Nanoélectronique supraconductrice : la logique RSFQ

Nanoélectronique supraconductrice : la logique RSFQ
Alain GAUGUE et Alain KREISLER
Laboratoire de génie électrique des universités Paris 6 et Paris 11 (LGEP) UMR 8507 CNRS SUPÉLEC,
11 rue Joliot Curie, Plateau de Moulon, 91192 GIF/YVETTE Cedex
Résumé : L'électronique supraconductrice, fondée sur
un principe nouveau - la logique RSFQ (Rapid SingleFlux Quantum) - connaît aujourd'hui un regain d'intérêt
du fait de ses performances exceptionnelles, très au delà
de celles des filières électroniques classiques. Cette
technologie, basée sur l'utilisation de jonctions
Josephson shuntées de dimensions submicrométriques,
offre comme principal avantage d'être ultra-rapide tout
en présentant une consommation ultra-réduite. De
nombreuses fonctions électroniques ont déjà été
réalisées et pourraient être amenées, au terme de la
prochaine décennie, à remplacer avantageusement les
circuits à base de semiconducteurs.
1 - Introduction
L’évolution de l’électronique fait une place de plus
en plus grande aux circuits logiques au détriment des
circuits analogiques. Cette croissance exponentielle de
l'électronique numérique en cette fin de siècle est sans
aucun doute due aux techniques de traitements
numériques de l'information omniprésentes dans notre
environnement
quotidien
(télécommunications,
multimédia, automobile, domotique, etc). Les besoins
sans cesse croissants en circuits numériques vont de plus
de pair avec des performances (densité d'intégration,
rapidité) de plus en plus élevées.
Les composants principaux des circuits logiques sont
aujourd’hui basés sur des technologies semiconductrices
sur silicium (transistors à effet de champ de type MOS).
Ces circuits intégrés ont suivi une progression
déterministe, régie par la loi de Moore, de sorte qu’il est
actuellement possible de réaliser des circuits intégrant,
sur une puce de silicium de l’ordre du centimètre carré,
plusieurs dizaines de millions de transistors fonctionnant
à plusieurs centaines de MHz et qu'il sera sûrement
possible, lors de la prochaine décennie, de réaliser des
processeurs avec des densités d'intégration de l'ordre de
2×109 Transistors/cm2 fonctionnant à une fréquence
d'horloge de 3 GHz. Néanmoins l’augmentation de la
densité d'intégration et de la rapidité des circuits se
heurtera inévitablement à la difficulté d’extraire la
puissance dissipée dans ces circuits et à des défis
technologiques (technologie 35 nm).
L'électronique supraconductrice [1,2], dès les années
60, a été présentée comme une alternative possible aux
semiconducteurs pour la réalisation de composants
logiques. En effet, cette technologie présente des atouts
indéniables pour la réalisation de composants ultrarapides : i) les lignes supraconductrices sont nondispersives ce qui permet de véhiculer des impulsions
électriques ultra-brèves (de l'ordre de la picoseconde)
sans aucune déformation ; ii) les temps de commutation
des jonctions supraconductrices (jonction Josephson)
sont de l'ordre de la picoseconde ; iii) la puissance
dissipée dans une cellule élémentaire est très faible.
Cependant, malgré des efforts considérables et des
projets
de
grande
envergure
calculateur
supraconducteur de IBM (1969 - 83) et le projet MITI
au Japon (1981 - 90) - jusqu’à une date récente aucune
réalisation pratique n’a pu concurrencer les filières
électroniques traditionnelles, et cela pour plusieurs
raisons. Tout d’abord, il a fallu longtemps pour imaginer
une logique à supraconducteur présentant des
performances intéressantes. Jusqu'à la fin des années 80
les fréquences de fonctionnement étaient limitées aux
alentours du GHz, fréquences d’un ordre de grandeur à
1 THz
Fréquence d’horloge
Haut Tc (65-77K) ???
supraconducteurs
100 GHz
Bas Tc (4-5K)
30M JJ
0,4 µm
3M JJ
0,8 µm
10 GHz
10k JJ
3,5 µm
300k JJ
1,5 µm
0,03 µm
0,07 µm
semiconducteurs
0,13 µm
0,18 µm
0,20 µm
1 GHz
???
0,25 µm
- Litho. électronique
0 40
- UltraViolet Extrême
Lithographie optique
Années
100 MHz
1995
1998
2001
2004
2007
2010
Figure 1 : comparaison, en terme de fréquence de
fonctionnement de système complexe (par exemple un
processeur), entre la filière semiconductrice et la filière
supraconductrice. Les données pour les semiconducteurs
sont issues de la National Technology Roadmap [3] et
celles pour les supraconducteurs du tableau I.
peine plus élevée que celles des circuits
semiconducteurs. Ensuite, il a été difficile de développer
une technologie fiable pour réaliser les composants,
Enfin, durant ces deux dernières décennies, les
semiconducteurs ont vu leurs performances s’améliorer
sans cesse permettant toujours d’atteindre les objectifs
visés à un instant donné.
Néanmoins l'électronique supraconductrice, fondée
sur un principe nouveau - la logique RSFQ (Rapid
Single-Flux Quantum) [4] - connaît depuis peu un
regain d'intérêt du fait de ses performances
exceptionnelles, très au-delà de celles des filières
électroniques classiques (cf. figure1), qui par ailleurs se
rapprochent de leur vitesse limite. Ainsi, au terme de la
prochaine décennie, ces circuits pourraient être amenés
à remplacer avantageusement les circuits à base de
semiconducteurs tels que le prévoit l'autoritaire
prospective de la National Technology Roadmap for
Semiconductors [3].
2 - Composants logiques supraconducteurs
Avant l'apparition de la jonction Josephson, coeur de
tout composant logique supraconducteur actuel, les
dispositifs logiques (par exemple le cryotron) mettaient
à
profit
le
changement
de
phase
supraconducteur/normal, permettant ainsi de commuter
entre un état faiblement résistif (normal) et un état
supraconducteur. De tels composants n'ont jamais
débouché sur des applications concrètes du fait des
principes thermiques intrinséque mis en jeu limitant par
là même les vitesses de commutation.
Au début des années 80, apparut une famille de
composants logiques, dénommée logique à maintien latching logic -, qui utilisait la commutation d'une
jonction Josephson présentant un effet d'hystérésis (cf.
figure 2). Cette hystérésis, nécessaire pour le maintien
des états logiques, nécessitait cependant la remise à zéro
périodique (et pendant un certain temps) du courant de
polarisation de la jonction, ce qui limitait
intrinsèquement la fréquence d'horloge des composants
aux alentours du GHz. Cette technologie ne perça donc
pas et le choix technique, qui consistait à imiter les
composants semiconducteurs, en codant les états
logiques par des tensions, fut remis en cause puis
abandonné.
La logique Rapid Single Flux Quantum fit alors son
apparition. Elle est fondée sur l'utilisation de jonctions
Josephson shuntées, donc non hystérétiques, et met à
profit, comme son nom l'indique, leurs comportements
dynamique et quantique (cf. figure 3). Dans les
composants RSFQ ce n'est pas un niveau statique de
tension qui code l'information, mais la présence ou
l'absence d'un quantum de flux magnétique (Fluxon)
-15
F0 = h/2e = 2,07×10 Wb. La cellule élémentaire
RFSQ est constituée d'une boucle supraconductrice
fermée par une jonction et shuntée par une résistance.
Chaque variation d'un quantum de flux dans la boucle
(fluxon entrant ou sortant de la boucle) induit une
Courant
état "0"
Tension
Jonction
Josephson I1
Hystérésique
État
"0"
état "0"
état "1"
0
V1
État
"1"
Jonction
Josephson
shuntée
Tension
État
"0"
Temps
Figure 2 : principe de fonctionnement de la logique à
maintien fondé sur l'utilisation d'une jonction Josephson
avec une caractérisitque I-V hystérétique. Le courant de
polarisation Ip de la jonction est fixé à une valeur
légèrement inférieure au courant critique Josephson Ij. La
jonction commute de l'état supraconducteur (état 0), à un
état résistif (état 1), lorsqu’est appliqué un courant de
polarisation qui dépasse momentanément Ij. Pour revenir à
l'état 0 il faut que le courant de polarisation soit ramené à
zéro pendant un certain temps.
0
Tension
Passage de
l’impulsion
Tension
Ip
Courant
IJ
état "1"
État
"0"
État
"1"
Temps
Horloge
État
"0"
Temps
Données
Figure 3 : principe de fonctionnement de la logique RFSQ
fondé sur l'utilisation d'une jonction Josephson shuntée
avec une caractérisitque I-V non hystérétique. Lorsque le
courant de polarisation Ip atteint le courant critique
Josephson Ij de la jonction, un quantum de flux pénètre
dans la boucle ce qui induit une impulsion de tension aux
bornes de la jonction. Par convention, on définit l'état
logique 1 par la présence d'une impulsion durant la
période du signal d'horloge et, l'état 0 par l'absence d'une
impulsion durant la période du signal d'horloge.
impulsion de tension aux bornes de la jonction, dont la
valeur de l'intégrale temporelle est égale à F0 soit
2,07 mV×ps. La durée et l'amplitude de cette impulsion
dépendent de la géométrie de la jonction et du matériau
qui la compose; pour une jonction en Nb de 1 µm2
l'impulsion dure environ 1 ps et a 2 mV d'amplitude. Le
traitement des données revient donc à manipuler des
impulsions de tensions résultant du transfert de quantum
de flux, avec comme avantage que l'énergie dissipée lors
du transfert d'un quantum de flux est indépendante de
l'amplitude de l'impulsion et, est égale à Ij×F0 : soit pour
un courant critique Josephson de 100 µA, une énergie
-19
de 2×10 J ; ce qui est 5 ordre de grandeur plus faible
que pour les semiconducteurs.
3 - Structure et performances
des composants RSFQ
Tout circuit RSFQ est constitué de trois cellules
élémentaires [2] (cf. figure 4). La première, composée
d'une inductance et d'une jonction, joue le rôle de buffer,
elle assure la transmission des impulsions picosecondes.
La seconde cellule, constituée également d'une
inductance et d'une jonction assure le stockage de
l'information (impulsion), sous forme d’un courant de
boucle persistant. Enfin, la troisième constituée d'une
inductance et de deux jonctions différentes, contrôlée
par un signal d'horloge, réalise deux fonctions. Tout
d'abord, elle joue le rôle de cellule tampon, qui empêche
un signal arrivant sur la sortie de réagir sur l'entrée et de
plus, assure la prise décision : transmettre ou non
l'information (impulsion). Les inductances associés aux
jonctions font partie intégrante de la fonction et servent
soit à coupler les différentes cellules entre elles (cf.
cellule 1), soit à stocker l’énergie (cf. cellule 2). Un
fonctionnement optimal est obtenu lorsque la relation
L×Ij = F0/2 est vérifiée (pour Ij ~ 100 µA, L ~ 10 pH).
Quant au signal d'horloge, il sert de référence aux
impulsions de tensions pour définir les états logiques 0
Polarisation
(cont inu)
I S = Courant persistant
Polarisation
(continu)
·
·
Inductance
·
· ··
T ransmission de
l'information
Signal
d'horloge
·
Polarisation
(continu)
·
·
···
Double jonctions
IS
Buffer
Prise de décision
Stockage de l'information
Figure 4 : Structure de base d’une porte RFSQ constituée
de 3 cellules : buffer, stockage de l’information et prise de
décision.
et 1. Par convention, l'état logique 1 est défini par la
présence d'une impulsion durant la période du signal
d'horloge et, l'état 0 par l'absence d'une impulsion durant
cette même période.
Les performances des composants RSFQ sont
intrinséquement supérieures à celles des composants
semiconducteurs, aussi bien sur les aspects rapidité et
énergie dissipée pour une même densité d'intégration.
La limite ultime de la fréquence de fonctionnement
d'un composant RSFQ réalisant une fonction logique
élémentaire (par exemple la bascule flip-flop) est fixée
par la largeur de l'impulsion créée par le fluxon, et peut
s'exprimer grâce à un modèle de type RSJ (ResistivelyShunted Junction) [5] : FJ = wJ / 2p = (bc JJ /2pF0 CA)½,
où bc est le paramètre de McCumber fixé, en général,
par la résistance de shunt au voisinage de 1, Jj la densité
de courant critique Josephson et CA = C/A la capacité
spécifique du dispositif de surface A. L'épaisseur de la
barrière tunel est l’un des paramètres clefs (comme la
dimension de la jonction) des performances
fréquentielles des composants, car elle détermine la
densité de courant critique Josephson Jj. Sa diminution
augmente de manière linéaire avec CA et de manière
exponentielle avec Jj, ce qui fait que la fréquence de
fonctionnement fj croit comme ÖJj, d'où la nécessité
d'avoir des jonctions à fort Jj pour réaliser des
composant rapides. Pour des circuits asynchrones de
complexité moyenne, les fréquences de fonctionnement
sont comprises entre wJ/15 et wJ/10 (expression
empirique), mais peuvent être limitée entre wJ/60 et
wJ/25 pour des circuits très complexes (processeur, par
exemple) [5]. Les fourchettes de fréquences données
dans le tableau I et représenté figure 1 ne dépendent que
de la conception/implantation des composants RSFQ et
ne représentent nullement les limites physiques
théoriques.
La puissance consommée dans une porte logique
RSFQ est inférieure au µW. Elle est essentiellement due
au courant de polarisation de quelques centaines de µA
qui traverse les résistances environnentes (résistance de
polarisation, résistance de shunt). Dans les composants
actuels, la contribution due à l'énergie dissipée dans la
jonction Josephson reste négligeable (cf. ci-dessus, de
l'ordre de 2×10-19 J). Notons que la puissance ne peut
pas être minimisée en diminuant le courant de
polarisation, car le produit F0×IJ doit être toujours très
supérieur au produit kT sinon la contribution en terme
de bruit, dû aux fluctuations thermiques, n'est pas
négligeable ce qui entraîne un taux d'erreur bit
rédhibitoire pour la plus part des applications.
La densité d'intégration de jonction Josephson (en
Nb) réalisée à ce jours est de 60×103 JJ/cm2 [6], elle
n'est pas limité par les dimensions ultimes des jonctions,
mais surtout par la résistance de shunt qui vient
considérablement augmenter la surface de la cellule
élémentaire. En effet cette résistance nécessite une
surface comprise entre 50 et 200×D2, où D est la
dimension de la jonction [7]. Des travaux récents sur Nb
ont décrit la possibilité de réaliser des jonctions de
moins de 300 nm qui ne nécessite plus de résistance de
shunt (bc intrinséque ~ 1) [8]. De plus, l'utilisation de
processus planaire multicouches (8 couches de Nb au
lieu de 3 actuellement) permettrait de limiter la surface
d'une porte RSFQ à 25×D2, densité d'intégration
comparable à celle des composants semiconducteurs.
Avec une technologie à 0,3 µm, une densité théorique
de 40×106 JJ/cm2 pourrait êre atteinte, mais en pratique
ne pourrait pas dépasser 15×106 JJ/cm2 si on tient
compte des aspects thermiques.
4 - Conclusion
La technologie la plus mature actuellement est à base
de jonction tricouche en Nb. Ce matériau nécessite
cependant une température de fonctionnement de 4 à
5 K et est limité intrinsèquement à un temps de réponse
de 0,7 ps. Notons qu'à ce jour le circuit le plus rapide
(fréquence de l’ordre de 800 GHz) est une bascule FlipFlop réalisé en technologie niobium de 0,25 µm [9]. Par
ailleurs, le plus grand nombre de jonctions mis en
oeuvre, 90×103 JJ en technologie 1,75 µm, l'a été pour
la réalisation d'un microprocesseur devant fonctionner à
20 GHz [6]. Une alternative serait d'utiliser une
technologie NbN présentant l'avantage de fonctionner à
une température de l'ordre de 10 K et d'être
intrinsèquement 50 % plus rapide. Mais actuellement
elle ne permet pas de réaliser des applications avec plus
de 2×103 JJ. Enfin, la technologie YBaCuO, qui est loin
d'être maîtrisée, mais qui présente l'avantage de pouvoir
réaliser des jonctions non hystérétiques avec des temps
de réponse de 0,1 ps et de ne nécessiter qu'un
refroidissement vers 40-50 K. Cette température élevée
de fonctionnement engendre cependant un bruit
thermique excédentaire qui doit être obligatoirement
compensé par un courant de polarisation dix fois plus
élevé (car TYBCO = 10×TNb) qui a pour conséquence de
mettre en oeuvre des inductances dix fois plus petite, à
la limite des possibilités technologiques actuelle.
JJ
D
µA/µm2
µm
10
20
40
100
200
500
1000
3,54
2,50
1,77
1,12
0,79
0,50
0,35
CA
Fréquence de fonctionnement
en GHz pour un circuit :
FF/µm2 unitaire
50
54
58
64
70
80
90
124
169
230
346
468
693
927
standard
complexe
52 – 78
71 – 106
97 – 145
145 – 217
196 – 294
290 – 435
388 – 582
13 – 31
18 – 42
24 – 58
36 – 87
49 – 118
73 – 174
97 – 330
Tableau I : Caractéristiques et performances fréquentielles des
jonctions Josephson en fonction de leurs dimensions [5].
Type du
composant
Nombre de
jonctions ×103
Applications
Processeur, DSP
100 – 300
Matrice de
commutation
Corrélateur
Convertisseur
A/D, D/A
Échantillonneur
10 – 300
Ordinateurs petaflops, SDR
Télécommunications
10 – 300
1 – 10
0,1 – 1
Astronomie, radar
Radar, SDR,
métrologie
Tableau II : Estimation des besoins en jonctions Josephson en
fonction des principaux composants numériques.
De nombreuses fonctions électroniques ont déjà été
réalisées : des boucles à verrouillage de phase, des
convertisseurs N/A et A/N, des mémoires, des
autocorrélateurs, des filtres, des processeur. Les besoins
en nombre de jonctions, pour une application donné sont
évalués dans le tableau II [10], mais de nombreux
progrès technologiques (et d'investissement financier!)
doivent encore être fait pour que l'électronique RSFQ
touche la production de masse.
Références
[1] K. Likharev, Superconductors speed up computation,
Physics World, 10 (5), 39-43 (1997)
[2] D. Brock, E. Track, J. Rowell, Superconductor Ics: the
100 GHz second generation, IEEE Spectrum, 40-46
(Dec 2000)
[3] voir http://public.itrs.net/
[4] K. Likharev, K. Semenov, RSFQ logic/memory family: a
new josephson-junction technology for sub-terahertz clock
frequency digital systems, IEEE Trans. Appl. Supercond 1(1),
3-28 (1991)
[5] A. Kleinsasser, High performance Nb Josephson devices
for Petaflops computing, IEEE Trans. Appl. Supercond 11(1),
1043-1049 (2001)
[6] M. Dorojevets, P. Bunyk, D. Zinoviev, FLUX chip:
Design of a 20 GHz 16 bit ultrapipelined RSFQ processor
prototype based on 1.75 µm LTS technology, IEEE Trans.
Appl. Supercond 11(1), 326-332 (2001)
[7] Y. Naveh, D. Averin, K. Likharev, Physics of high Jc
Nb/AlO/Nb Josephson junctions and prospects of their
applications, IEEE Trans. Appl. Supercond 11(1), 1056-1060
(2001)
[8] A. Kadim, C. Mancini, M. Feldman, D. Brock, Can RSFQ
logic circuits be scaled to deep submicron junctions?, IEEE
Trans. Appl. Supercond 11(1), 1050-1055 (2001)
[9] W. Chen, A. Rylyakov, V. Patel, J. Lukens, K. Likharev,
Rapid single flux quantum T-Flip Flop Operating up to 770
GHz, IEEE Trans. Appl. Supercond 9, 3212-3215 (1999)
[10] S. Tahara, S. Yorozu, Y. Kameda, Y. Hashimoto, H.
Numata, T. Satoh, W. Hattori, M. Hidaka, Superconducting
digital electronics, IEEE Trans. Appl. Supercond 11(1), 463468 (2001)