Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han demostrado experimentalmente un nuevo criogénico, o baja temperatura, diseño de circuito de celda de memoria basado en matrices acopladas de uniones Josephson, una tecnología que puede ser más rápida y más eficiente energéticamente que los dispositivos de memoria existentes. Si se escala con éxito, este tipo de matriz de memoria criogénica podría promover una variedad de aplicaciones, incluida la computación cuántica y de exaescala.

"En nuestro diseño, hemos intentado un camino fundamentalmente diferente que emplea pequeñas, matrices acopladas inductivamente de uniones Josephson, ", dijo Yehuda Braiman de la División de Ingeniería y Ciencias Computacionales de ORNL." Si se escala, tales matrices de celdas de memoria podrían ser órdenes de magnitud más rápidas que las memorias existentes y consumir muy poca energía ".

Las celdas están diseñadas para funcionar a temperaturas muy frías y se probaron a solo 4 Kelvin por encima del cero absoluto. alrededor de menos 452 grados Fahrenheit. En condiciones tan frías, los átomos se ralentizan y ciertos materiales pierden resistencia al flujo de electricidad, convirtiéndose en superconductores. Debido a que los superconductores no tienen resistencia al flujo eléctrico, pierden una cantidad casi insignificante de energía en forma de calor.

Si bien la promesa de construir más rápido, computadoras más eficientes en energía basadas en estos principios de tecnología criogénica han atraído a los investigadores durante décadas, construyendo memorias criogénicas confiables, "las partes de las computadoras que almacenan información para funciones informáticas básicas, ha sido durante mucho tiempo un obstáculo.

Un diseño diferente

El diseño desarrollado por ORNL se desvía de las tecnologías de memoria criogénica existentes porque sus células de memoria, las partes localizadas del circuito que contienen un dígito binario de un cero o uno, conocido como un "bit" de información, funcionan utilizando tres uniones Josephson acopladas inductivamente.

Las uniones de Josephson son dispositivos eléctricos criogénicos bien establecidos que pueden aprovechar el flujo magnético para almacenar datos. El diseño ORNL, que emplea un pequeño número de estas uniones, podría ofrecer ventajas sobre algunas de las células de memoria de baja temperatura estudiadas recientemente. Muchas de estas tecnologías se apoyan en un tipo de lógica digital llamada cuántica de flujo único, o SFQ. Otros se basan en uniones Josephson magnéticas, que todavía plantean algunos desafíos de fabricación para las aplicaciones de memoria criogénica.

"La gente busca algo diferente, ", Dijo Braiman." Estamos utilizando uniones típicas, que no requieren ningún diseño de fabricación en particular. Es un principio inherentemente diferente en sí mismo que hace que la célula funcione ".

Singularmente, su diseño ternario permite todas las operaciones básicas de memoria:leer, escribir y restablecer:se implementará en la misma celda de tres conexiones Josephson. Esta capacidad puede ayudar a agregar estabilidad a la vez que ahorra espacio y energía a medida que los circuitos de la celda se escalan en arreglos más grandes, un paso que ha causado problemas a las tecnologías existentes.

"El mecanismo en el que se basan todos estos tipos [existentes] de circuitos criogénicos es fundamentalmente inestable, "dijo Niketh Nair, investigador postdoctoral en ORNL que trabajó en el diseño. "Cuando escalas estos circuitos, la inestabilidad que existe en estos sistemas puede llegar a un punto crítico ".

Confirmación de diseño

Para confirmar la viabilidad de su nuevo diseño, el equipo de ORNL probó conjuntamente los circuitos de la celda con SeeQC, una empresa de tecnología superconductora. Los científicos de SeeQC fabricaron el diseño ORNL en chips de 5 por 5 milímetros, aproximadamente el diámetro de un borrador de lápiz estándar, con circuitos en cada esquina.

Los chips se montaron en un poste largo, llamada sonda criogénica, conectado por cables a una computadora de escritorio a temperatura ambiente. Los científicos sumergieron los chips en un recipiente especializado lleno de helio líquido para enfriar el circuito a una temperatura de 4 Kelvin. De acuerdo con los procedimientos de prueba dirigidos por ORNL, luego enviaron pulsos eléctricos desde la computadora a temperatura ambiente para probar la función de memoria de las células.

Las pruebas de diseños de circuitos de cuatro celdas con especificaciones ligeramente diferentes demostraron no solo que las celdas funcionan, pero también que funcionan de manera robusta y operan en una gama más amplia de parámetros experimentales de lo que el equipo había previsto inicialmente.

Esta confirmación llega tres años después de que el equipo de ORNL, que incluye a Braiman, Nair y Neena Imam, originalmente analizó y simuló la lógica del diseño de células de memoria criogénica en artículos publicados en Ciencia y tecnología de superconductores y Revisión física E .

Aunque los investigadores estaban emocionados de confirmar sus predicciones, Son cautelosos al decir que sus resultados iniciales conducirán a un gran avance. "Lo que se ha demostrado es a nivel de una sola célula, ", dijo Braiman." Lo que a la gente le importa son conjuntos muy grandes de células de memoria ".

Como siguiente paso, El equipo de ORNL trabajará para implementar sus células en arreglos y diseños de prueba cada vez más grandes utilizando equipos de prueba criogénicos que el laboratorio adquirió recientemente. La nueva configuración del laboratorio permitirá futuras investigaciones in situ de tecnologías criogénicas.