黃洋輝，趙清源,*，涂學(xué)湊，張蠟寶，賈小氫，康 琳，陳 健，吳培亨

(1.超導(dǎo)電子學(xué)研究所，南京大學(xué)，南京 210023；2. 南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023)

0 引言

依托半導(dǎo)體制造技術(shù)的數(shù)字電路已經(jīng)在生活各方面產(chǎn)生了重要影響，其發(fā)展歷程經(jīng)歷了電子管、晶體管和大規(guī)模集成電路三個階段?；诔瑢?dǎo)材料的數(shù)字電路技術(shù)，雖然面臨低溫環(huán)境的制約，但作為一類獨(dú)特且性能突出的數(shù)字電路技術(shù)，同樣經(jīng)歷了三個階段[1]。第一階段始于1956年，Dudley Buck以兩根纏繞在一起的超導(dǎo)線構(gòu)成冷子管(cryotron)[2]，此后基于該冷子管構(gòu)建的觸發(fā)器、存儲器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等數(shù)字電路的基本單元被提出。第二階段以IBM為代表的研究機(jī)構(gòu)發(fā)展了基于約瑟夫森效應(yīng)的鎖存邏輯電路，利用更小的控制電流驅(qū)動約瑟夫森結(jié)。該邏輯電路最大的特點(diǎn)為電路每次進(jìn)行邏輯操作后都需要斷電回到零電壓態(tài)，因此工作速度遲遲沒能超出1 GHz。第三階段是以快速單磁通量子電路(RSFQ)[3]為代表的數(shù)字邏輯電路，與鎖存邏輯相比，RSFQ電路由直流供電，具備更快的工作速度，因此得到了大力發(fā)展。目前超導(dǎo)數(shù)字電路以RSFQ為基本設(shè)計(jì)單元，但是RSFQ也存在不足的地方，例如，輸入阻抗低、驅(qū)動能力不足、無法同高速存儲器進(jìn)行集成。這也是美國超導(dǎo)計(jì)算機(jī)研究計(jì)劃(C3)需要解決的問題之一[4]。

2014年，McCaughan和Berggren教授在cryotron的基礎(chǔ)上提出了一種新型的平面結(jié)構(gòu)超導(dǎo)納米線三端子器件(Superconducting nanowire cryotron，簡稱nTron)[5]。相比傳統(tǒng)的約瑟夫森結(jié)，nTron具有以下的基本特性：(1)核心尺寸更小，僅為百納米左右；(2)單層器件結(jié)構(gòu)，與其他功能器件更容易進(jìn)行混合集成；(3)驅(qū)動能力強(qiáng)，失超后的電阻達(dá)數(shù)千歐姆，能夠驅(qū)動多個后級電路或半導(dǎo)體晶體管等。這些特性使得其在超導(dǎo)數(shù)字電路領(lǐng)域受到關(guān)注。此后，nTron又衍生出hTron[6]、yTron[7]等超導(dǎo)納米線低溫三端子器件。目前，國際上也有多個研究小組開展了相關(guān)研究，其中國外單位包括：MIT(USA)、NIST(USA)等，國內(nèi)單位主要有：南京大學(xué)和天津大學(xué)等。隨著研究的深入，nTron及其相關(guān)器件和電路也從超導(dǎo)數(shù)字電路走向了更廣的領(lǐng)域。本文主要介紹了三種超導(dǎo)納米線三端子器件的結(jié)構(gòu)和工作原理，并且綜述了最近幾年超導(dǎo)納米線三端子器件的研究和應(yīng)用進(jìn)展。

需要一提的是，cryotron最早被翻譯為“冷子管”，我們可查到的最早翻譯來源于1960年《電子計(jì)算機(jī)動態(tài)雜志》期刊[8]。根據(jù)目前的相關(guān)進(jìn)展，Superconducting nanowire cryotron所衍生出的是一系列的三端子器件，通過門控端輸入控制信號改變局部區(qū)域的電流、溫度、磁場等，實(shí)現(xiàn)對通道端納米線超導(dǎo)特性的調(diào)控，是一種典型的由電信號控制的器件。這也是這類器件區(qū)分約瑟夫森結(jié)的重要特點(diǎn)之一，和Dudley Buck提出的cryotron器件在工作原理上也有不同之處?！袄渥庸堋边@個幾乎被人遺忘的名字，已經(jīng)不能再反映現(xiàn)階段超導(dǎo)納米線這種器件的優(yōu)勢。因此，本文中將此類器件統(tǒng)稱為“超導(dǎo)納米線三端子器件”。具體到某種器件時，我們以他們的英文縮寫：nTron、yTron和hTron來命名。這也符合McCaughan和Berggren在原作中的定義(A three-terminal electrothermal device)。至于cryotron的直譯，我們還是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，譯為“冷子管”。

1 nanowire cryotron(nTron)

典型的nTron通常為三端子結(jié)構(gòu)，屬于單層器件。圖1為MIT的研究人員所制備的nTron器件，由兩段單根納米線(門控端和通道端)構(gòu)成，電路符號見圖1(a)。兩者的電氣連接處為一段寬度約為幾十納米的納米線結(jié)構(gòu)，通道端通常為數(shù)百納米左右寬的單根納米線(圖1(b))。其工作原理為：將nTron的通道端偏置在低于臨界電流的條件下，當(dāng)門控端沒有電流脈沖輸入時，通道端依舊處于超導(dǎo)態(tài)，當(dāng)流經(jīng)門控端的電流脈沖大于其臨界電流時，將在門端的納米線局部區(qū)域產(chǎn)生一塊處于正常態(tài)的熱點(diǎn)“Hotspot”區(qū)域(圖1(d))。隨著熱點(diǎn)的不斷擴(kuò)大，將導(dǎo)致熱點(diǎn)附近的局部溫度升高，壓縮通道端納米線的臨界電流，使整個通道端變?yōu)檎B(tài)，輸出電阻可達(dá)數(shù)千歐姆，實(shí)現(xiàn)門控端輸入電流信號對通道端超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)化至正常態(tài)的控制。

圖1 (a)nTron的電路符號；(b)nTron的SEM圖；(c)nTron的輸出特性；(d)模擬nTron的三個工作過程[5]Fig. 1 (a) Simplified circuit schematic of the nTron; (b) Scanning electron micrograph of an nTron; (c) Circuit schematic and output characteristics for an nTron; (d) Numerical simulation of the nTron depicting the three states of operation [5]

熱點(diǎn)的大小取決于輸入門控端的電流和通道端的偏置電流大小，當(dāng)熱點(diǎn)產(chǎn)生后偏置電流將輸出至負(fù)載端，實(shí)現(xiàn)一次開關(guān)過程。若門控端輸入電流小于門控端納米線的臨界電流，但是和通道端的電流疊加超過通道端的臨界電流，同樣能夠觸發(fā)并產(chǎn)生穩(wěn)定的熱點(diǎn)區(qū)域，此時nTron將工作在電流疊加模式下。

因此，nTron的觸發(fā)模式主要分為兩種，一種為門控端電流觸發(fā)模式下的局部熱擴(kuò)散導(dǎo)致的失超過程，一種為電流疊加模式下的失超過程。兩種觸發(fā)模式下的工作過程可借鑒納米線熱傳導(dǎo)模型[9-10]和電路模型[11-12]進(jìn)行SPICE仿真；或者從nTron的結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用“T”型結(jié)構(gòu)[13]，結(jié)合時間相關(guān)的金茨堡-朗道方程以及熱擴(kuò)散方程進(jìn)行數(shù)值擬合。nTron可工作在自恢復(fù)(self-reset)模式和鎖存(latched)模式下，若要將nTron工作在自恢復(fù)模式下，通常會在通道端串聯(lián)電感以減緩電流恢復(fù)時間，同時在偏置端外加直流偏置；若要將nTron工作在鎖存模式下，需要在通道端加脈寬偏置信號，此時器件能夠工作在較高的速度下。

nTron工作場景的不同，所關(guān)注的基礎(chǔ)特性也有所不同。為了能夠更詳細(xì)地對nTron的基礎(chǔ)特性進(jìn)行表征[14-15]，南京大學(xué)趙清源課題組開展了相關(guān)的研究工作，從nTron的工作速度、時間抖動、工作區(qū)間、功耗等方面對該器件進(jìn)行了詳細(xì)表征。在實(shí)際應(yīng)用中，上述幾項(xiàng)指標(biāo)往往相互制約，共同影響nTron工作性能。例如更大的門控端輸入信號會有更低的時間抖動，但需要更長的熱耗散時間，這限制了nTron追求更快的工作速度。圖2為該課題組制備的nTron器件結(jié)構(gòu)圖片和器件的電路符號，通道端和電感串聯(lián)，輸出端則位于兩者之間，目的是提高nTron的工作速度同時減少失超后電流串?dāng)_現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中測量到的最大工作速度為615.4 MHz，單個nTron的最低功耗為19.7 nW左右。

圖2 (a)nTron的SEM圖；(b)nTron的局部放大；(c)nTron的電路符號[15]Fig. 2 (a) Scanning electron micrograph of an nTron; (b) An enlarged view of an nTron; (c) Simplified circuit schematic of the nTron [15]

2 heater cryotron (hTron)

hTron是研究人員在nTron的基礎(chǔ)上提出的另一種電熱型超導(dǎo)納米線三端子器件，hTron的端口命名和nTron的命名方式一致。兩者的區(qū)別在于，nTron利用門控端對通道端直接注入電流控制超導(dǎo)相變；而hTron則利用門控端的熱效應(yīng)引起溫度升高來壓縮通道端納米線的超導(dǎo)臨界電流，門控端與通道端之間無直接的電氣連接。在結(jié)構(gòu)上，hTron主要有平面型[6]和立體型[16]兩種。平面型結(jié)構(gòu)(圖3(a))通常采用兩根相同的超導(dǎo)納米線構(gòu)成，納米線之間為30 nm左右的間隔。立體型(圖3(b))為三層結(jié)構(gòu)，上層通常為金屬材料，位于通道端中央的正上方；中間為一層約30 nm厚的二氧化硅絕緣層，下層則為一根超導(dǎo)納米線構(gòu)成的通道端。圖3(c)為hTron的電路符號，左側(cè)符號為門控端，右側(cè)符號為通道端。

圖3 (a)平面型hTron的SEM圖[6]；(b)立體型hTron構(gòu)建的SEM圖[16]；(c)hTron的電路符號[16]Fig. 3 (a) Scanning electron micrograph of an in-plane hTron [6]; (b) Scanning electron micrograph of a stereoscopic hTron [16]; (c) Simplified circuit schematic of the hTron [16]

hTron工作原理為：將通道端偏置在低于臨界電流的條件下，當(dāng)門控端沒有輸入電流時，通道端表現(xiàn)為超導(dǎo)狀態(tài)；當(dāng)門控端有電流流經(jīng)時，假設(shè)門控端為金屬材料，在金屬附近區(qū)域產(chǎn)生熱量引起局部溫度的升高，當(dāng)熱量傳遞到下方的通道端后，壓縮了通道端的臨界電流，使通道端從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)；當(dāng)門控端的電流移除后，器件重新恢復(fù)到初始狀態(tài)。對于平面型hTron，流經(jīng)門控端的電流只需大于其臨界電流。

平面型hTron為單層器件，和立體型hTron相比，制備工藝更加簡單，而立體型hTron熱觸發(fā)的速度更快。對于hTron器件，在設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)考慮門控端產(chǎn)生的熱效應(yīng)對通道端臨界電流的壓縮，即門控端和通道端兩者之間的寬度存在制約關(guān)系。例如增加通道端納米線的寬度要求更大的輸入電流經(jīng)過門控端，因?yàn)楹苄〉碾娏鹘?jīng)過門控端所產(chǎn)生的熱效應(yīng)對大尺寸通道端的壓縮作用有限，對通道端的臨界電流影響非常小。而當(dāng)流經(jīng)門控端的電流不變時，增加門控端的納米線寬度也將減弱熱效應(yīng)，門控端寬度的增加意味著電阻的減小，單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量更小，熱效應(yīng)更弱。在實(shí)際應(yīng)用過程中，hTron應(yīng)盡量工作在真空的低溫環(huán)境中，若工作在液氦環(huán)境下會削弱門控端的熱效應(yīng)，從而影響器件的工作性能。

3 “Y”-shaped cryotron (yTron)

yTron是一種利用電流阻塞效應(yīng)(Current crowding effect)[17]來探測電流的三端子器件，因其形狀類似于字母“Y”故而稱之為“yTron”。兩段納米線以形狀“Y”的方式連接在一起，連接處是寬度為數(shù)納米的圓形拐角，兩根納米線分別被稱為偏置臂和感應(yīng)臂(圖4(a))，插圖為yTron的電路符號。當(dāng)流經(jīng)感應(yīng)臂的電流逐漸增加時，偏置臂的臨界電流也在同步增加，即偏置臂失超所需要達(dá)到的電流更高。因此，通過感應(yīng)臂輸入電流，即可調(diào)控偏置臂的超導(dǎo)臨界電流(圖4(b))。值得注意的是，yTron可以作為一種非破壞測量電流的器件，通過測量偏置臂的臨界電流值，就可以得到感應(yīng)臂上的電流，并且這種測量過程中，超導(dǎo)相變僅發(fā)生在偏置臂，不破壞感應(yīng)臂的超導(dǎo)特性，因此這種電流測量是一種非破壞測量。在數(shù)字電路中使用時，yTron可被看作是一個反相器，執(zhí)行反向邏輯。通過選擇合適的偏置電流，當(dāng)感應(yīng)臂上無信號輸入時，偏置臂處于正常態(tài)，反之，感應(yīng)臂處于正常態(tài)。

圖4 (a)yTron的SEM圖和電路符號；(b)感應(yīng)臂在五種不同偏置電流下偏置臂的I-V特性，插圖為測試電路圖[7]Fig. 4 (a) Simplified circuit schematic and Scanning electron micrograph of a yTron ;(b) I-V characteristics of the bias arm for five values of Is; (insert) Circuit schematic for testing the yTron [7]

yTron的工作原理依賴于電流阻塞效應(yīng)，電流阻塞效應(yīng)是指在納米線的拐角處或者納米線寬度突然變化時，靠近拐角內(nèi)部或者靠近突變處的電流密度更大。yTron兩臂的連接處部分存在尖銳的突變過程，因此當(dāng)電流從某一臂流過時，靠近拐角的地方電流密度增大，其中的過程涉及渦流的邊界穿越和吉布斯自由能的變化[17]。當(dāng)兩臂處于相同的偏置電流狀態(tài)時，拐角處的電流密度相同，幾乎不存在電流阻塞效應(yīng)，在拐角處兩臂產(chǎn)生的電流阻塞效應(yīng)相互抵消；而當(dāng)感應(yīng)臂的偏置電流減少時，偏置臂的電流密度相對更大，由于感應(yīng)臂無法抵消偏置臂產(chǎn)生的電流阻塞效應(yīng)，拐角處電流密度將增大；若完全移除感應(yīng)臂的偏置電流，拐角處的電流密度將更高，將有更多的電流短暫流向感應(yīng)臂最后流向源端。當(dāng)偏置臂流經(jīng)的電流不斷增加時，感應(yīng)臂需要更大的電流用于消除電流阻塞效應(yīng)，因此臨界電流也隨之增加。

4 應(yīng)用

4.1 低溫?cái)?shù)字電路

在首次提出nTron的文章中，nTron被作為基礎(chǔ)邏輯器件，搭建了“與”門、“或”門、“非”門等電路單元，演示了半加器的邏輯操作功能，展示了nTron作為邏輯器件在數(shù)字邏輯電路的潛在應(yīng)用價值。隨著單光子探測技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)已經(jīng)成為目前單光子探測技術(shù)中綜合性能最優(yōu)異的探測器[18-19]，在量子信息處理[20]等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。大規(guī)模SNSPD陣列是目前發(fā)展的重要方向之一，而如何實(shí)現(xiàn)陣列的低溫讀出是目前亟須解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。2018年，日本NICT的研究人員利用SFQ讀出電路[21]讀出了64像元的SNSPD陣列，通過對SNSPD輸出信號的邏輯統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)了SNSPD的位置編碼，從而對SNSPD陣列進(jìn)行空間位置識別。最大計(jì)數(shù)率為12.5 Mcps，并且保留了SNSPD本身的時間特性，但是此項(xiàng)工作中采用了大量的約瑟夫森結(jié)單元，因此整體功耗較高，編碼器整體功耗為250 μW。

2020年，南京大學(xué)趙清源課題組[22]在單個nTron的結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了多門控nTron結(jié)構(gòu)(圖5(a))，利用4個12門輸入的nTron單元，構(gòu)建了經(jīng)典的四位二進(jìn)制數(shù)字編碼器。作者將4個多門控的nTron工作在“或”邏輯下，一個12門控的nTron只需要選擇8個通道用于執(zhí)行“或”邏輯操作，4個nTron的輸出端對應(yīng)了編碼后的四位輸出，即O1-O4(圖5(c))。實(shí)驗(yàn)中對應(yīng)位置響應(yīng)的SNSPD輸出脈沖經(jīng)過兩級nTron放大器后，同時輸入到對應(yīng)編碼位置下的多門控nTron的門控端，從而實(shí)現(xiàn)位置編碼，例如位置為“15”的SNSPD輸出信號經(jīng)過放大后同時觸發(fā)4個nTron，產(chǎn)生四路輸出，對應(yīng)“1111”。位置為“3”的SNSPD輸出信號經(jīng)過放大后同時觸發(fā)2個nTron，產(chǎn)生兩路輸出，對應(yīng)編碼“0011”。實(shí)驗(yàn)過程中測試了不同輸入端口的臨界電流，用于驗(yàn)證器件的均勻性(圖5(d))。器件封裝(圖5(b))后進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)中測到的最大工作速率為250 MHz，并且該編碼器實(shí)現(xiàn)了對15像元SNSPD陣列的位置編碼讀出。和一些其他的編碼器讀出方案對比，該編碼器在功耗上也具有明顯的優(yōu)勢，編碼器整體功耗為361 nW。這為低溫陣列探測器的信號讀出和處理提供了一種新的解決方案，未來通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝的優(yōu)化，有望實(shí)現(xiàn)更大陣列的位置編碼讀出。

圖5 (a)12門控nTron結(jié)構(gòu)SEM圖；(b)封裝后安裝在PCB板上的編碼器照片；(c)15-4編碼器的電路結(jié)構(gòu)圖；(d)編碼所有輸入端口的臨界電流[22]Fig. 5 (a) Scanning electron micrograph of a 12-gate nTron; (b) Photo of the encoder chip mounted on a printed circuit board; (c) Logic circuit diagram of the 15-4 binary encoder; (d) Critical currents for all input ports [22]

4.2 超導(dǎo)體-半導(dǎo)體接口

超導(dǎo)體-半導(dǎo)體接口是實(shí)現(xiàn)低溫下的信號傳導(dǎo)至常溫下信號的關(guān)鍵技術(shù)。一個典型的半導(dǎo)體晶體管的輸入阻抗為兆歐級別，而單個超導(dǎo)電子器件(例如RSFQ)的輸入阻抗僅為數(shù)歐姆，因此信號在超導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的傳輸存在嚴(yán)重的阻抗失配問題，即低溫下的電信號難以驅(qū)動晶體管等半導(dǎo)體電路。利用Stacks電路或SQUID放大器能夠緩解失配問題，但功耗和器件面積成為限制其應(yīng)用的因素。nTron失超后，能夠產(chǎn)生數(shù)十千歐電阻，驅(qū)動能力強(qiáng)，因此能夠成為接口電路的選擇之一。

2017年，Zhao等人[23]首次利用nTron作為接口電路單元，實(shí)現(xiàn)了RSFQ和CMOS之間的互連(圖6)。其技術(shù)方案為：將nTron的門控端寬度設(shè)置為20 nm寬，使得單個磁通量子也能夠觸發(fā)nTron；同時將nTron工作在鎖存狀態(tài)下，通道端失超后產(chǎn)生約4.7 mV的電壓，用于驅(qū)動HEMT管，從而實(shí)現(xiàn)RSFQ和nTron以及CMOS三者之間的信號傳輸。此后，日本的Tanaka等人[24-25]同樣利用nTron的驅(qū)動特性，實(shí)現(xiàn)了RSFQ邏輯電路、nTron驅(qū)動電路、CMOS存儲器陣列三者為一體的大規(guī)模存儲陣列。在此項(xiàng)研究中，nTron作為驅(qū)動接口，接受輸入信號用于驅(qū)動CMOS存儲陣列。由于采用nTron替代工作在電壓態(tài)下的放大器和解碼器，功耗大幅降低。2019年，美國NIST的McCaughan等人[26]在nTron和hTron的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種高阻熱開關(guān)器件，該器件為“三明治”結(jié)構(gòu)，即熱電阻-絕緣層-納米線結(jié)構(gòu)。該器件的熱開關(guān)時間低于300 ps，恢復(fù)時間為15 ns左右并且輸出阻抗大于1 MΩ。該研究團(tuán)隊(duì)用該器件將50 mV的輸入信號變?yōu)?.12 V的電壓輸出，最終驅(qū)動了LED燈。

圖6 RSFQ-nTron-CMOS混合電路的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖[23]Fig. 6 Simplified circuit schematic of the hybrid RSFQ-nTron-COMS circuit [23]

4.3 邏輯存儲陣列

邏輯存儲操作是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的重要一環(huán)。和半導(dǎo)體邏輯存儲不同，超導(dǎo)體通常用環(huán)流表示存儲邏輯，用超導(dǎo)環(huán)中環(huán)流的方向表示比特位“1”和“0”，例如用順時針電流方向表示比特位“1”；而用逆時針電流方向表示“0”。近年來，利用RSFQ的存儲陣列存在大尺寸單元的問題；RSFQ和CMOS的混合結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高速和低時間抖動的邏輯操作，但是存在著功耗和接口電路的問題；而利用磁性材料構(gòu)建存儲單元則需要對材料進(jìn)行更加精確的調(diào)節(jié)。nTron和yTron以及hTron等器件具有百納米的器件尺寸，能夠很好地解決大尺寸和大面積問題。已經(jīng)有研究[27]證明，利用超導(dǎo)納米線構(gòu)建的nanoSQUID能夠利用動態(tài)電感而非幾何電感調(diào)控超導(dǎo)環(huán)中的臨界電流，可大大縮小器件尺寸，并且該器件不易受到磁場干擾。盡管超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生的環(huán)流能夠穩(wěn)定存在，但是如何讀取超導(dǎo)環(huán)中的電流而不破壞其中的狀態(tài)是需要考慮的問題，而yTron作為一種非破壞性測量的器件，能夠緩解這個問題。

2018年，Zhao等人[6]利用hTron和yTron構(gòu)成超導(dǎo)環(huán)回路，構(gòu)建了超導(dǎo)存儲單元(圖7(a))。該電路的核心在于利用hTron的熱觸發(fā)模式從而一次性捕獲超導(dǎo)環(huán)能容納的最大磁通數(shù)，形成超導(dǎo)環(huán)流，當(dāng)寫入正脈沖時產(chǎn)生順時針環(huán)流，代表比特位“1”，寫入負(fù)脈沖則產(chǎn)生逆時針環(huán)流，代表比特位“0”。yTron則負(fù)責(zé)超導(dǎo)環(huán)流的讀出，同時不破壞環(huán)內(nèi)的超導(dǎo)特性，因此該電路具有非易失性。單個器件尺寸面積為3 μm×7 μm(圖7(b))，在實(shí)驗(yàn)中演示了存儲和操作比特位“0”和“1”的過程(圖7(c))。誤碼率為10-7的情況下，工作區(qū)間為4.6 μA，初步計(jì)算整體功耗為10-18J左右。

圖7 利用nTron和yTron構(gòu)建的存儲單元電路：(a)電路結(jié)構(gòu)；(b)存儲單元電路的SEM圖；(c)實(shí)驗(yàn)中讀取和寫入“1”和“0”過程的波形圖[6]Fig. 7 Memory cell circuit composed of hTron and yTorn. (a) Simplified circuit schematic of memory cell; (b) Scanning electron micrograph of memory cell; (c) Experimental pulses for writing and reading bits ‘1’ and ‘0’[6]

2019年，NIST的McCaughan等人[28]利用Dayem橋并聯(lián)電阻替代hTron結(jié)構(gòu)，利用鈮作為連接線，鎢硅作為器件材料，構(gòu)建了存儲電路單元，該電路能夠提高工作速度同時降低功耗。作者在10 MHz～1 GHz的速度下表征了該電路的性能。在50 MHz的工作速率下，最低誤碼率為10-6。美國MIT的Toomey等人[29]則利用NbN材料，在Zhao的工作基礎(chǔ)上，利用Dayem橋并聯(lián)電阻替代hTron結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對超導(dǎo)環(huán)流的定量調(diào)控，能夠用于多比特的信息存儲。與此同時，雷神公司的研究者[30-31]基于自旋霍爾效應(yīng)的磁性存儲器件分別和nTron以及hTron相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了新型的存儲單元和陣列。而在更大規(guī)模存儲單元的研究上，利用hTron構(gòu)成的超導(dǎo)環(huán)回路目前實(shí)現(xiàn)了2×4的存儲陣列[32]，誤碼率實(shí)際測量為10-3左右。若要實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的存儲陣列，采用這種結(jié)構(gòu)則需要考慮器件面積和電流串?dāng)_以及布線等問題。

4.4 讀出SNSPD

SNSPD的基本結(jié)構(gòu)為蜿蜒線并且通過熱點(diǎn)模型來探測光子事件，然而蜿蜒線的高動電感導(dǎo)致SNSPD恢復(fù)時間緩慢(熱點(diǎn)增長和耗散)，并且參數(shù)選擇不當(dāng)也容易導(dǎo)致鎖存，增加功耗。如果光子探測事件能夠從脈沖事件輸出轉(zhuǎn)換為其他方式，有可能在一定程度上避免這些行為。

Onen等人[33]利用不同于蜿蜒線的探測器結(jié)構(gòu)，將單光子觸發(fā)事件轉(zhuǎn)化為磁通量的變化，利用yTron讀出磁通的變化量。納米線結(jié)構(gòu)能夠探測光子事件，納米線和電阻并聯(lián)(圖8(a)灰色部分)后能夠?qū)崿F(xiàn)磁通的定量調(diào)控，yTron的感應(yīng)臂和納米線則構(gòu)成超導(dǎo)環(huán)用于存儲超導(dǎo)環(huán)流，超導(dǎo)環(huán)中的磁通所形成的環(huán)流經(jīng)過感應(yīng)臂能夠調(diào)控yTron讀出端的臨界電流。多個光子事件將在超導(dǎo)環(huán)內(nèi)形成順時針環(huán)流的累加，實(shí)現(xiàn)類似于電荷耦合器件(CCD)的計(jì)數(shù)功能。然而該研究工作的缺點(diǎn)也很明顯，環(huán)流的增加，使得納米線的有效電流偏置減少，導(dǎo)致納米線探測效率的下降(圖8(b)紅色曲線)。天津大學(xué)胡小龍課題組[34]則將單段納米線結(jié)構(gòu)替換為并聯(lián)的超導(dǎo)納米線結(jié)構(gòu)(SNAP)，實(shí)現(xiàn)了符合光子計(jì)數(shù)的功能。

圖8 (a)器件的電路符號圖電阻；(b)探測效率和環(huán)流隨著時間的變化圖[33]Fig. 8 (a) Schematic representation of the device; (b) Conceptual graph of circulating current and the resultant detection efficiency versus time [33]

4.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人腦感知周圍環(huán)境和進(jìn)行自身內(nèi)部調(diào)節(jié)的方式是以神經(jīng)脈沖的形式進(jìn)行信息傳遞的，脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SNN)為代表的第三代人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在行為模式上更接近人類大腦中利用脈沖序列信息傳遞的方式。一個神經(jīng)元主要由前后神經(jīng)元和用于連接神經(jīng)元的突觸結(jié)構(gòu)組成。而脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心在于構(gòu)建脈沖尖峰電路單元，它要包含單個神經(jīng)元的一些基本功能，如突觸可塑性和閾值響應(yīng)以及不應(yīng)期等。若要實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，單個電路還需具備以下特性：第一，能夠不斷產(chǎn)生脈沖序列，并且速度快；第二，電路單元具有可擴(kuò)展性和高扇出能力，能夠同時連接多個相同的電路結(jié)構(gòu)或者更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；第三，無論是在靜態(tài)還是在動態(tài)下均能夠保持低功耗。半導(dǎo)體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解決方案面臨著功耗的問題，而約瑟夫森結(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)雖然速度快、功耗低，但是存在扇出能力弱的問題，超導(dǎo)納米線在器件尺寸和扇出能力以及功耗上具備優(yōu)勢。

美國MIT的研究人員[35]采用超導(dǎo)納米線并聯(lián)電阻的形式，產(chǎn)生弛豫振蕩效應(yīng)，結(jié)合神經(jīng)元在生物習(xí)性下的信息傳遞模式，在軟件和硬件層面(圖9)構(gòu)建了單個神經(jīng)元的脈沖電路單元[36-37]，使其具備了神經(jīng)元的一些基本功能。該團(tuán)隊(duì)以這個電路單元為基礎(chǔ)，在仿真過程中完成了圖片識別、競爭決策等任務(wù)。也有研究者利用超導(dǎo)環(huán)單元構(gòu)建類似于憶阻器的陣列的結(jié)構(gòu)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)方法來模擬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[38]。而NIST的研究者[39-40]則采用光子作為信息傳遞的媒介的技術(shù)方案，以SPD作為光子的接受者，hTron作為輸出級輸出脈沖信號，nTron則兼具扇出能力，可用于連接不同神經(jīng)單元，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖9 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路結(jié)構(gòu)圖，兩個震蕩單元構(gòu)成超導(dǎo)環(huán)用于模擬鈉鉀泵的離子輸運(yùn)。插圖為震蕩單元的輸出脈沖[36]Fig. 9 Simplified circuit schematic of the neuron, consisting of two superconducting nanowire relaxation oscillators linked together in a superconducting loop used to simulate ion transportation of sodium-potassium pump. Inset shows experimentally measured oscillations from an isolated relaxation oscillator [36]

5 總結(jié)

超導(dǎo)納米線三端子器件從提出至今，已經(jīng)在多個領(lǐng)域發(fā)揮作用。雖然取得了一些突破性的成果，但器件潛在的性能優(yōu)勢還遠(yuǎn)沒有達(dá)到極限，尤其是制約它們工作速度和功耗的相關(guān)物理機(jī)制亟待探索和繼續(xù)突破。進(jìn)一步地，超導(dǎo)納米線三端子器件的發(fā)展趨勢也將走向大規(guī)模集成化的道路，但針對這一領(lǐng)域的研究還停留在初始階段，需要在工藝平臺建設(shè)、EDA軟件、測試標(biāo)準(zhǔn)等多方面共同努力。隨著未來研究的進(jìn)一步深入，必然會有力的推動超導(dǎo)納米線三端子器件和多學(xué)科交叉融合發(fā)展，發(fā)揮超導(dǎo)電子器件的應(yīng)用價值。此外，最新研究發(fā)表了基于電場調(diào)控的超導(dǎo)三端子器件[41-45]，但由于其微觀工作機(jī)理目前尚處于探索階段，門控電壓較高，本文暫不進(jìn)行討論。我們相信，隨著對超導(dǎo)納米線的深入研究，還會有更多新型的超導(dǎo)納米線三端子器件被開發(fā)和應(yīng)用。