ИТМиВТ - Институт точной механики и вычислительной техники С. А. Лебедева РАН
Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН - научно-исследовательский институт в области информационных технологий, вычислительной техники и микроэлектроники
English
Главная страница Контактная информация Карта сайта и поиск
Об институте Решения Проекты Образование

Криоэлектроника в ИТМиВТ

Р.А. Ченцов, к.ф. — м.н.

С.А.Лебедеву было остро присуще стремление к новому, и это проявлялось, в частности, в том, что в Институте активно исследовались возможности, открываемые применением в элементах ЭВМ новых физических принципов. Не все выдержало испытание временем, но изучением криоэлектронных (сверхпроводниковых) элементов в мире упорно занимаются более 30 лет.

В 1956 г. П.П.Головистиков и В.Я.Контарев привлекли внимание С.А.Лебедева к новому логическому элементу (криотрону) и по его поручению посетили академика П.Л.Капицу. Петр Леонидович заявил, что не верит в перспективы криотрона, и отказался от совместных работ. Но ведущий сотрудник ИФП А.И.Шальников, зав.кафедрой физики низких температур МГУ, разрешил начать практическую работу у него. Вскоре В.Я.Контаревым (и одновременно Я.С.Каном в ХФШ АН УССР) были испытаны первые в СССР проволочные криотроны. Затем был изобретен пленочный криотрон, более миниатюрный, технологичный и быстрый, пленочные элементы памяти. Все новые фирмы уже подключались к разработкам. По инициативе С.А.Лебедева вопрос о применении сверхпроводимости в ЭВМ был обсужден на Президиуме АН СССР, который рекомендовал развернуть эти работы в ИТМ и ВТ. В лаборатории 4 была создана специальная группа: 3.А.Московская, один из разработчиков БЭСМ А.Н.Зимарев и другие опытные инженеры и техники. Нужны были физики-криогенщики. По рекомендации П.Л.Капицы, С.А.Лебедев пригласил меня на собеседование и предложил перейти на работу в ИТМ и ВТ. Сергей Алексеевич произвел на меня сильное впечатление своими глубокими вопросами, дружелюбной манерой обращения. В январе 1959 г. мой перевод состоялся. На меня возложили обязанности руководителя группы, ответственного исполнителя по криоэлектронным темам. Руководителем тем был П.П.Головистиков. В группу были приняты молодые специалисты из МГУ А.Е.Дубровская, А.С.Расторгуев, Р.И.Дружинина и из МФТИ В.А.Громаковский, В.П.Тюпин, В.П.Андрацкий и др. Сложился квалифицированный, увлеченный коллектив. Нам предоставили помещения в филиале ИТМ и ВТ на Сыромятниках. Началось их переоборудование. Одновременно мы начали экспериментальные работы в МГУ. А.И.Шальников предоставил в наше распоряжение вакуумную напылительную установку, сверхпроводящие материалы, жидкий гелий. Были разработаны тонкопленочные элементы памяти Кроу из свинца, напыленного на подложку из слюды. Установлена нормальная работа элементов и малых матриц (выборка, запись, хранение, считывание — на постоянном токе и в импульсном режиме). Доклад А.Е.Дубровской, А.Н.Зимарева и Р.А.Ченцова об этих работах на Всесоюзном совещании по микроэлектронике (1961 г.) вызвал большой интерес. Это были первые в СССР сверхпроводниковые элементы ЭВМ в микроэлектронном исполнении. Труды ИТМ и ВТ с результатами теоретических исследований элементов Кроу были сразу же переизданы фирмой Буль на французском языке. В 1961 г. опубликовано исследование цилиндрических сверхпроводящих пленок как возможных элементов памяти (В.Я.Контарев).

Закончилось создание собственной опытной базы (отмечу большой вклад инженера А.В.Герасимовой, механика Н.Ф.Трубачева). Она включала систему сбора, очистки и закачки гелия, измерительный и технологический участки. Удаленность компрессора, насосов обеспечивала уменьшение наводок, вибраций, создавала комфортные условия работы. Была создана гермозона с приточно-вытяжной вентиляцией, тамбурами, боксами для перезарядки испарителей и т.п. Технологию начинали с нуля. Подходящие напылительные установки не выпускались, поэтому мы сами совместно с нашими конструкторами разработали уникальную установку с высоким вакуумом, вымораживанием вредных паров жидким азотом, стабилизацией температуры подложки от -190 до + 100°С, защитой от пылинок, нанесением многослойных конструкций в одном цикле. Наладили «производство» изоляционного материала моноокиси кремния. К разработке отдельных проблем привлекли ученых из Ленинграда, Горького и других городов, сами дали консультации десяткам предприятий.

Нами была разработана лабораторная технология изготовления многослойных микросхем, содержащих более 100 криотронов методами напыления через трафареты, фотолитографии, гибридным методом. Нашей конечной целью было создание криотронного ассоциативного ЗУ. Исследования показали, что применение АЗУ дает многократное повышение быстродействия ЭВМ при решении ряда задач. Криотронов для реализации ассоциативных запоминающих элементов (АЗЭ) требовалось в несколько раз меньше, чем транзисторов. Нами был предложен ряд оригинальных АЗЭ, выбран оптимальный вариант. Теоретически исследовалась схемотехника микросхем АЗУ, их быстродействие, надежность, выход годных И С с учетом резервирования АЗЭ, создана программа трассировки И С с обходом дефектных элементов, выдававшая на БЭСМ готовую перфоленту для фотонаборной машины. Были изготовлены и с помощью разработанной тест-аппаратуры исследованы АЗЭ, матрицы АЗЭ и полнофункциональные ИС АЗУ. Показана работоспособность схем АЗУ (ассоциативная и адресная выборки, запись-считывание и т.д.) и их пригодность для построения АЗУ. Оценены ожидаемые параметры реального большого криотронного АЗУ.

В начале семидесятых годов работы были свернуты. Это было вызвано необходимостью концентрации всех ресурсов нашего НИИ на важнейших практических задачах. Учитывалось, что криотроны как базовые элементы ЭВМ явно проигрывали по сравнению с полупроводниками. Наконец, стало ясно, что функции АЗУ можно реализовать — и это получится раньше — на обычных ЭВМ за счет программного обеспечения (Л.Н.Королев). Однако характерно, что, принимая решение о свертывании работ по криоэлектронике, С.А.Лебедев счел необходимым дать этому направлению «теплиться» (выражение Сергея Алексеевича). Теперь наша задача ставилась по-другому: продолжать исследования, по возможности, вносить в науку свою лепту, главное же — быть в курсе новых идей и практических достижений, быть всегда готовыми дать им квалифицированную оценку. Решение С.А.Лебедева было предусмотрительным. Поднималась новая волна интереса к криоэлектронным элементам ЭВМ, но теперь уже на основе эффекта Джозефсона (ЭД), наблюдающегося в так называемых туннельных переходах Джозефсона (ТПД). Электроды ТПД изготовлены из сверхпроводников, а туннельный барьер крайне тонок (порядка одного нанометра). Приборы на ЭД практически применяются в магнитометрах, медицинских томографах, эталонах напряжения и др., но не в ЭВМ, хотя джозефсоновские логические и запоминающие элементы значительно превосходят полупроводниковые по быстродействию и малому тепловыделению. Время переключения вентиля ИЛИ составило 3.3 пс, перемножения 4-разрядных чисел 210 пс, частота работы счетчика по модулю 8 около 12 ГГц. Разработками джозефсоновских элементов занимаются во многих странах. До 80-г годов лидировали США (фирма IBM), сейчас лидерство захватили японцы, которым принадлежат приведенные рекордные цифры по быстродействию, а также большие достижения в технологии. Однако у джозефсоновских элементов есть ахиллесова пята — малые допуски на критические токи ТПД, не достигнутые пока технологией.

В Лаборатории 17 (позже — отделение 4) с 1975 г. разработана лабораторная технология изготовления ниобиево-свинцовых ТПД малой площади (порядка кв.микрона) с высокой критической плотностью тока, разработана технология изготовления и методика исследования джозефсоновских сверхпроводящих квантовых запоминающих элементов (СКЗЭ). Впервые в стране работа СКЗЭ экспериментально исследована в режимах с разрушающим и с неразрушающим считыванием информации. На ЭВМ моделировалась работа СКЗЭ и сдвигового регистра, определены особенности их динамики, рабочие области. Наблюдалось распространение сигналов с фронтом 0,15 не по сверхпроводящим полосковым линиям. Запатентован ряд схем строб-преобразователей для изучения пикосекундных переходных процессов. В этих работах участвовали В.П.Андрацкий, Л.А.Маслова, В.С.Бобров, А.Ф.Панкратова, Р.А.Ченцов (в некоторых также А.А.Новиков, Ф.П.Галецкий). Научные результаты ИТМ и ВТ в области криоэлектронных элементов ЭВМ отражены в сотне публикаций (включая около 30 авторских свидетельств на изобретения), доложены на десятках конференций по физике низких температур, магнитным элементам, криоэлектронике. Защищено несколько диссертаций (А.Н.Зимарев, В.А.Громаковский и др.).

В конце 1986 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость (ВТС). Некоторые из новых сверхпроводниковых материалов переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше температуры жидкого азота. Это многократно упрощает проблемы охлаждения криоэлектронной ЭВМ. Если по своим свойствам ВТС-материалы не будут уступать обычным сверхпроводникам, можно «с ходу» назвать ряд возможных применений ВТС в ЭВМ: джозефсоновская интегральная элементная база; полупроводниковые И С с ВТС-разводкой; ИС гибридного типа; ВТС-связи между полупроводниковыми микросхемами (микросборки); МОП о ВТС-линиями и экранами; связи между узлами и устройствами ЭВМ; разводка питания; экранировка от ЭМИ; линии связи между ЭВМ в многомашинных комплексах; дальние линии связи. Однако на сегодня не ясна даже природа ВТ С, не устраивает качество ВТС-материалов, не отработана технология изготовления ТПД, микросхем, кабелей и т.д. Поэтому на данном этапе кажется целесообразным исследовать возможность применения ВТС в микросборках и в МГШ перспективных полупроводниковых супер-ЭВМ, охлаждаемых жидким азотом. Введение сверхпроводящих связей должно существенно повысить производительность машины, так как ёмкостные задержки играют большую роль, а сверхпроводящие линии будут иметь меньшие размеры и меньшую емкость. При этом не требуется иметь сопротивление связей, равное нулю.

 

© 1948—2016 «ИТМиВТ»
Версия для печати Контактная информация