超导纳米线存储单元：尺寸更小，功耗更低！
导读
最近，美国伊利诺伊大学香槟分校的科研人员开发出一种新型的纳米级超导存储器单元，这种存储器性能稳定、尺寸更小、功耗更低。
关键字
背景
今天的前沿科技成果介绍，还是从一种非常经典的物理现象开始。
它就是超导。
之前，笔者在《“不良金属”中的电荷条纹，对于高温超导研究有什么帮助？》、《石墨烯：超导天赋被激发，有望用于分子电子设备！》、《新型超导纳米薄膜：柔软、超薄、超轻、应用前景好！》这三篇文章中，都介绍过超导方面的一些相关研究。再简单回顾一下：
超导，是指某些物质在一定温度条件下（一般都是极低的温度）电阻降为零的性质。
超导体，具有一些列比较独特的物理特性，例如：零电阻、反磁性、量子隧道效应。所以，超导技术广泛应用于电力传输、磁悬浮列车、热核聚变反应堆、量子计算等领域。
超导体引起的磁悬浮现象
（图片来源于：维基百科）
然而，今天的重点是关于超导体在计算机方面的应用，也就是超导计算机。
其实，相对于传统计算机使用的CMOS技术，超导计算机主要优势还是在能耗方面。在传统的处理器中，大量的能耗并不是来源于实际的逻辑运算，而是由于在逻辑单元之间移动信息而带来的。然而，超导体具有零电阻的特性，在这个意义上说，超导计算机具备显著优势。
自上世纪五十年代起，美国就开始研究超导超级计算机，其计算速度比普通的计算机要快很多倍，而功耗却低很多倍。但是到现在，已经几十年过去了，超导计算机方面的研究也取得了不少进步，例如IBM、日本国际贸易与工业部、贝尔实验室、莫斯科国立大学等科研机构都取得过不少的科研成果。
日本研制的ETL-JC1超导计算机
（图片来源于: AIST）
然而，在摩尔定律的步伐下，传统的硅基半导体芯片的性能不断提高，成本却不断降低。但是，超导计算机却并没有跟上这一步伐。到目前为此，这一技术尚未得以大规模商用。
可是，正如笔者曾在《摩尔定律，是生存还是毁灭？》一文中所讨论的，摩尔定律目前正面临一些挑战。科学界和产业界都在寻找一些新出路，例如探索量子计算机、分子计算机等等。然而，超导计算机的研究，同样也会带来新希望，或者说通向一条新出路。
但是，在超导计算机技术前进的道路上，仍然存在着许多障碍和挑战，其中非常重要的一项就是：
开发出小型化的低功耗存储器。
创新
最近，美国伊利诺伊大学香槟分校的科研人员经过不懈探索，开发出一种新型纳米级的超导存储器单元，它很有希望与超导处理器进行集成。这种存储器性能稳定，而尺寸比其他存储器件要更小。
这项创新技术主要开发人员有：物理学教授 Alexey Bezryadin、研究生 Andrew Murphy、纽约州立大学石溪分校的理论物理教授 Dmitri Averin。这项研究成果于6月13日发表在《新物理学期刊》上。
（图片来源于: Siv Schwink, Physics Illinois）
技术
接下来，又到了深入分析技术的章节，所以带大家一起探究一下这种超导存储器的组成和原理。
这种纳米级的超导存储器，由两条超导纳米线组成，连接着两个不均匀间隔的电极，这些电极是通过电子束光刻技术“写入”的。
这些纳米线和电极形成一种非对称的、闭环的超导，它称为纳米线超导量子干涉器件（SQUID）。
那么，什么是SQUID呢？
SQUID，其实就是一种将磁通转化为电压的磁通传感器，其基本原理是基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象，不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。
当含有“约瑟夫森结”（Josephson junction）的超导体闭合环路，被适当大小的电流偏置后，会呈现一种宏观量子干涉现象，即“约瑟夫森结”两端的电压是该闭合环路环孔中的外磁通量变化的周期性函数。
下面，我再通过维基百科的这张图，为大家演示一下SQUID的外观。
（图片来源于：维基百科）
那么，存储器的状态是如何表示的？
电流流过环路时，方向可以分为顺时针或者逆时针，分别代表二进制数“0”或者“1”。因为电子在超导状态下，电流会在环路中无限期地流动，从而形成了非易失性的存储器。
根据超导存储器的示意图，带大家直观且深入地观察下。
(a) 是存储器的图片，由Mo75Ge25（黄色）的超导带，以及一对超导纳米线组成的闭环（黄色）形成，纳米线的宽度分别是24纳米和22纳米。
(b) 临界电流，在不破坏超导性的前提下，被注入到器件中的最大电流和磁场以函数的形式描述。我们施加了一个正电流，将存储状态设置为“0”；我们施加了一个负电流（外部磁场一样），为了将存储状态设置为“1”。为了读取存储状态，电流被设置为更高的值，如同红色的菱形所示，且对于电压发生时的电流值进行测量，这样数值就是临界电流。
它的统计分布显示在(c)中。临界电流的测量值，取决于预设置的存储值，“0”或者“1”。那么，通过测量临界电流，我们就可以判断出存储单元的状态。
（图片来源于: Alexey Bezryadin 和 Andrew Murphey, 伊利诺伊大学香槟分校）
存储器状态的写入和读取，如何进行？
存储器状态的写入，是通过特定磁场下，施加特定量级的振荡电流来完成。而对于存储器状态的读取，科学家们则是通过提高电流，并且检测当超导性遭到破坏时的电流值。结果表明，这种“破坏”或者说是临界电流，对于两种存储状态“0”或者“1”来说，是不同的。
科学家们测试了存储器的稳定性，推迟了状态的读取，并没有发现存储消失的情况。
团队通过两种纳米线 “SQUIDS”来开展实验，它们是由超导体Mo75Ge25组成，使用了一种叫做“分子模板”（molecular templating）的方法。
价值
对于这项创新研究的价值，我们还是先看看科研人员如何评价。
Bezryadin 评论说：
“这是非常令人兴奋的。这种超导存储单元的尺寸，可以缩小到几十纳米的范围，并且不受其他方案中同样的性能问题的制约。”
Murphy 补充说：
“在创造这种尺寸缩小的超导体存储单元方面，许多相关的努力都无法达到我们所达到的尺寸。超导存储器比现在标准的存储器，制造起来需要更加廉价，还需要高密度、小尺寸和快速。”
目前为此，最有前途的超导存储器，称为“单磁通量子”（single-flux quanta）器件，它是由约瑟夫森结和电感元件组成的控制电路。
它们都是在微米的级别，所以这些器件的小型化到了约瑟夫森结和电感的尺寸限制。另外，其中一些也需要铁磁屏障来编码信息。
然而，Bezryadin 和 Murphy 设计的器件无需铁磁组件，并且消除了磁场的相互作用。Bezryadin 继续说：
“因为动态电感随着线的横截面尺寸减少而增加，纳米线 SQUID 存储元件可以进一步减少，达到几十纳米的级别。”
科研人员强调，如果两个二进制状态的能量相等或者接近相等，这种器件能够在非常低的能耗下工作。这种操作的理论模型是和Averin 一起合作开发。在这两个相等的能量之间的切换，会通过量子隧穿效应或者通过多次状态之间多次跃迁的绝热过程来达到。
未来
未来，Bezryadin 计划测量切换时间，并且研究将更大规模的纳米线阵列，作为存储元件来使用。他们也在测试更高临界温度的超导体，从而使得存储电路工作温度达到在4K。另外，快速操作将通过微波脉冲来实现。
参考资料
【1】http://physics.illinois.edu/news/article/22141
【2】Andrew Murphy et al. Nanoscale superconducting memory based on the kinetic inductance of asymmetric nanowire loops, New Journal of Physics (2017). DOI: 10.1088/1367-2630/aa7331
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