है।
• एसएफक्यू वोल्टेज पल्स सुपरकंडक्टिंग ट्रांसमिशन लाइन पर ट्रैवल करते हैं जिनमें बहुत छोटा, और सामान्यतः नेग्लिजिबल, डिस्परज़न होता है यदि पल्स का कोई स्पेक्ट्रल कॉम्पोनेन्ट सुपरकंडक्टर की एनर्जी गैप की फ्रीक्वेंसी से ऊपर नहीं होता है।
• 1 पीएस के एसएफक्यू पल्स के केस में, सर्किट को 100 गीगाहर्ट्ज (प्रत्येक 10 पिकोसेकंड में एक पल्स) की फ्रीक्वेंसीयों पर क्लॉक करना संभव है।

एक एसएफक्यू पल्स तब उत्पन्न होता है जब जोसेफसन जंक्शन वाले सुपरकंडक्टिंग लूप के माध्यम से मैग्नेटिक फ्लो एक फ्लक्स क्वांटम द्वारा Φ₀जंक्शन स्विचिंग के परिणामस्वरूप बदलता है। एसएफक्यू पल्स का एक क्वानटाइज़ड एरिया मैग्नेटिक फ्लो क्वांटम के कारण ʃV(t)dt = Φ₀ ≈ 2.07×10⁻¹⁵ Wb = 2.07 mV⋅ps = 2.07 mA⋅pH होता है, जो सुपरकंडक्टर्स की एक फंडामेंटल प्रॉपर्टी है। जोसेफसन जंक्शनों के पैरामीटर के आधार पर, पल्स लगभग 2 mV के आयाम के साथ 1 पिकोसेकंड जितनी नैरो 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_cR_n है, जहां i_cR_n जंक्शन क्रिटिकल करंट, I_c और जंक्शन डम्पिंग रेसिस्टर, R_nका प्रोडक्ट है। एनबी-बेस्ड जंक्शन टेक्नोलॉजी के लिए I_cR_n 1 mV के आर्डर पर है।

एडवांटेज

• सीएमओएस सर्किट्री, माइक्रोवेव और इन्फ्रारेड तकनीक के साथ इंटरऑपरेबल
• एक्सट्रीमली  फ़ास्ट ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी: कुछ दसियों गीगाहर्ट्ज़ से लेकर हंड्रेड गीगाहर्ट्ज़ तक
• कम पावर कंसम्पशन: प्रशीतन के लिए लेखांकन के बिना, सीएमओएस सेमीकंडक्टर सर्किट की तुलना में लगभग 100,000 गुना कम
• एक्सिस्टिंग चिप मैन्युफैक्चरिंग टेक्नोलॉजी को आरएसएफक्यू सर्किटरी के निर्माण के लिए अडाप्ट किया जा सकता है
• मैन्युफैक्चरिंग वैरिएशंस के प्रति गुड टॉलरेंस
• आरएसएफक्यू सर्किटरी एसेंशियली सेल्फ-क्लॉकिंग है, जो असिंक्रोनस सर्किट डिज़ाइन को और अधिक प्रैक्टिकल बनाती है।

डिसएडवांटेज

• क्रायोजेनिक कूलिंग की आवश्यकता है। ट्रेडिशनली इसे लिक्विड नाइट्रोजन और लिक्विड हीलियम जैसे क्रायोजेनिक लिक्विड पदार्थों का उपयोग करके प्राप्त किया गया है। हाल ही में, क्लोज्ड-साइकिल क्रायोकूलर, जैसे, पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर ने काफी पॉप्युलैरिटी हासिल की है क्योंकि वे क्रायोजेनिक लिक्विड पदार्थों को एलिमिनेट करते हैं जो कॉस्टली हैं और समय-समय पर रिफिलिंग की आवश्यकता होती है। क्रायोजेनिक कूलिंग भी एक एडवांटेज है क्योंकि यह वर्किंग एन्वॉयरमेंट के थर्मल नॉइज़ को कम करता है।
• हाई-टेम्परेचर वाले सुपरकंडक्टर्स के उपयोग के माध्यम से कूलिंग रीक्वायरमेन्ट में ढील दी जा सकती है। हालाँकि, हाई-T_c सुपरकंडक्टर का उपयोग करके आज तक केवल वेरी लो-कॉम्पलेक्सिटी वाले आरएफएसक्यू सर्किट प्राप्त किए गए हैं। ऐसा माना जाता है कि एसएफक्यू-आधारित डिजिटल प्रौद्योगिकियाँ ~ 20 K – 25 K से ऊपर के टेम्परेचर पर इमप्रैक्टिकल हो जाती हैं क्योंकि पैरामीटर E_J/k_BT के घटने से बढ़ते टेम्परेचर T के साथ बिट एरर रेट्स (थर्मली-इंड्यूस्ड जंक्शन स्विचिंग) तीव्रता से बढ़ती है। जहां E_J = I_cΦ₀/2π जोसेफसन एनर्जी है।
• स्टैटिक पावर डीसीपेशन जो सामान्यतः लॉजिक ऑपरेशन करने के लिए ड्रॉबैक में से एक और आवश्यक डायनामिक पावर से 10-100 गुना बड़ा होता है। हालाँकि, आरएसएफक्यू के ईआरएसएफक्यू वर्ज़न में स्टैटिक पावर डीसीपेशन के स्रोत बायस रेसिस्टर्स के स्थान पर सुपरकंडक्टिंग इंडक्टर्स और जोसेफसन जंक्शनों का उपयोग करके स्टैटिक पावर डीसीपेशन को एलिमिनेट कर दिया गया था।

एप्लीकेशन

• ऑप्टिकल और अन्य हाई-स्पीड नेटवर्क स्विचिंग डिवाइस
• डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग, एक्स-बैंड सिग्नल एंड बियॉन्ड
• अल्ट्राफास्ट राउटर
• सॉफ्टवेयर-डिफाइंड रेडियो (एसडीआर)
• हाई स्पीड एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर
• हाई परफॉरमेंस क्रायोजेनिक कंप्यूटर
• सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट और क्वांटम सर्किट के लिए कंट्रोल सर्किटरी

यह भी देखें

• सुपरकंडक्टिंग लॉजिक में आरएसएफक्यू के कम्पैरिजन में बेहतर एनर्जी एफिशिएंसी वाले नए लॉजिक फैमिली सम्मिलित हैं।
• क्वांटम फ्लक्स परमेट्रोन, रिलेटेड 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, आरएसएफक्यू 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 आरएसएफक्यू-based Self-Routing Nonblocking Digital Switches (1996)
• Design Issues in Ultra-Fast Ultra-Low-Power Superconductor Batcher-Banyan Switching Fabric Based on आरएसएफक्यू Logic/Memory Family (1997)
• A Clock Distribution Scheme for Large आरएसएफक्यू Circuits (1995)
• Josephson Junction Digital Circuits – Challenges and Opportunities (Feldman 1998)
• Superconductor ICs: the 100-GHz second generation // IEEE Spectrum, 2000