ИСТИНА

В последние годы прогресс беспроводных и спутниковых средств связи, других телекоммуникационных и радиолокационных систем заметно тормозят трудности с высокоскоростной обработкой данных в широких частотных диапазонах. Для передачи и обработки постоянно растущих объемов информации необходимо использование «прямой оцифровки» сигнала во всём диапазоне принимаемых частот с последующей его обработкой в реальном времени. В частности, это актуально для когнитивных радиотехнических систем, где возможны программным образом реализованные переключения между полосами в сверхшироком диапазоне частот (от условного «нуля» до 100 ГГц), и адаптивная подстройка параметров системы под меняющиеся условия «радиосреды». Проведенный анализ показал необходимость совершенствования элементной базы для практической реализации таких устройств. Необходим поиск новой пост-кремниевой элементной базы, причем новые элементы должны обладать не только сверхвысоким быстродействием (для работы с сигналами на высокой несущей частоте порядка десятков ГГц), но и высокой энергоэффективностью. Ведь именно высокая диссипация энергии (порядка 10-15 Дж на операцию) в традиционных полупроводниковых цифровых устройствах ограничивает предельную степень интеграции и тактовую частоту. С этой точки зрения интересной выглядит перспектива использования сверхпроводниковой цифровой технологии, построенной на основе принципов быстрой одноквантовой логики. Макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках (когерентное состояние электронов в металле) обуславливают отсутствие сопротивление для постоянного тока и возможность «баллистической» передачи радио-сигналов без искажений со субсветовыми скоростями и позволяют создавать логические элементы на основе «нелинейных элементов» – джозефсоновских гетероструктур с характерной энергией переключения между состояниями на уровне 10-19 Дж и тактовой частотой в сотни ГГц. Для увеличения степени интеграции сверхпроводниковых комплексов приема и обработки сигнала в рамках данной работы применялся комплексный подход, включающий использование энергоэффективных схемотехнических решений; компактных стековых структур, в том числе с нормальными (несверхпроводящими) металлами в области слабой связи и магнитными материалами. Именно такие структуры предназначены для реализации быстрой криогенной памяти, которая к тому же при своем функционировании диссипирует крайне мало энергии. Наконец, особое внимание уделяется также использованию возможностей квантовых и нейросетевых сверхпроводниковых блоков обработки сигнала. Важной особенностью работы является сочетание «микроскопического» и «макроскопического» подходов к разработке универсальной сверхпроводниковой энергоэффективной технологии, пригодной для реализации когнитивных широкополосных сверхпроводниковых систем (КШСС) для приема и обработки сигналов с использованием классических, нейросетевых и квантовых алгоритмов. В рамках «микроскопического» подхода из первых принципов определяются характеристики джозефсоновских гетероструктур, особенности токового транспорта. В «макроскопическом» подходе на основе полученных данных в рамках «обобщенной резистивной модели» производится моделирование динамики достаточно сложных многоэлементных систем. Таким образом, в рамках итерационной процедуры разработаны под требования к современным радиотехническим устройствам ключевые новые элементы, ячейки и блоки, при необходимости – с дополнительной оптимизацией их характеристик. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 16-29-09515 офи_м. Аннотация доклада опубликована в сборнике Тезисы докладов. XI Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород, 2019. С. 83-84.