在电子学领域中,快速单通量量子(rapid single flux quantum,缩写RSFQ;也称快单磁通量子)是一种使用超导设备的数字产品,也称约瑟夫森结, 用来处理数位讯号。在RSFQ逻辑中,信息以磁通量量子的形式存储,并以单通量量子(Single Flux Quantum,缩写SFQ)电压脉冲的形式传递。
基本介绍
- 中文名:快速单通量量子
- 外文名:rapid single flux quantum
- 简称:RSFQ
- 别称:快单磁通量子
简介
快速单通量量子(RSFQ)是一种使用超导设备的数字产品,也称约瑟夫森结,用来处理数位讯号。在RSFQ逻辑中,信息以磁通量量子的形式存储,并以单通量量子(Single Flux Quantum,SFQ)电压脉冲的形式传递。RSFQ是超导或SFQ逻辑的一个家族,其他家族包括Reciprocal Quantum Logic (RQL)、ERSFQ——不使用偏置电阻等组件的节能RSFQ版本。约瑟夫效应是RSFQ电子的有源组件,就像电晶体是半导体电子中的有源组件一样。RSFQ是一种经典数学而非量子计算机技术。
RSFQ与一般计算机使用的CMOS电晶体技术有很大差异:
(1)超导设备需要低温;
(2)约瑟夫森结产生的皮秒级SFQ电压脉冲被用于编码、处理和传输数字信息,这代替半导体电子器件中电晶体产生的电压电平;
(3)SFQ电压脉冲在超导传输线上的进程非常小,并且如果脉冲的频谱分量不超过超导体能隙的频率,通常可以忽略不计;
(4)在1ps的SFQ脉冲情况下,电路计时可能达到100 GHz频率(每10皮秒一次脉冲)。
优点
(1)可以与CMOS电路、微波和红外线技术互操作;
(2)极快工作频率:从几十千兆赫到高达数百千兆赫;
(3)低功耗:比CMOS电路低大约10万倍(不考虑冷却);
(4)现有晶片製造技术可适用于製造RSFQ电路;
(5)良好的製造变化耐受性;
(6)RSFQ电路本质上是自我计时,这使异步设计更实用。
缺点
(1)需要低温冷却。传统上这已通过低温液体实现,诸如液氮和液氦。最近来说,如脉管制冷机等封闭式循环制冷机已纳入考虑,它们能避免使用昂贵且需要定期再填充的低温液体。低温冷却还有一个优点是降低了工作环境的热噪声;
(2)通过使用高温超导体,冷却的要求可得到放宽。但迄今为止,使用高温超导体仅实现了非常低複杂度的RFSQ电路。据信基于SFQ的数位技术在温度高于20 K - 25 K时变得不切实际,参数
因温度T的增加导致的减小会导致误码率(热诱髮结切换)呈指数增长 ,其中
是约瑟夫森能量;


(3)静态功耗通常比执行逻辑操作所需的动态功耗大10-100倍,这是其一个缺点。不过,在ERSFQ版本的RSFQ中,通过使用超导电感器和约瑟夫森结而非偏置电阻(静态功耗来源)则完全消除了静态功耗;
(4)由于RSFQ是一种颠覆性技术,专门的教育程度和商业软体仍有待开发。
套用
(1)光通信或其他高速网路交换设备
(2)数位讯号处理,达到X波段及以上的信号;
(3)超高速路由器;
(4)软体无线电(SDR);
(5)高速类比数字转换器;
(6)高性能低温计算机;
(7)超导量子比特和量子电路的控制电路。