超導納米線存儲單元：尺寸更小，功耗更低！

導讀

最近，美國伊利諾伊大學香檳分校的科研人員開發出一種新型的納米級超導存儲器單元，這種存儲器性能穩定、尺寸更小、功耗更低。

關鍵字

超導、量子、存儲器、半導體

背景

今天的前沿科技成果介紹，還是從一種非常經典的物理現象開始。

它就是超導。

之前，筆者在《「不良金屬」中的電荷條紋，對於高溫超導研究有什麼幫助？》、《石墨烯：超導天賦被激發，有望用於分子電子設備！》、《新型超導納米薄膜：柔軟、超薄、超輕、應用前景好！》這三篇文章中，都介紹過超導方面的一些相關研究。再簡單回顧一下：

超導，是指某些物質在一定溫度條件下（一般都是極低的溫度）電阻降為零的性質。

超導體，具有一些列比較獨特的物理特性，例如：零電阻、反磁性、量子隧道效應。所以，超導技術廣泛應用於電力傳輸、磁懸浮列車、熱核聚變反應堆、量子計算等領域。

超導體引起的磁懸浮現象

（圖片來源於：維基百科）

然而，今天的重點是關於超導體在計算機方面的應用，也就是超導計算機。

其實，相對於傳統計算機使用的CMOS技術，超導計算機主要優勢還是在能耗方面。在傳統的處理器中，大量的能耗並不是來源於實際的邏輯運算，而是由於在邏輯單元之間移動信息而帶來的。然而，超導體具有零電阻的特性，在這個意義上說，超導計算機具備顯著優勢。

自上世紀五十年代起，美國就開始研究超導超級計算機，其計算速度比普通的計算機要快很多倍，而功耗卻低很多倍。但是到現在，已經幾十年過去了，超導計算機方面的研究也取得了不少進步，例如IBM、日本國際貿易與工業部、貝爾實驗室、莫斯科國立大學等科研機構都取得過不少的科研成果。

日本研製的ETL-JC1超導計算機

（圖片來源於: AIST）

然而，在摩爾定律的步伐下，傳統的硅基半導體晶元的性能不斷提高，成本卻不斷降低。但是，超導計算機卻並沒有跟上這一步伐。到目前為此，這一技術尚未得以大規模商用。

可是，正如筆者曾在《摩爾定律，是生存還是毀滅？》一文中所討論的，摩爾定律目前正面臨一些挑戰。科學界和產業界都在尋找一些新出路，例如探索量子計算機、分子計算機等等。然而，超導計算機的研究，同樣也會帶來新希望，或者說通向一條新出路。

但是，在超導計算機技術前進的道路上，仍然存在著許多障礙和挑戰，其中非常重要的一項就是：

開發出小型化的低功耗存儲器。

創新

最近，美國伊利諾伊大學香檳分校的科研人員經過不懈探索，開發出一種新型納米級的超導存儲器單元，它很有希望與超導處理器進行集成。這種存儲器性能穩定，而尺寸比其他存儲器件要更小。

這項創新技術主要開發人員有：物理學教授 Alexey Bezryadin、研究生 Andrew Murphy、紐約州立大學石溪分校的理論物理教授 Dmitri Averin。這項研究成果於6月13日發表在《新物理學期刊》上。

Alexey Bezryadin 教授和研究生 Andrew Murphy 在實驗室工作。

（圖片來源於: Siv Schwink, Physics Illinois）

技術

接下來，又到了深入分析技術的章節，所以帶大家一起探究一下這種超導存儲器的組成和原理。

這種納米級的超導存儲器，由兩條超導納米線組成，連接著兩個不均勻間隔的電極，這些電極是通過電子束光刻技術「寫入」的。

這些納米線和電極形成一種非對稱的、閉環的超導，它稱為納米線超導量子干涉器件（SQUID）。

那麼，什麼是SQUID呢？

SQUID，其實就是一種將磁通轉化為電壓的磁通感測器，其基本原理是基於超導約瑟夫森效應和磁通量子化現象，不僅可以用來測量磁通量的變化，還可以測量能轉換為磁通的其他物理量，如電壓、電流、電阻、電感、磁感應強度、磁場梯度、磁化率等。

當含有「約瑟夫森結」（Josephson junction）的超導體閉合環路，被適當大小的電流偏置後，會呈現一種宏觀量子干涉現象，即「約瑟夫森結」兩端的電壓是該閉合環路環孔中的外磁通量變化的周期性函數。

下面，我再通過維基百科的這張圖，為大家演示一下SQUID的外觀。

（圖片來源於：維基百科）

那麼，存儲器的狀態是如何表示的？

電流流過環路時，方向可以分為順時針或者逆時針，分別代表二進位數「0」或者「1」。因為電子在超導狀態下，電流會在環路中無限期地流動，從而形成了非易失性的存儲器。

根據超導存儲器的示意圖，帶大家直觀且深入地觀察下。

(a) 是存儲器的圖片，由Mo75Ge25（黃色）的超導帶，以及一對超導納米線組成的閉環（黃色）形成，納米線的寬度分別是24納米和22納米。

(b) 臨界電流，在不破壞超導性的前提下，被注入到器件中的最大電流和磁場以函數的形式描述。我們施加了一個正電流，將存儲狀態設置為「0」；我們施加了一個負電流（外部磁場一樣），為了將存儲狀態設置為「1」。為了讀取存儲狀態，電流被設置為更高的值，如同紅色的菱形所示，且對於電壓發生時的電流值進行測量，這樣數值就是臨界電流。

它的統計分布顯示在(c)中。臨界電流的測量值，取決於預設置的存儲值，「0」或者「1」。那麼，通過測量臨界電流，我們就可以判斷出存儲單元的狀態。

（圖片來源於: Alexey Bezryadin 和 Andrew Murphey, 伊利諾伊大學香檳分校）

存儲器狀態的寫入和讀取，如何進行？

存儲器狀態的寫入，是通過特定磁場下，施加特定量級的振蕩電流來完成。而對於存儲器狀態的讀取，科學家們則是通過提高電流，並且檢測當超導性遭到破壞時的電流值。結果表明，這種「破壞」或者說是臨界電流，對於兩種存儲狀態「0」或者「1」來說，是不同的。

科學家們測試了存儲器的穩定性，推遲了狀態的讀取，並沒有發現存儲消失的情況。

團隊通過兩種納米線 「SQUIDS」來開展實驗，它們是由超導體Mo75Ge25組成，使用了一種叫做「分子模板」（molecular templating）的方法。

價值

對於這項創新研究的價值，我們還是先看看科研人員如何評價。

Bezryadin 評論說：

「這是非常令人興奮的。這種超導存儲單元的尺寸，可以縮小到幾十納米的範圍，並且不受其他方案中同樣的性能問題的制約。」

Murphy 補充說：

「在創造這種尺寸縮小的超導體存儲單元方面，許多相關的努力都無法達到我們所達到的尺寸。超導存儲器比現在標準的存儲器，製造起來需要更加廉價，還需要高密度、小尺寸和快速。」

目前為此，最有前途的超導存儲器，稱為「單磁通量子」（single-flux quanta）器件，它是由約瑟夫森結和電感元件組成的控制電路。

它們都是在微米的級別，所以這些器件的小型化到了約瑟夫森結和電感的尺寸限制。另外，其中一些也需要鐵磁屏障來編碼信息。

然而，Bezryadin 和 Murphy 設計的器件無需鐵磁組件，並且消除了磁場的相互作用。Bezryadin 繼續說：

「因為動態電感隨著線的橫截面尺寸減少而增加，納米線 SQUID 存儲元件可以進一步減少，達到幾十納米的級別。」

科研人員強調，如果兩個二進位狀態的能量相等或者接近相等，這種器件能夠在非常低的能耗下工作。這種操作的理論模型是和Averin 一起合作開發。在這兩個相等的能量之間的切換，會通過量子隧穿效應或者通過多次狀態之間多次躍遷的絕熱過程來達到。

未來

未來，Bezryadin 計劃測量切換時間，並且研究將更大規模的納米線陣列，作為存儲元件來使用。他們也在測試更高臨界溫度的超導體，從而使得存儲電路工作溫度達到在4K。另外，快速操作將通過微波脈衝來實現。

參考資料

【1】http://physics.illinois.edu/news/article/22141

【2】Andrew Murphy et al. Nanoscale superconducting memory based on the kinetic inductance of asymmetric nanowire loops, New Journal of Physics (2017). DOI: 10.1088/1367-2630/aa7331

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