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07.04.1978

Josephson: Technologie der Superlative

MÜNCHEN (de) - Eine Speicherdichte von 62 KB pro Quadratzentimeter, sieben Nanosekunden Zugriffszeit, Umschaltzeiten von 50 bis 100 Billionstel Sekunden, Temperaturen um den absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius: Superlative der Josephson-Technologie, die eine Revolution im Rechnerbau einleiten könnte. Der folgende Bericht wurde aus der Computerworld vom 6. März 1978 übernommen ("Josephson-Superconductor Has Promise", Übersetzer Hans Joachim Hoelzgen, Böblingen). Die Grafiken sind dem Vortrag "Die Anwendung des Josephson-Effekts bei der digitalen Speicherung" von P. Wolf, IBM-Forschungslaboratorium Zürich, entnommen (Tagungsband "Digitale Speicher").

Diskutieren Computerfachleute über neue Technologien und ihre Zukunftsaussichten, dann dürften mit Sicherheit auch die Josephson-Schaltungen der IBM ein Gesprächsthema sein.

Die supraleitenden Josephson-Kontakte sind noch im Versuchsstadium. Sie arbeiten nach Prinzipien, die von den in allen heutigen Rechnern verwendeten Silizium-Transistorschaltungen grundverschieden sind. Die aus Josephson-Kontakten bestehenden experimentellen Verknüpfungsschaltungen haben Umschaltzeiten von 50 bis 100 Picosekunden (1 Picosekunde = 1 Billionstel Sekunde), und die Speicherzellen haben nach IBM-Angaben eine Zugriffszeit von 7 Nanosekunden (1 Nanosekunde = 1 Milliardstel Sekunde). Noch wichtiger als diese extrem kurzen Schaltzeiten ist aber die minimale Wärmeentwicklung, die nur Mikrowatts beträgt. Die Schaltungselemente können daher sehr dicht gepackt werden, was sehr wesentlich ist, da bei so kurzen Schaltzeiten die Zeit, die ein elektrischer Impuls von einer Schaltung zur nächsten braucht, die Geschwindigkeit des Rechners entscheidend begrenzt. So legt ein elektrisches Signal beispielsweise in 100 Picosekunden eine Strecke von etwa 13 Millimetern zurück.

Auf der kürzlich abgehaltenen "International Solid State Circuits Conference" in San Francisco wurde über die neuesten Ergebnisse einer langfristigen Erforschung der Josephson-Technologie durch die IBM Research Division berichtet. Die Arbeiten wurden in den IBM Forschungslaboratorien in Yorktown/USA und Zürich durchgeführt.

Die Josephson-Schaltungen verlangen zwar eine Kühlung auf Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts, der bei minus 273 Grad Celsius liegt, doch sind sie wegen ihrer außerordentlich kurzen Schaltzeiten von etwa 10 Picosekunden bei Einzelelementen und ihrer minimalen Leistungsaufnahme für den Bau schnellster Rechner außerordentlich interessant.

Das Produkt aus Leistungsaufnahme und Signalverzögerungszeit ist ein allgemein verwendeter Gütefaktor für Verknüpfungsschaltungen. Die Josephson-Schaltungen haben mit etwa 100 Attojoule (1 Attojoule = 1 Trillionstel Joule) einen Gütefaktor, der nach IBM-Angaben um mindestens tausendmal besser ist als der von Transistorschaltungen.

Die im Yorktown-Laboratorium der IBM hergestellten Verknüpfungsschaltungen umfassen UND-, ODER- und Inverter-Funktionen sowie Latch-Funktionen. Die Schaltungen werden als sogenannte Josephson-Interferometer hergestellt, die aus jeweils drei Josephson-Kontakten bestehen. Sie sind über einen gemeinsamen Leiter und eine induktive Brücke miteinander verbunden. Das gestattet eine Kapazitätsreduzierung im Vergleich mit einem größeren Einzelkontakt und verkürzt die Umschaltzeit.

Die gemessenen Verzögerungszeiten der einzelnen Stufen entsprechen ziemlich genau den berechneten Werten und betragen 40 Picosekunden bei der ODER-Schaltung, die aus einem Interferometer mit zwei Steuerleitungen besteht, und durchschnittlich 70 Picosekunden beim UND-Gatter.

Die Arbeitsgeschwindigkeit des aus zwei Interferometern bestehenden UND-Gatters hängt von der Reihenfolge der Eingangssignale ab. Im einen Fall schaltet das Gatter in 40 Picosekunden um, im anderen in etwas weniger als 100 Picosekunden.

Die Angaben gelten für eine Ausfächerung von 1. Weitere Ausfächerungen führen eine Verzögerung von je 14 Picosekunden ein. Da es supraleitende Schaltungen sind, ist das Ausfächerungsverhältnis nach Angabe der IBM für alle Fälle der Praxis unbegrenzt.

Die schmalsten Leitungen in den Schaltungen sind 2,5 Mikrometer breit. Die eigentlichen Josephson-Kontakte sind rund und haben einen Durchmesser von 5 Mikrometer. Die Elektroden der Josephson-Kontakte werden aus einer Blei-Indium-Goldlegierung hergestellt. Eine 3 bis 5 Nanometer dicke Isolierschicht aus Oxid bildet die Josephson-Tunnelregion.

Josephson-Speicherschaltungen

Das von Wissenschaftlern des Züricher IBM-Labors beschriebene experimentelle Speichermodell ist mit 4500 Josephson-Kontakten das komplizierteste Josephson-Chip, das je hergestellt wurde. Die Anordnung wurde zur Untersuchung der Brauchbarkeit dieser Elemente für einen 16K-Josephson-Hauptspeicherchip hergestellt.

Die Speicherzellen des Chips werden "Einzelflußquanten-Zellen" genannt, da die Datenbits durch einzelne magnetische Flußquanten dargestellt werden, was ein Höchstmaß an Wirtschaftlichkeit des Magnetspeichers in Aussicht stellt. Jede Speicherzelle besteht aus zwei Josephson-Kontakten, die durch eine induktive Brücke verbunden sind. Es handelt sich also um ein Interferometer, das im Prinzip dem Dreikontakt-Interferometer der Verknüpfungsschaltungen ähnlich ist.

In einer solchen Struktur kann demnach ein ständiger Strom fließen, dessen Stärke durch die Quantisierung des Magnetflusses bestimmt wird.

Da die Speicherzellen supraleitend sind, ist die Speicherung nichtflüchtig und im Ruhezustand wird keine Leistung verbraucht. Die berechnete Verlustleistung eines vollbesetzten 16K Chips betragt nach IBM-Angaben bei größtmöglicher Speicherwiederholungsrate nur 40 Mikrowatt.

Zur Veranschaulichung dieser äußerst niedrigen Verlustleistung von Josephson-Schaltungen sei erwähnt, daß ein Speicher mit einer Kapazität von 2 Megabyte höchstens 40 Milliwatt abstrahlen würde.

Die kleinste Leiterbreite auf dem Speicherchip ist etwa 2,5 Mikrometer, so daß die Speicherdichte bei einer Zellenfläche von 1500 Quadratmikrometern 62 Kilobit pro Quadratzentimeter betragen würde. Eine Verdoppelung der Speicherdichte bei derselben Leiterbreite scheint nach Ansicht der Züricher Wissenschaftler möglich zu sein:

Da der Einzelflußquantenspeicher als Hauptspeicher eines zukünftigen Josephson-Rechners vorgesehen ist, der zusätzlich mit einem schnellen Cachespeicher ausgerüstet ist, wurde seine Leistung mehr auf eine niedrige Verlustleistung als auf höchste Geschwindigkeit optimiert. Trotzdem ist: die gemessene Zugriffszeit nur 7 Nanosekunden. Nach einer vorsichtigen Projektion könnte das ganze 16K-Chip nach Angabe von IBM eine Zugriffszeit von 15 Nanosekunden und eine Lese/Schreib-Zykluszeit von 30 Nanosekunden haben.

Bei der Erforschung einer neuen Technologie ist die Wiederholbarkeit der Schaltungscharakteristik von einem Fertigungslos zum anderen ein wichtiger Faktor. Wie die Züricher Forschungsgruppe fand, beträgt der Streubereich des stärksten Josephsonstroms innerhalb mehrerer Chips etwa 10 Prozent, was ungefähr dem Wert entspricht, der für einen Speicher in voller Größe verlangt werden müßte.

Die Josephson-Elemente beruhen auf einem Effekt in Supraleitern, der ursprünglich von dem britischen Physiker Brian Josephson vorausgesagt und kurz danach experimentell bestätigt wurde. Der Voraussage nach kann ein supraleitender Strom durch eine äußerst dünne Barriere zwischen Supraleitern hindurchfließen. Ist der Isolator dünn genug, wirkt er selbst als Supraleiter, da an ihm kein Spannungsabfall auftritt.

Ein zweiter, noch früher durch Ivar Giaever von der General Electric erforschter Effekt ist das normale elektronische Tunneln durch den Isolator hindurch, der Supraleiter trennt. Hier tritt am Isolator ein Spannungsabfall entsprechend der Energielücke zwischen den supraleitenden und den normalen Elektronen auf, analog der Energielücke in Halbleitern.

Das Josephson-Tunneln ist stark von der Stromdichte und der Gegenwart eines Magnetfelds abhängig. Wenn einer dieser Faktoren einen kritischen Wert übersteigt, kehrt die Isolierschicht in den normalen Zustand mit Spannungsabfall zurück.

Bald nach der Bestätigung der Josephsonschen Theorie erkannte ein IBM-Wissenschaftler, Juri Matisoo, daß die beiden verschiedenen Arten des Tunnelns die Grundlage für einen Schalter bilden. Ein schwacher Strom in einer Steuerleitung erzeugt ein Magnetfeld, das die Schaltung vom Josephson-Zustand mit Spanung 0 zum wenige Millivolt betragenden Spannungsabfall des von Giaever erforschten normalen Tunnelns umschaItet. Im Jahr 1965 gelang Matisoo die Herstellung und Erprobung solcher Schalter.

Von Anfang an erschienen die Josephsonschen Tunnelelemente außerordentlich interessant, und zwar aus zwei Gründen: Erstens handelt es sich um einen quantenmechanischen Vorgang, wodurch er schnell abläuft. Unlängst im Züricher IBM-Forschungslabor durchgeführte Versuche haben das bestätigt und gezeigt, daß Einzelelemente wahrscheinlich in weniger als 10 Picosekunden umschalten. Zweitens sind die Spannungs- und Strompegel im Millivolt- und Milliamperebereich, so daß sie eine Verlustleistung im Mikrowattbereich verursachen. Der Gütefaktor der im IBM-Laboratorium von Yorktown hergestellten Verknüpfungsschaltungen ist kleiner als 100 Attojoule, was mindestens 1000mal kleiner ist als der von Silizium-Halbleiterschaltungen.

Anfangs war der Fortschritt bei Josephson-Kontakten langsam, weil sie nur etwa 5 Nanometer (1 Nanometer = 1 Milliardstel Meter) dicke Isolierschichten verlangen, die erst seit kurzem mit entsprechender Zuverlässigkeit erzeugt werden können. Außerdem bestehen Josephson-Schalter aus mehreren Metall- und Oxidschichten, die der Beanspruchung durch die Temperaturzyklen zwischen der kryogenischen Temperatur in der Nähe des absoluten Nullpunkts und der Raumtemperatur gewachsen sein müssen.

Die größte technische Herausforderung bei der Nutzung der hohen Leistung von Josephson-Schaltungen stellt nach Ansicht der IBM deren Verpackung dar. Infolge ihrer niedrigen Verlustleistung lassen sich Josephson-Schaltungen so dicht verpacken, wie das technologisch erreichbar ist. Im Prinzip läßt sich dadurch die Verzögerung bei der Signalfortpflanzung überwinden, die ja die Leistung schneller Transistorschaltungen unwiderruflich begrenzt und die einen verhältnismäßig großen Aufwand ??? Wärmeabführung zur Folge hat.