Здравствуйте! С тех пор как в середине 60-х годов был создан электронный прибор, воплотивший в себе сверхпроводящие эффекты, впервые сформулированные Б. Джозефсоном из Кембриджского университета, ученые мечтают о создании компьютера на сверхпроводниках. Джозефсоновский переход представляет собой два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика.

Переключение напряжения на джозефсоновском переходе происходит значительно быстрее и оно требует во много раз меньшей энергии, чем в обычных устройствах. Вследствие низкого расхода энергии естественно ожидать, что на основе таких приборов можно построить очень компактные компьютеры, так как в этом случае система охлаждения будет занимать совсем небольшой объем внутри компьютера. Компактность в свою очередь позволит увеличить быстродействие вычислительных машин, потому что скорость передачи сигналов между различными элементами лимитируется скоростью света.
На поиски конструктивных решений проблемы создания компьютера на сверхпроводниках фирма IBM потратила почти два десятилетия, разрабатывая логические схемы на джозефсоновских переходах, ячейки памяти, кристаллы ввода-вывода и межсоединения. Усилия оказались напрасными, поскольку не удалось создать быстродействующую малогабаритную оперативную память (память, связанную с центральным процессором).

Кто изобрел компьютер?

Одна из причин состоит в том, что ячейки памяти не могут располагаться слишком плотно, т. е. близко друг к другу, поскольку магнитный поток одной ячейки влияет на соседние. В то же время достижения в развитии полупроводниковой памяти снизили значимость проблемы создания памяти на переходах Джозефсона. В 1983 г. фирма IBM прекратила работу над проектом.

Японские же компании продолжают работать над созданием подобных компьютеров. Они улучшили свойства переходов Джозефсона на основе ниобия и сейчас разрабатывают элементы с применением нитрида ниобия, который имеет более высокую критическую температуру и поможет создать быстродействующие схемы.

Правда, для получения памяти на кристаллах с джозефсоновским переходом, содержащих более 1000 ячеек, создать надежную технологию им так и не удалось. Производство элементов памяти на основе высокотемпературных сверхпроводников будет еще более сложным, потому что новые материалы труднее поддаются обработке, чем нитрид ниобия.

Вполне вероятно, что создание компьютера с использованием только высокотемпературных сверхпроводников нереально. Не исключено, однако, что будут созданы гибридные системы на основе комбинации джозефсоновских логических схем и полупроводниковой памяти, работающих при температуре 77 К. Действительно, схемы на основе арсенида галлия и МОП-структур (метал-оксид-полупроводник) лучше работают при температуре жидкого азота. Подобные гибридные системы соединят в себе лучшие свойства сверхпроводников и полупроводников. Для реализации этой идеи специалистам предстоит разработать технологию получения джозефсоновских переходов из новых сверхпроводников и создать быстродействующие промежуточные элементы связи между сверхпроводниками и полупроводниками.

Компьютеры: их история восходит к 19 веку?

Если технологические проблемы будут преодолены, то время переключения схем на переходах Джозефсона составит не более 10^-13 с для сверхпроводников с температурой перехода 10 К и 10^-14 с для материала с температурой перехода 100 К. Ни одна из известных технологий, по-видимому, не сможет обеспечить столь высокое быстродействие. Устройства на высокотемпературных сверхпроводниках могли бы быть включены в суперкомпьютеры с параллельной обработкой информации и быстродействием в 1000 раз больше, чем у компьютеров, проектируемых в настоящее время. Однако потребуются многолетние исследования, прежде чем будет создан такой компьютер.

В ближайшем же будущем сверхпроводники смогут найти применение в цепях соединения различных полупроводниковых устройств. Высокочастотные сигналы, распространяющиеся по сверхпроводящему проводу, испытывают небольшое ослабление (потери энергии) и не искажаются (отсутствие дисперсии). Поэтому такие соединения скорее всего будут использоваться для связи различных узлов больших компьютеров на расстояниях до нескольких метров. На больших расстояниях лучшей пока остается оптоволоконная связь. Создавать сверхпроводящие межсоединения на малых расстояниях в полупроводниковых микросхемах вряд ли целесообразно, так как время задержки определяется в основном импедансом и емкостью самого устройства, а не сопротивлением соединения.