快速單通量量子

在電子學領域中，快速單通量量子（英語：rapid single flux quantum，縮寫RSFQ；也稱快單磁通量子）是一種使用超導設備的數碼產品，也稱約瑟夫森結, 用來處理數字信號。在RSFQ邏輯中，信息以磁通量量子的形式存儲，並以單通量量子（Single Flux Quantum，縮寫SFQ）電壓脈衝的形式傳遞。RSFQ是超導或SFQ邏輯（英語：Superconducting logic）的一個家族。其他家族包括Reciprocal Quantum Logic (RQL)、ERSFQ——不使用偏置電阻等元件的節能RSFQ版本。約瑟夫效應是RSFQ電子的有源元件，就像晶體管是半導體電子中的有源元件一樣。RSFQ是一種經典數學而非量子計算機技術。

RSFQ與普通計算機使用的CMOS 晶體管技術有很大差異：

超導設備需要低溫。
約瑟夫森結產生的皮秒級SFQ電壓脈衝被用於編碼、處理和傳輸數字信息，這代替半導體電子器件中晶體管產生的電壓電平。
SFQ電壓脈衝在超導傳輸線上的行程非常小，並且如果脈衝的頻譜分量不超過超導體能隙的頻率，通常可以忽略不計。
在1 ps的SFQ脈衝情況下，電路計時可能達到100 GHz頻率（每10皮秒一次脈衝）。

優點

可以與CMOS電路、微波和紅外線技術互操作
極快工作頻率：從幾十千兆赫到高達數百千兆赫
低功耗（英語：Power consumption）：比CMOS電路低大約10萬倍（不考慮冷卻）
現有芯片製造技術可適用於製造RSFQ電路
良好的製造變化耐受性
RSFQ電路本質上是自我計時（英語：Self clocking），這使異步設計更實用。

缺點

需要低溫冷卻。傳統上這已通過低溫液體實現，諸如液氮和液氦。最近來說，如脈管制冷機（英語：Pulse tube refrigerator）等封閉式循環制冷機已納入考慮，它們能避免使用昂貴且需要定期再填充的低溫液體。低溫冷卻還有一個優點是降低了工作環境的熱噪聲。
通過使用高溫超導體，冷卻的要求可得到放寬。但迄今為止，使用高溫超導體僅實現了非常低複雜度的RFSQ電路。據信基於SFQ的數字技術在溫度高於~20 K - 25 K時變得不切實際，參數E_J/k_BT因溫度T的增加導致的減小會導致誤碼率（熱誘髮結切換）呈指數增長，其中 E_J = I_cΦ₀/2π 是約瑟夫森能量。
靜態功耗通常比執行邏輯操作所需的動態功耗大10-100倍，這是其一個缺點。不過，在ERSFQ版本的RSFQ中，通過使用超導電感器和約瑟夫森結而非偏置電阻（靜態功耗來源）則完全消除了靜態功耗。
由於RSFQ是一種顛覆性技術，專門的教育程度和商業軟件仍有待開發。

應用

光通信或其他高速網絡交換設備
數字信號處理，達到X波段及以上的信號
超高速路由器
軟件無線電（SDR）
高速類比數位轉換器
高性能低溫計算機^[1]^[2]
超導量子比特和量子電路的控制電路

參見

超導邏輯（英語：Superconducting logic），包含比RSFQ能源效率更佳的新邏輯系列。
量子通量參量（英語：Quantum flux parametron），相關的數字邏輯技術。

參考資料

^ Yerosheva, Lilia Vitalyevna; Peter M. Kogge. High-Level Prototyping for the HTMT Petaflop Machine (2001). Department of Computer Science and EngineeringNotre Dame, Indiana. April 2001 [2017-11-02]. （原始內容存檔於2014-09-04）.
^ Bunyk, Paul, Mikhail Dorojevets, K. Likharev, and Dmitry Zinoviev. "RSFQ subsystem for HTMT petaFLOPS computing." Stony Brook HTMT Technical Report 3 (1997).

拓展閱讀

Superconducting Technology Assessment （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, study of RSFQ for computing applications, by the NSA (2005).
超导RSFQ计算机. 中國計算機學會通訊. 2016, (3) [2017-11-02] （中文（中國大陸））. ^{[永久失效連結]}

外部連結

An introduction to the basics and links to further information at the State University of New York at Stony Brook.
K.K. Likharev and V.K. Semenov, RSFQ logic/memory family: a new Josephson-junction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems. IEEE Trans. Appl. Supercond. 1 (1991), 3. doi:10.1109/77.80745
A. H. Worsham, J. X. Przybysz, J. Kang, and D. L. Miller, "A single flux quantum cross-bar switch and demultiplexer," IEEE Trans. on Appl. Supercond., vol. 5, pp. 2996–2999, June 1995.
Feasibility Study of RSFQ-based Self-Routing Nonblocking Digital Switches (1996) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
Design Issues in Ultra-Fast Ultra-Low-Power Superconductor Batcher-Banyan Switching Fabric Based on RSFQ Logic/Memory Family (1997) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
A Clock Distribution Scheme for Large RSFQ Circuits (1995) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
Josephson Junction Digital Circuits – Challenges and Opportunities (Feldman 1998) （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
Superconductor ICs: the 100-GHz second generation （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） // IEEE Spectrum, 2000

[1] Yerosheva, Lilia Vitalyevna; Peter M. Kogge. High-Level Prototyping for the HTMT Petaflop Machine (2001). Department of Computer Science and EngineeringNotre Dame, Indiana. April 2001 [2017-11-02]. （原始內容存檔於2014-09-04）.

[2] Bunyk, Paul, Mikhail Dorojevets, K. Likharev, and Dmitry Zinoviev. "RSFQ subsystem for HTMT petaFLOPS computing." Stony Brook HTMT Technical Report 3 (1997).

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