Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno dimostrato sperimentalmente un nuovo sistema criogenico, o bassa temperatura, progettazione del circuito della cella di memoria basata su array accoppiati di giunzioni Josephson, una tecnologia che potrebbe essere più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai dispositivi di memoria esistenti. Se ridimensionato con successo, questo tipo di array di memoria criogenica potrebbe far progredire una varietà di applicazioni, tra cui l'informatica quantistica ed esascala.

"Nel nostro progetto, abbiamo tentato un percorso fondamentalmente diverso che impiega piccoli, array accoppiati induttivamente di giunzioni Josephson, ", ha affermato Yehuda Braiman della divisione di scienze computazionali e ingegneria dell'ORNL. "Se ridimensionato, tali array di celle di memoria potrebbero essere ordini di grandezza più veloci delle memorie esistenti consumando pochissima energia".

Le celle sono progettate per funzionare a temperature super fredde e sono state testate a soli 4 Kelvin sopra lo zero assoluto, circa meno 452 gradi Fahrenheit. In condizioni così fredde, gli atomi rallentano e alcuni materiali perdono resistenza al flusso di elettricità, diventando superconduttori. Poiché i superconduttori non hanno resistenza al flusso elettrico, perdono una quantità quasi trascurabile di energia sotto forma di calore.

Mentre la promessa di costruire più velocemente, computer più efficienti dal punto di vista energetico basati su questi principi della tecnologia criogenica hanno attratto i ricercatori per decenni, costruire memorie criogeniche affidabili, " le parti dei computer che memorizzano le informazioni per le funzioni di elaborazione di base, è rimasto a lungo un ostacolo.

Un design diverso

Il design sviluppato da ORNL si discosta dalle tecnologie di memoria criogenica esistenti perché le sue celle di memoria, le parti localizzate del circuito che contengono una cifra binaria di zero o uno, noto come un "bit" di informazioni, sono azionati utilizzando tre giunzioni Josephson accoppiate induttivamente.

Le giunzioni Josephson sono dispositivi elettrici criogenici consolidati in grado di sfruttare il flusso magnetico per memorizzare i dati. Il design dell'ORNL, che impiega un piccolo numero di queste giunzioni, potrebbe offrire vantaggi rispetto ad alcune delle celle di memoria a bassa temperatura studiate di recente. Molte di queste tecnologie si basano su un tipo di logica digitale chiamata quantistica a flusso singolo, o SFQ. Altri sono basati su giunzioni magnetiche Josephson, che pongono ancora alcune sfide di fabbricazione per le applicazioni di memoria criogenica.

"Le persone cercano qualcosa di diverso, " ha detto Braiman. "Stiamo usando giunzioni tipiche, che non richiedono particolari progetti di fabbricazione. È un principio intrinsecamente diverso che fa funzionare la cellula".

Unicamente, il loro design ternario consente tutte le operazioni di memoria di base:lettura, scrittura e ripristino, da implementare sulla stessa cella a tre giunzioni Josephson. Questa capacità può aiutare ad aggiungere stabilità risparmiando spazio ed energia poiché i circuiti delle celle vengono ridimensionati in array più grandi, un passo che ha causato problemi alle tecnologie esistenti.

"Il meccanismo su cui si basano tutti questi tipi [esistenti] di circuiti criogenici è fondamentalmente instabile, " disse Niketh Nair, un ricercatore post-dottorato presso l'ORNL che ha lavorato alla progettazione. "Quando scalerai questi circuiti, l'instabilità che esiste in questi sistemi può colpire un punto critico."

Conferma del progetto

Per confermare la fattibilità del loro nuovo design, il team ORNL ha testato congiuntamente i circuiti cellulari con SeeQC, una società di tecnologia dei superconduttori. Gli scienziati di SeeQC hanno fabbricato il progetto ORNL su chip da 5 millimetri per 5 millimetri, circa il diametro di una gomma da matita standard, con circuiti a ogni angolo.

I chip erano montati su un lungo palo, chiamata sonda criogenica, collegato tramite cavi a un computer desktop a temperatura ambiente. Gli scienziati hanno immerso i chip in un contenitore specializzato riempito di elio liquido per raffreddare il circuito a una temperatura di 4 Kelvin. Secondo le procedure di prova dirette da ORNL, hanno quindi inviato impulsi elettrici dal computer a temperatura ambiente per testare la funzione di memoria delle cellule.

I test su quattro circuiti di celle con specifiche leggermente diverse hanno dimostrato non solo che le celle funzionano, ma anche che funzionano in modo robusto e operano in una gamma più ampia di parametri sperimentali rispetto a quanto inizialmente previsto dal team.

Questa conferma arriva tre anni dopo che il team ORNL, che include Braiman, Nair e Neena Imam, originariamente analizzato e simulato la logica del design della cella di memoria criogenica in articoli pubblicati in Scienza e tecnologia dei superconduttori e Revisione fisica E .

Sebbene i ricercatori fossero entusiasti di confermare le loro previsioni, sono cauti nel dire che i loro risultati iniziali porteranno a una svolta. "Ciò che è stato dimostrato è a livello di una singola cellula, " ha detto Braiman. "Quello che interessa alla gente sono array molto grandi di celle di memoria."

Come passo successivo, il team ORNL lavorerà per implementare le proprie cellule in array sempre più grandi e testare i progetti utilizzando apparecchiature di test criogeniche che il laboratorio ha recentemente acquistato. La nuova configurazione del laboratorio consentirà la futura ricerca in loco di tecnologie criogeniche.