КРИОТРОН

— сверхпроводниковое устройство, сопротивление управляемого элемента которого изменяется в зависимости от величины управляющего магнитного поля. Используется как один из криогенных элементов вычислительной техники. Первоначально (с 1955) К. выполнялся в виде проволочной конструкции, состоящей, напр., из танталового стержня, являющегося вентилем, и обмотки на нем, изготовленной, напр., из ниобиевой проволоки и выполняющей ф-ции затвора. С 1957 применяются пленочные К. (рис. 1), представляющие собой разделенные изоляцией пересекающиеся пленки — вентиль (а) и затвор (б), находящиеся над экраном (в), улучшающим прямоугольность переключательной характеристики К. и увеличивающим его быстродействие. Используются преимущественно К. пленочные; проволочные — только как средство для моделирования новых криотронных устр-в. В туннельном К. с помощью тока в пленочном затворе осуществляется подавление туннельного эффекта между двумя другими пленками. Туннельные К. перспективны благодаря их высокому быстродействию (время переключения — пикосекунды), малым рабочим токам (единицы ), малой выделяемой мощности (менее 10-16 дж на переключение), высокой степени миниатюризации и интеграции, во сложвы в изготовлении.

К. можно использовать для построения самых разнообразных схем, применяемых в вычисл. технике: логических — переключателей, дешифраторов, сумматоров комбинационных и т. д.; запоминающих — элементарных ячеек адресного и ассоциативного ЗУ, триггеров, регистров, накапливающих счетчиков; усилителей малых сигналов, формирователей выходных и управляющих сигналов; измерительных и преобразовательных схем; примыкающих к вычисл. системам датчиков магнитного поля и низких температур, генераторов и преобразователей частоты и т. п.

(рис. см. скан)

1. Конструкция (вверху) и условное обозначение (внизу) криотрона.

2. Примеры логических элементов «И», «ИЛИ» и «НЕ» на криотронах.

3. Схемы комбинационного сумматора (а) и дешифратора (б) на криотронах: А и В — слагаемые; перенос из предыдущего разряда; перенос в следующий разряд; — сумма.

4. Схема персисторного контура (а) и токовые диаграммы (б) в нем.

5. Схема ассоциативного запоминающего элемента на криотронах.

Чрезвычайно простой по конструкции, К. обладает переключательными характеристиками, аналогичными характеристикам электронных ламп или полупроводниковых приборов. Форму этих характеристик можно изменять, меняя детали конструкции К. или соотношение между размерами вентиля и затвора. Напр., К. со сверхпроводящим экраном под вентилем имеет ступенчатую переключательную характеристику, необходимую для схем релейного типа и формирователей, а К. без экрана — линейную характеристику, необходимую для усилительных, преобразовательных и измерительных схем. Изменяя отношение ширины вентиля К. к ширине его затвора, можно менять коэффициент усиления. Можно управлять коэффициентом усиления посредством дополнительного магнитного поля смещения и т. д.

На основе К. обычно реализуют ф-ции двузначной логики. При построении двузначных логических элементов двум значениям логич. переменных соответствуют такие два режима работы К.: сопротивление вентиля отсутствует (состояние сверхпроводимости) и имеется (состояние сверхпроводимости разрушено). Первое состояние обеспечивается, если ток в затворе отсутствует или величина его меньше критической; второе — когда ток затвора больше критического. Хотя абсолютная величина сопротивления вентиля во втором состоянии очень мала , она превышает сопротивление сверхпроводящего вентиля в бесконечное число раз.

На рис. 2 показаны способы реализации логич. операций и «НЕ» в схемах на основе К. Аналогично можно реализовать и др. функционально полные наборы. В схемах, изображенных на рис. 2, использован принцип вытеснения тока сверхпроводимости из левой ветви контура в правую ветвь, когда сочетанию входных сигналов соответствует единичное значение ф-ции Выходной сигнал в схемах «И» и «ИЛИ» — это ток в правой ветви, который можно использовать как ток затворов К. нагрузки; в схеме «НЕ» — это ток в левой ветви. Специфическая особенность таких элементов состоит в том, что после отключения входных сигналов х и у элементы не возвращаются в исходное состояние, т. е. ток из правой ветви не может спонтанно переключиться в левую. Для возвращения любого из элементов в исходное состояние этот ток можно вытеснить сигналом возврата h с помощью вспомогательного К. Возможен также и другой принцип построения логич. схем, при котором наряду с сигналами переменных используются еще и сигналы их инверсий

На рис. 3 показаны схемы комбинационного сумматора (а) и дешифратора (б) на К., построенные с использованием этого принципа. В 1962 была доказана принципиальная возможность построения ЦВМ целиком из криотронов и обусловлена специфика ее организации,

однако областью применения логич. криотронных элементов пока остаются блоки управления адресного и ассоциативного криотронного ЗУ и сами ячейки адресного и особенно запоминающего устройства ассоциативного.

Для хранения информации в криотронной схеме основным является способ, базирующийся на использовании циркуляции тока сверхпроводимости в замкнутом сверхпроводящем контуре в течение сколь угодно длительного времени. Такой ток наз. персисторным. Запись персисторного тока в контур поясняется рис. 4. Ток записи вначале поступает в правую ветвь, индуктивность которой в несколько раз больше, чем у левой ветви, но ее активное сопротивление всегда равно нулю, а в левой ветви сверхпроводимость в момент записи разрушается током После снятия не происходит перераспределения токов между ветвями, если величина тока меньше собственного критического тока в правой ветви. Но в момент выключения тока электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности правой ветви, перераспределяется по всему контуру, в результате чего в нем замыкается персисторный ток который может существовать до момента запирания К. током . Изображенный на рис. 4, а персисторный контур является основой ячеек запоминающего устройства адресных и ассоциативных устройств. Кроме персисторного контура, в состав этих ячеек вводятся дополнительные К. для адресного управления считыванием и записью информации, а в ассоциативной памяти — еще и для выполнения логич. операций, связанных с ассоциативным поиском — логич. сравнения, наложения запрета (маски) и т. д. На рис. 5 показана схема ассоциативного запоминающего элемента на четырех К. Здесь контур — персисторный. В его ветви производится сравнение записанной информации с признаком опроса, поступающим по шине 1. При несовпадении записанной информации с признаком опроса запирается К. 2. Считывание производится с помощью криотрона 3.

Внедрение устр-в на К. в вычисл. технику сдерживается слабо развитой технологией больших интегральных схем. Такие устр-ва могут представлять практический интерес, если они по своим характеристикам будут значительно превосходить аналогичные устр-ва на некриогенных элементах: напр., если ассоциативные ЗУ будут иметь емкость 106 бит, а адресные — 108 бит и частоту обращения порядка мегагерца. Это станет возможным, когда в одном технологическом цикле будут изготавливаться платы, имеющие сотни тысяч элементов.

Лит.: Кан Я. С., Михайлов Г. А., Рахубовский В. А. Макет ЦВМ на криотронах с программным управлением. «Механизация и автоматизация управления», 1966, № 3; Ченцов Р. А. Криотроника. «Электронная техника. Серия 15. Криогенная электроника», 1969, в. 1; Алфеев В. Н. Криогенная электроника. «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника», 1970, т. 13, № 10; Бремер Дж. Сверхпроводящие устройства. Пер. с англ. М., 1964; Гейндж Р. Криоэлектронное гибридное запоминающее устройство сверхбольшой емкости с произвольной выборкой. «Труды Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике США», 1968, т. 56, № 10.

И. А. Артеменко, И. Д. Войтович,