Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont démontré expérimentalement un nouveau système cryogénique, ou basse température, conception de circuits de cellules mémoire basée sur des réseaux couplés de jonctions Josephson, une technologie qui peut être plus rapide et plus économe en énergie que les dispositifs de mémoire existants. Si la mise à l'échelle est réussie, ce type de matrice de mémoire cryogénique pourrait faire progresser une variété d'applications, notamment l'informatique quantique et exascale.

« Dans notre conception, nous avons tenté une voie fondamentalement différente qui emploie de petits, des réseaux à couplage inductif de jonctions Josephson, " a déclaré Yehuda Braiman de la division des sciences informatiques et de l'ingénierie de l'ORNL. " Si mis à l'échelle, de telles matrices de cellules mémoire pourraient être des ordres de grandeur plus rapides que les mémoires existantes tout en consommant très peu d'énergie."

Les cellules sont conçues pour fonctionner à des températures extrêmement froides et ont été testées à seulement 4 Kelvin au-dessus du zéro absolu, environ moins 452 degrés Fahrenheit. Dans des conditions aussi froides, les atomes ralentissent et certains matériaux perdent leur résistance au passage de l'électricité, devenir supraconducteurs. Parce que les supraconducteurs n'ont aucune résistance au flux électrique, ils perdent une quantité d'énergie presque négligeable sous forme de chaleur.

Alors que la promesse de construire plus vite, des ordinateurs plus économes en énergie basés sur ces principes de technologie cryogénique ont attiré les chercheurs depuis des décennies, construire des "mémoires cryogéniques fiables, " les parties d'ordinateurs qui stockent des informations pour les fonctions informatiques de base, est longtemps resté un obstacle.

Une conception différente

La conception développée par ORNL s'écarte des technologies de mémoire cryogénique existantes car ses cellules de mémoire, les parties localisées du circuit qui contiennent un chiffre binaire d'un zéro ou un, connu comme un "bit" d'information, fonctionnent à l'aide de trois jonctions Josephson à couplage inductif.

Les jonctions Josephson sont des dispositifs électriques cryogéniques bien établis qui peuvent exploiter le flux magnétique pour stocker des données. La conception ORNL, qui emploie un petit nombre de ces jonctions, pourrait offrir des avantages par rapport à certaines des cellules mémoires à basse température récemment étudiées. Beaucoup de ces technologies s'appuient sur un type de logique numérique appelée quantique à flux unique, ou SFQ. D'autres sont basés sur des jonctions Josephson magnétiques, qui posent encore quelques défis de fabrication pour les applications de mémoire cryogénique.

"Les gens recherchent quelque chose de différent, " a déclaré Braiman. " Nous utilisons des jonctions typiques, qui ne nécessitent aucune conception de fabrication particulière. C'est un principe intrinsèquement différent lui-même qui fait fonctionner la cellule."

Unique, leur conception ternaire permet toutes les opérations de base de la mémoire - lecture, écriture et réinitialisation - à implémenter sur la même cellule à trois jonctions Josephson. Cette capacité peut aider à ajouter de la stabilité tout en économisant de l'espace et de l'énergie à mesure que les circuits cellulaires sont mis à l'échelle dans des matrices plus grandes, une étape qui a causé des problèmes pour les technologies existantes.

"Le mécanisme sur lequel reposent tous ces types [existants] de circuits cryogéniques est fondamentalement instable, " dit Niketh Nair, un chercheur postdoctoral à l'ORNL qui a travaillé sur la conception. « Quand vous mettez ces circuits à l'échelle, l'instabilité qui existe dans ces systèmes peut atteindre un point critique."

Confirmation de conception

Pour confirmer la viabilité de leur nouveau design, l'équipe de l'ORNL a testé conjointement les circuits cellulaires avec SeeQC, une entreprise de technologie supraconductrice. Les scientifiques de SeeQC ont fabriqué la conception ORNL sur des puces de 5 millimètres sur 5 millimètres - environ le diamètre d'une gomme à crayon standard - avec des circuits à chaque coin.

Les puces étaient montées sur une longue perche, appelée sonde cryogénique, relié par des fils à un ordinateur de bureau à température ambiante. Les scientifiques ont plongé les puces dans un conteneur spécialisé rempli d'hélium liquide pour refroidir le circuit à une température de 4 Kelvin. Selon les procédures de test dirigées par l'ORNL, ils ont ensuite envoyé des impulsions électriques à partir de l'ordinateur de température ambiante pour tester la fonction mémoire des cellules.

Les tests de quatre conceptions de circuits de cellules avec des spécifications légèrement différentes ont démontré non seulement que les cellules fonctionnent, mais aussi qu'ils fonctionnent de manière robuste et fonctionnent dans une gamme de paramètres expérimentaux plus large que ce que l'équipe avait initialement envisagé.

Cette confirmation intervient trois ans après l'équipe ORNL, qui comprend Braiman, Nair et Neena Imam, à l'origine analysé et simulé la logique de la conception des cellules mémoire cryogéniques dans des articles publiés dans Science et technologie des supraconducteurs et Examen physique E .

Bien que les chercheurs aient été ravis de confirmer leurs prédictions, ils sont prudents en affirmant que leurs premiers résultats conduiront à une percée. "Ce qui a été démontré est au niveau d'une seule cellule, " a déclaré Braiman. " Ce qui importe aux gens, ce sont de très grands réseaux de cellules mémoire. "

Comme prochaine étape, l'équipe ORNL travaillera à la mise en œuvre de leurs cellules dans des matrices de plus en plus grandes et des conceptions de test à l'aide d'équipements de test cryogénique que le laboratoire a récemment achetés. La nouvelle configuration du laboratoire permettra de futures recherches sur site de technologies cryogéniques.