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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine neue Logikfamilie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
eine Logikfamilie, die Zweiklemmen-Chalkogenidschalter als Logikgatter
verwendet.
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Hintergrund der Erfindung
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Auf dem Gebiet elektronischer Rechner,
das ständig
nach Verbesserungen bei der Arbeitsgeschwindigkeit und -leistung
strebt, erreichen die in den meisten elektronischen Rechnern verwendeten Silicium-Halbleiteranordnungen
allmählich
die Grenze bei der Arbeitsgeschwindigkeit und der Größe und Packungsdichte
der Elemente. Rechnerkonstrukteure achten stets auf eine Verkürzung der
Schaltzeit von Schaltkreisen und eine Erhöhung ihrer Packungsdichte,
um die Ausführung
der höchstmöglichen
Anzahl von Schaltoperationen je Zeiteinheit zu ermöglichen
und außerdem
den von den Schaltkreisen eingenommenen Platz zu verringern. Josephson-Elemente
haben in der Vergangenheit als ein potentieller Durchbruch hin zur
Erfüllung
dieser Forderungen große
Aufmerksamkeit erregt, und daher sind Logikschaltungen, die diese
Elemente verwenden, intensiv untersucht worden.
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Die Verwendung von Josephson-Übergängen als
elektronische Schaltungselemente wurde erst nach 1962 möglich, als
der Josephson-Effekt entdeckt wurde. Damals hatten die einzigen
bekannten supraleitenden Materialien so niedrige kritische Temperaturen
(d. h. Temperaturen, unterhalb denen das Material supraleitend wird),
dass eine Schaltung, die Josephson-Übergangselemente verwendet,
eine flüssige
Heliumquelle benötigte,
um die erforderliche niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten. Seitdem
haben zwar die Verbesserungen in der Tieftemperaturtechnik und die
Entdeckung von supraleitenden Materialien mit einem hohen Tc-Wert diese Beschränkungen weniger schwerwiegend
werden lassen, aber andere praktische Erwägungen stehen der Kommerzialisierung
supraleitenden Logikschaltungen noch immer im Wege.
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Josephson-Übergänge sind sehr ungewöhnliche
nichtlineare Schaltelemente, die zum Entwerfen von Schaltungen mit
vielen interessanten Eigenschaften verwendet werden können. Die
Hauptvorzüge
dieser Übergänge sollen
ihr geringer Energiebedarf und ihre hohen Arbeitsgeschwindigkeiten
gegenüber
herkömmlichen
nichtlinearen Schaltelementen sein. Das heißt, das Josephson-Element weist schnelle
Schaltoperationen bei niedrigem Leistungsverbrauch und hoher Empfindlichkeit
entsprechend dem Josephson-Effekt auf, der in einem supraleitenden
Zustand bei sehr niedrigen Temperaturen entsteht. Daher hat das
Josephson-Element in der Vergangenheit Anlass zu Erwartungen zur
Realisierung von superschnellen Rechnern gegeben.
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Das Josephson-Element weist in seinem Grundaufbau
zwei durch eine dünne
Isolierschicht (Josephson-Tunnelübergang)
miteinander verbundene Supraleiter auf, wie sie für das Josephson-Element
mit Tunnelübergang
typisch sind. Wenn bei diesem Aufbau der dem Übergang zugeführte Strom größer als
der kritische Strom des Übergangs
ist, wird das Element vom Nullspannungszustand in den Spannungszustand
gebracht (eine Schaltoperation). Das heißt, die Funktion des Elements
beruht auf dem Vorhandensein von zwei Zuständen für das Gatter (Josephson-Übergang)
und dem Umstand, dass das Gatter mittels eines Magnetfelds oder
angelegten Stroms von einem Zustand in den anderen geschaltet werden
kann. Einer dieser Zustände
ist ein Paartunnelzustand des Übergangs,
in dem Strom ohne Spannungsabfall durch den Sperrbereich fließen kann.
Der andere Zustand ist ein Einzelteilchen-Tunnelzustand, in dem
der Strom mit einer Spannung über
dem Übergang,
die gleich 2 Delta ist, fließt,
wobei Delta die Energielücke
des Halbleiters ist. Bei Zinn beträgt 2 Delta bei 1,7 K etwa 1
mV. Der Übergang
von einem Zustand in den anderen kann durch Überschreiten des kritischen
Stroms für
den Josephson-Übergang
herbeigeführt
werden. Der kritische Strom IJ ist als der
größte Nullspannungsstrom,
den der Übergang
führen
kann, definiert. Daher sind die Strom-Spannungs-Kennlinien so, dass die Spannung über dem Übergang
so lange bei Null bleibt, bis der Strom einen kritischen Wert erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt springt die Spannung über dem Element auf einen finiten
Wert und ändert
sich anschließend
langsam mit dem weiteren Anstieg des Stroms. Der kritische Stromwert
hängt von
dem an das Josephson-Element angelegten Magnetfeld ab.
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Die US-Patente Nr. 3.626.391, 3.281.609, 3.758.795,
3.825.906 und andere beschreiben das Konzept der Nutzung eines Josephson-Übergangs für Josephson-Schaltungsanordnungen,
wie beispielsweise eine Speicherzelle, ein Logikgatter oder ein
Schieberegister.
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Es gibt zwei Grundarten von Josephson-Logikgattern:
Strominjektionsgatier und magnetisch gesteuerte Gatter. Alle modernen
integrierten Josephson-Schaltungen nutzen eine oder beide dieser
Gatterarten. Die schnellsten Logikgatter nutzen eine Kombination
aus beiden. Alie diese Arten von integrierten Josephson-Schaltungen
haben jedoch die nachstehend beschriebenen Nachteile.
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Herkömmliche supraleitende Logikschaltungen
werden vom Eingangssystem grob in die Magnetkopplungs- und die Strominjektionsschaltung
eingeteilt. Bei einer supraleitenden Magnetkopplungs-Logikschaltung
wird ein Eingangssignal magnetisch mit einer Schleife mit einem
Josephson-Übergang
und einer Josephson-Induktivität
gekoppelt, und logische Operationen werden durch Transformation
des Josephson-Übergangs
in den Nichtnullspannungszustand durchgeführt, wie im US-Patent Nr. 3.978.351
gezeigt. In diesem Beispiel bilden der Josephson-Übergang
und die Induktivität ein
Magnetfluss-Quanteninterferometer,
und das Produkt aus der Induktivität L und dem kritischen Strom
IJ des Josephson-Übergangs wird so gewählt, dass
es nahe an einem Magnetflussquantum liegt. Daher ist, wenn der kritische
Strom IJ wegen des Energieverbrauchs klein
gehalten wird, eine große
Induktivität
L erforderlich, die die Realisierung einer kompakten Schaltung erschwert
und die Arbeitsgeschwindigkeit senkt. Wenn umgekehrt die Induktivität L verringert wird,
um eine höhere
Arbeitsgeschwindigkeit zu erzielen, wird der Wert des kritischen Stroms
IJ größer und
der Energieverbrauch steigt. Außerdem
ist die Schaltung dem Einfluss von äußerem magnetischen Rauschen,
Streu-Induktivität
usw. unterworfen, was zu extremen Schwankungen und instabilem Betrieb
führt.
Eine solche Schaltung ist auch insofern mangelhaft, als gleichmäßiges und
effizientes Verbinden mehrerer Eingangsdrähte baulich schwierig ist.
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Eine supraleitende Strominjektions-Logikschaltung
ist insofern eine Verbesserung, als sie kein Magnetfluss-Quanteninterferometer
verwendet. Bei einer supraleitenden Strominjektions-Logikschaltung wird
Strom direkt in den Josephson-Übergang
zum Umschalten in den Nichtnullspannungszustand eingespeist, um
logische Operationen auszuführen. Eine
herkömmliche
supraleitende Strominjektions-Logikschaltung, die kein Magnetfluss-Quanteninterferometer
verwendet, ist in IEDM „Josephson
Direct Coupled Logic (DCL)" („Direktgekoppelte
Josephson-Logik (DCL)")
(1492, 12), IBM, beschrieben. Bei diesem Beispiel sind die Mängel der
supraleitenden Magnetkopplungs-Logikschaltung, die ein Magnetfluss-Quanteninterferometer
verwendet, überwunden.
Der Schwellwert für
das Bestimmen der Empfindlichkeit wird jedoch allein durch das Schalten des
Nichtnullspannungszustands eines einzelnen Josephson-Übergangs
bestimmt, sodass nur eine Stromverstärkung von maximal 1 erhalten
werden kann. Obwohl es vorteilhaft ist, die Schaltung als Schalter
einzusetzen, ist es daher schwierig, sie für verschiedene Arten von Logikschaltungen
zu verwenden.
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In einem Artikel mit dem Titel „Threshold
Logic" („Schwellwertlogik") von Daniel Hampel
und Robert Widner, veröffentlicht
in IEEE Spectrum, Mai 1971, S. 32–39, sind Schwellwert-Logikgatter
und Mittel zum Implementieren solcher Gatter bei hochintegrierten
Schaltkreisen beschrieben. Wie in dem Artikel dargelegt, haben Schwellwert-Logikgatter
eine höhere
logische Leistung als normale Boolesche Logikgatter wie UND-, ODER-,
NICHT-ODER-Gatter. Grundsätzlich empfängt ein
Schwellwert-Logikgatter N logische Eingangssignale, gewichtet die
N Eingangssignale entweder gleich oder belegt sie mit ungleichen
Gewichten, summiert die gewichteten Eingangssignale und stellt ein
logisches Ausgangssignal bereit, wenn die Summe größer als
ein Schwellwert-Gewichtsfaktor oder gleich diesem ist.
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Herkömmliche Schwellwertlogik wird
durch Verwenden der Stromquellen und eines Schwellwertdetektors
oder der vorstehend beschriebenen Magnetfluss-Summierungsverfahren implementiert. Stromsummierungs-
und Magnetflusssummierungsverfahren erfordern Präzision beim Erzeugen des Analogwerts,
der mit dem Schwellwert verglichen wird. Präzision ist auch erforderlich,
wenn Josephson-Elemente
verwendet werden. Die Quelle der Analogpräzision ist bei den Josephson-Elementen die vorstehend
als Delta bezeichnete Spannung. Der Parameter Delta ist im Wesentlichen
die Lücke
im Energiespektrum der Leitungselektronen des Supraleiters, die
als Materialkonstante angesehen wird und es an sich auch ist.
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Logikschaltungen, die Josephson- Übergänge verwenden,
haben außer
den vorstehend erörterten
Nachteilen noch weitere. Beispielsweise haben einige Verknüpfungsschaltungen
bei der Josephson-Übergangstechnik
den starken Nachteil, dass sie sich nicht automatisch zurücksetzen,
sodass sie zusätzliche
Schalter für
ihre Rücksetzung
erfordern. Obwohl das kein technisches Problem darstellen würde, dürfte die
Wirtschaftlichkeit eines Geräts,
das die dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden Verknüpfungsschaltungen
verwendet, über
lange Zykluszeiten beträchtlich
leiden. Ein weiterer Nachteil ist das Problem der Beseitigung des Übersprechens zwischen
Josephson-Elementen
in Josephson-Logikanordnungen, was auf Stromtransienten beim Schalten
eines Elements zurückzuführen ist.
Außerdem
ist bekannt, dass die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Josephson-Tunnelübergangselements
einen instabilen Bereich bei niedrigen Spannungen hat. Wenn man
versucht, das Element in dem instabilen Bereich vorzuspannen, springt
sein Arbeitspunkt zwischen dem Suprastromzustand (V = 0) und dem
finiten Spannungszustand (V ungleich 0, normalerweise V = 2 Delta,
die Lückenspannung
des Supraleiters) zurück
und vor. Dieses Problem ist als Relaxationsschwingung bekannt.
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Somit ist das herkömmliche
Josephson-Element bisher nicht in der Lage gewesen, gleichzeitig drei
Bedingungen zu erfüllen,
d. h. (1) die Verringerung der Größe des Elements, die integrierte
Schaltungen mit hoher Dichte ermöglicht,
(2) die hohe Empfindlichkeit, die zu einem breiten Betriebsbereich führt, und
(3) perfekte Trennung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalströmen in dem
Element. Die drei Bedingungen sind für die Komponenten von künftigen
elektronischen Rechnern unbedingt notwendig, um einen stabilen,
sehr schnellen Logikschaltungsbetrieb zu erreichen.
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Ein weiterer Nachteil der Josephson-Übergangstechnik
ist die hohe Anzahl von Bearbeitungsschritten, die zur Herstellung
der Elemente erforderlich sind. Ein Hauptfaktor, der die Leistungsfähigkeit der
Prozesse für
integrierte Schaltungen und die damit einhergehende Ausbeute von
integrierten Schaltungen bestimmt, ist die Anzahl der diesen Prozess umfassenden
Schritte. Wenn ein Prozess beispielsweise aus zwölf Schritten besteht und die
erwartete Ausbeute für
jeden Schritt neunzig Prozent beträgt, dann beläuft sich
die Ausbeute von funktionsfähigen Elementen
am Ende des zwölf
Schritte umfassenden Prozesses 0,912 oder
etwa 28 %. Wenn der Prozess jedoch aus acht Schritten besteht und
jeder Schritt eine wahrscheinliche Ausbeute von neunzig Prozent hat,
beträgt
die Endausbeute für
den acht Schritte umfassenden Prozess 0,98 oder
43 %. Somit wird durch Eliminieren von Schritten eine Verbesserung der
Ausbeute ohne eine Verbesserung der Qualität der Bearbeitung erreicht.
Außerdem
führt eine
hohe Anzahl von Bearbeitungsschritten zu Problemen bei der Haftung,
Schrittabdeckung und Beschädigung von
bereits abgeschiedenen Schichten. Je länger der Herstellungsablauf,
umso niedriger ist der Durchsatz von Elementen im Prozess.
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Die Herstellung von integrierten
Josephson-Übergangs-Logikschaltungen
umfasst etwa 12 Abscheidungsschritte, 12 Photoresist-Schritte, einen Anodisierungsschritt
und einen Sperrschichtherstellungsschritt. Normalerweise umfasst
der Prozess die Abscheidung von vier supraleitenden Schichten, nämlich der
Masseebene, der unteren Josephson Elektrode, der Josephson-Gegenelektrode
und der Steuerleitungen. Schaltverbindungen, Interferometerschleifen
und andere Schaltelemente werden aus den letzten drei Schichten
hergestellt. Jede supraleitende Schicht ist von einer benachbarten
supraleitenden Schicht durch eine Isolierschicht getrennt, die so strukturiert
ist, dass Verbindungskontakte entstehen, die die benötigten elektrischen
Verbindungen zwischen Schichten herstellen. Die Abscheidung von Widerständen, von
weiteren Isolierschichten für
eine höhere
Induktivität
und von Passivierungsschichten und die Anodisierung sind Schritte,
die zur Fertigstellung der Schaltung verwendet werden. Es ist bekannt,
dass mindestens neun einzelne Dünnschicht- und
Strukturierungsschritte in diesem Prozess erforderlich sind. Daher
ist eine Verringerung der Anzahl der Verarbeitungsschritte, die
zur Herstellung der Logikschaltungen erforderlich sind, wünschenswert.
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Eine Schaltungstechnik, die der Josephson-Übergangstechnik ähnlich ist
und die seit 30 Jahren verwendet wird, ist der Ovonic-Schwellwertschalter.
Dieses Element startet im. „Aus"- oder nichtleitenden
Zustand und benötigt
zum Einschalten eine kritische Spannung. Seine Strom-Spannungs-Kennlinie
sieht wie die des Josephson-Übergangs
aus, aber die Strom- und Spannungsachsen sind transponiert. Seine
Schaltgeschwindigkeit wird wie die des Josephson-Übergangs
von der Kapazität
des Elements begrenzt, aber da das Element dicker ist, hat es bei
einer gegebenen Lithographie eine niedrigere Kapazität. Außerdem schneidet
das Geschwindigkeits-/Leistungspotential des Ovonic-Schwellwertschalters
gegenüber
den Silicium- und Galliumarsenid-Techniken sowie den praktischen
Implementierungen der Josephson-Logik vergleichsweise günstig ab.
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US-A-4.782.340 beschreibt vollintegrierte elektronische
Dünnschicht-Anordnungen
mit Dünnschicht-Leitungstreiberschaltungen,
und es sind Adressendecodierungsschaltungen beschrieben. Jeder Leitungstreiber
verwendet ein Zweiklemmen-Dünnschichtchalkogenid-Ovonic-Schwellwertschaltelement,
das einen Betrieb mit hoher Geschwindigkeit und hohem Strom ermöglicht.
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Jetzt, wo das Ende der dramatischen
Dichtezunahmen in der Siliciumtechnik bevorsteht, muss wegen des
echten Bedarfs an moderner Logik eine bessere Zukunftstechnik gefunden
werden, die die Siliciumtransistoren ersetzen kann.
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Daher ist es das Ziel dieser Erfindung,
eine neue Logikfamilie zu definieren, die Chalkogenid-Ovonic-Schwellwertschalter
als Logikgatter verwendet.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung definiert
eine Logikfamilie, die mehrere Zweiklemmen-Chalkogenidschaltern als Logikgatter
verwendet. Vorzugsweise sind die Zweiklemmen-Chalkogenidschalter Chalkogenid-Schwellwertschalter.
Die Logik kann eine Mehrphasen-Taktgabe,
wie etwa eine Vierphasen-Taktgabe, verwenden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
die Leistungszyklen eines Vierphasen-Taktzyklus zum Einrichten einer
Zweiklemmenlogik, und insbesondere ist ein Vierphasen-Taktzyklus
dargestellt, bei dem jede nachfolgende Taktwelle gegenüber der
vorhergehenden Taktwelle um 90 Grad phasenverschoben ist.
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2 zeigt
die Art und Weise, in der durch die Vierphasen-Taktgabe das logische
Ausgangssignal einer Logikschaltung zur nächsten Logikschaltung in einer
Logikkette gesendet werden kann, ohne andere Logikschaltungen in
der Logikkette zu beeinträchtigen.
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3 zeigt
einen invertierenden Puffer mit einem einzigen Eingang, der das
Eingangssignal invertiert und das verstärkte invertierte Signal als
Ausgangssignal bereitstellt.
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4 zeigt
eine Logikschaltung mit mehreren Eingängen, die eine logische Operation
unter Verwendung von Zweiklemmen-Chalkogenidschaltern ausführt und
außerdem
eine Inversion und Verstärkung
durchführt.
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5 zeigt
einen nichtinvertierenden Puffer, der dadurch entsteht, dass zwei
der Umkehrschaltungen von 3 so
miteinander verbunden werden, dass das Ausgangssignal des ersten
Inverters dem Eingang des zweiten Inverters zugeführt wird,
wobei unter Verwendung dieser Konfiguration das Eingangssignal weitgehend
durch die gesamte Schaltung geleitet wird und nur seine Leistung
verstärkt wird.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Es wird eine Logikfamilie als Gruppe
aller möglichen
Logikschaltungen definiert, die unter Verwendung eines bestimmten
Logikgatters oder Schaltelements hergestellt werden können. Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Logikfamilie entwickelt,
die auf Zweiklemmen-Chalkogenidschaltern beruht. Die Materialien
und Prozesse für
die Konstruktion dieser Schalter und ihre elektronischen Eigenschaften
sind auf dem Fachgebiet bekannt und werden als solche hier nicht
wiederholt.
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Eine Logikfamilie muss mehrere grundlegende
Anforderungen erfüllen,
die für
ihren Einsatz in Rechnern notwendig sind. Die wichtigste Anforderung
ist die Fähigkeit,
eine binäre
Eins in eine binäre Null
und umgekehrt umzuwandeln. Diese Fähigkeit ist als Inversion bekannt.
Die zweitwichtigste Anforderung ist die Fähigkeit, eine logische Operation durchzuführen. Übliche logische
Operationen sind UND, ODER, NICHT-UND, NICHT-ODER usw. Es gibt zwar
noch andere Operationen, aber diese Operationen dürften genügen. Die
dritte Hauptanforderung ist, dass die Logikfamilie die Fähigkeit
haben muss, eine Verstärkung
zu erzeugen. Das heißt,
der Ausgang der Logikschaltung muss die Fähigkeit haben, Eingangssignale
für mehr
als eine weitere Schaltung gleichzeitig bereitzustellen. Schließlich müssen, wenn
das Logikgatter oder Schaltelement verriegelbar ist (d. h. das Element
schaltet sich nicht automatisch aus, sondern muss ausgeschaltet
werden), Mittel zum Rücksetzen
des Gatters/Schalters für
nachfolgende Schalter vorgesehen werden. Wenn alle Anforderungen
erfüllt
sind, kann ein Gatter/Schalter und die von diesem abgeleitete Logikfamilie
als Rechnerlogik verwendet werden.
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Dies sind zwar die einzigen technischen
Anforderungen an eine Logikfamilie, aber es gibt weitere wichtige
Konstruktionskriterien, die an das Gatter-/Schaltelement zum Zwecke
der praktischen Implementierung zu stellen sind. Erstens ist zu
beachten, dass die Schaltgeschwindigkeit des Gatters/Schalters direkt
in Beziehung zur Geschwindigkeit des Rechners steht: Je höher die
Schaltgeschwindigkeit des Gatters/Schalters, umso schneller kann
der Rechner sein. Zweitens bestimmt die Größe des Elements direkt die
größtmögliche Dichte
der Schaltungsanordnung. Auch muss die von dem Element umgewandelte
Energie beim Entwerfen der Schaltung berücksichtigt werden, sodass die
erzeugte Wärmeenergie
entsprechend abgeführt
werden kann. Außerdem
müssen
die Logikschaltungen ziemlich rauschbeständig sein. Das heißt, die
Rauschunempfindlichkeit des Gatters/Schalters muss so hoch sein,
dass keine Falschsignale in das System gelangen. Schließlich sind
die Herstellungskosten (d. h. die Kosten für Rohstoffe, Herstellung, Labor
usw.) eine weitere Beschränkung
für die
praktische Implementierung einer neuen Logikfamilie.
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Die vorliegende Logikfamilie, die
auf Zweiklemmen-Chalkogenidschaltern beruht, erfüllt alle technischen Anforderungen
sowie alle Konstruktionsanforderungen.
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Zunächst wollen wir die technischen
Beschränkungen
einer Logikfamilie gegenüber
den Fähigkeiten
der Schwellwertschalter-Logikfamilie der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die Figuren erörtern.
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Eine der vorgenannten technischen
Anforderungen ist die Verriegelbarkeit eines Gatters/Schalters.
Ein Zweiklemmen-Chalkogenid-Schwellwertschalter wie der Ovonic-Schwellwertschalter
(OTS) ist verriegelbar. Das heißt,
wenn sein Spannungsgrenzwert erreicht ist, schaltet sich der OTS
ein und Strom kann hindurchfließen.
Wenn der OTS einmal eingeschaltet ist, bleibt er so lange eingeschaltet,
bis der durch ihn fließende
Strom unter einen kritischen Wert fällt, der als Haltestrom bekannt
ist.
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Daher muss, um zu gewährleisten,
dass sich die Logikgatter/OTSs der erfindungsgemäßen Logikfamilie ausschalten,
wenn es erforderlich ist, d er durchfließende Strom unterbrochen werden.
Um das zu erreichen, haben sich die Erfinder der vorliegenden Erfindung
einem Vierphasen-Taktsystem zugewendet. 1 zeigt die Leistungssignale für ein Vierphasen-Taktsystem.
Es ist zu erkennen, dass die vier Stufen des Taktsystems um jeweils
90 Grad gegenüber
der vorhergehenden Stufe phasenverschoben sind. Dieses Vierphasen-Taktsystem
ermöglicht
eine entsprechende Übertragung
von Daten von einer Logikschaltung zur nächsten. Um eine Vorstellung
davon zu erhalten, wie das erreicht wird, sehen Sie sich das in 2 gezeigte Ablaufdiagramm
an. Der Taktzyklus ist an einem Punkt, an dem die Takte der Stufe 0
und der Stufe 1 mit Strom versorgt werden und die Takte der Stufen
3 und 4 nicht mit Strom versorgt werden. An diesem Punkt hat die
Logikschaltung, die vom Takt 0 gespeist wird, ihre logische Funktion
ausgeführt
und sendet ihr Ausgangssignal an die nächste(n) Logikschaltungen)
auf ihrem logischen Pfad, die vom Takt der Stufe 1 mit Strom versorgt
werden. Daher sagt man, dass die Logikschaltungen, die vom Takt
der Stufe 1 mit Strom versorgt werden, „eingestellt werden". Es ist zu beachten,
dass, da die Takte der Stufen 2 und 3 während dieser Zeit nicht mit Strom
versorgt werden, die Logikschaltungen und ihre OTSs geschlossen
sind und keine Informationen in diese oder aus diesen Schaltungen
gelangen (was zur Erreichung der Rauschimmunität beiträgt). Wenn die Logikschaltungen
des Takts der Stufe 1 eingestellt sind, wird der Takt der Stufe
0 abgeschaltet und der Takt der Stufe 2 wird eingeschaltet. Jetzt
wird das logische Ausgangssignal der Logikschaltungen des Takts
der Stufe 1 an die Logikschaltungen des Takts der Stufe 2 gesendet.
Dann wird der Takt der Stufe 1 abgeschaltet und der Takt der Stufe
3 wird eingeschaltet. Der Zyklus wird dann durch Abschalten des Takts
der Stufe 2 und Wiedereinschalten des Takts der Stufe 0 beendet.
Obwohl 1 eine Vierphasen-Taktgabe
mit gleicher Ein- und Aus-Dauer (d. h. mit einem 50-%-Arbeitszyklus)
zeigt, wobei jede Phase gegenüber
dem vorhergehenden Takt um 90 Grad phasenverschoben ist, gibt es
viele weitere Möglichkeiten,
die Vierphasen-Taktgabe zu implementieren. Die Vierphasen-Taktgabe ist auf
dem Gebiet der Zweiklemmenlogik bekannt und wird von W. F. Chow in „Principles
of Tunnel Diode Circuits" („Grundsätze der
Tunneldiodenschaltungen"),
John Wiley & Sons, Inc.,
1964, S. 253–254,
beschrieben.
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Eine weitere der technischen Anforderungen ist
die Fähigkeit,
eine binäre
Eins in eine binäre
Null und umgekehrt umzuwandeln. Das ist als Inversion bekannt. 3 zeigt eine Schaltung,
die der erfindungsgemäßen Logikfamilie
Inversionsfähigkeit
verleiht. Diese Schaltung kann man sich auch als einen invertierenden
Puffer vorstellen, da das Signal nur invertiert und an die nächste Schaltung
gesendet wird, ohne dass eine logische Operation daran ausgeführt worden
ist. Die Schaltung weist zwei OTSs OTS1 und OTS2 auf, die in Reihe
geschaltet sind. Eine Dateneingabestelle A ist mit einem Eingangswiderstand R1
verbunden, der wiederum zwischen die beiden OTSs geschaltet ist.
Das Stromversorgungs-Taktsignal
wird an der Klemme CLK des OTS1 eingegeben, die sich gegenüber dem
Anschlusspunkt von R1, OTS1 und OTS2 befindet. Die Klemme des zweiten Schalters
OTS2, die sich gegenüber
der des Anschlusspunkts R1/OTS1/OTS2 befindet, ist über einen
Widerstand R3 an Erde (GND) gelegt. Zwischen den zweiten Schalter
OTS2 und den Widerstand R3 ist eine Datenausgabestelle geschaltet.
In der Regel ist der Wert des Widerstands R1 viel größer als
der Wert des Widerstands R3. Während
des Betriebs dieser Schaltung ist der Takt High, d. h. die Schaltung wird
mit Strom versorgt und das Potential bei CLK ist High. Wenn daher
das Eingangssignal bei A ebenfalls High ist, ist das Potential über OTS1
nicht groß genug,
um ein Umschalten des Schalters zu bewirken, d. h. um seinen Spannungsgrenzwert
zu überschreiten.
Auch das Potential über
OTS2 ist nicht groß genug,
um ein Umschalten des Schalters zu bewirken. Daher ist das Potential
des Ausgangssignals bei OT Low. Wenn umgekehrt das Eingangssignal bei
A Low ist, ist das Potential über
OTS1 groß genug,
um seinen Schwellwert zu überschreiten,
und die Impedanz des Schalters sinkt. Dadurch entsteht dann ein
Potential über
OTS2, das so groß ist,
dass sich der Schalter umschalten kann, und das Potential des Ausgangssignals
wird auf High gebracht.
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Eine weitere technische Anforderung
an eine Logikfamilie ist die Fähigkeit,
eine logische Operation auszuführen. 4 zeigt eine Schaltung in
der erfindungsgemäßen Logikfamilie,
die diese Anforderung erfüllt.
Die Schaltung ist grundsätzlich
die gleiche Schaltung wie die Umkehrschaltung von 3, mit der Ausnahme, dass es einen weiteren
Eingang B mit dem zugehörigen
Eingangswiderstand gibt. Es gibt somit zwei Eingänge A und B, die jeweils ihren
eigenen Eingangswiderstand R1 bzw. R2 haben. Der Erdwiderstand in
dieser Schaltung ist mit R3 bezeichnet. Wie bei der Umkehrschaltung
sind die Widerstandswerte der Widerstände R1 und R2 viel größer als
der Widerstandswert des Erdwiderstands R3. Diese Schaltung funktioniert
fast in der gleichen Weise wie die Umkehrschaltung von 3, wobei der Hauptunterschied
darin besteht, dass es jetzt zwei Eingänge gibt und an den Eingängen eine
logische Operation ausgeführt
wird. Auch hier ist während
des Betriebs dieser Schaltung das Potential bei CLK High. Wenn das
Eingangssignal bei A oder B High ist oder das Eingangssignal bei
A und B High ist, schaltet sich der OTS1 nicht um. Daher schaltet
sich auch der OTS2 nicht um und das Ausgangssignal ist Low. Wenn
jedoch das Eingangssignal bei A und B Low ist, schaltet sich der
OTS1 um. Dadurch wird das Potential über dem OTS2 High, was bewirkt,
dass er sich umschaltet und das Ausgangssignal bei OUT auf High gebracht
wird.
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Somit handelt es sich hier je nach
der verwendeten Nomenklatur um ein NICHT-ODER- oder ein NICHT-UND-Gatter. Das
heißt,
wenn ein Low-Potential eine logische 0 und ein High-Potential eine
logische 1 ist, funktioniert die Schaltung als NICHT-ODER-Gatter.
Wenn umgekehrt ein Low-Potential eine 1 und ein High-Potential eine
0 ist, funktioniert die Schaltung als NICHT-UND-Gatter.
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Ein letztes Beispiel für eine Logikschaltung aus
der erfindungsgemäßen Logikfamilie
ist der nichtinvertierende Puffer, der in 5 gezeigt ist. Dieser Puffer besteht
im Wesentlichen aus zwei invertierenden Puffern, die so verbunden
sind, dass das Ausgangssignal des ersten Inverters zum Eingang des
zweiten Inverters gesendet wird. Somit wird das Signal in einem
einzigen Taktzyklus invertiert und re-invertiert. Dadurch wird das
Signal weitgehend unverändert
durch diese Schaltung geleitet. Auch hier sind die Widerstandswerte
der Eingangswiderstände R1
und R2 viel größer als
die Widerstandswerte der Erdwiderstände R3 und R4.
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Die letzte technische Anforderung
besteht darin, dass die Logikfamilie die Fähigkeit haben muss, eine Verstärkung zu
erzeugen. Die vorstehend beschriebenen Schaltungen erzeugen von
Natur aus eine Verstärkung.
Das heißt,
das Ausgangssignal bei OUT bei jeder der vorgenannten Schaltungen
wird fast auf das Potential des Taktstromversorgungssignals, d.
h. das Potential bei CLK, mit einer wesentlich niedrigeren Impedanz
als die Eingangsimpedanz gebracht. Daher ist keine spezielle zusätzliche
Verstärkungs-Schaltungsanordnung
erforderlich.
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Somit sind alle grundlegenden Anforderungen
an eine Logikfamilie erfüllt
worden. Obwohl die vorliegende Beschreibung spezielle Schaltungen vorgestellt
hat, die zu der erfindungsgemäßen Logikfamilie
gehören,
sind diese nur exemplarisch und sollen nicht den Schutzumfang der
Erfindung beschränken.
Fachleute dürften
erkennen, dass es eine Vielzahl weiterer Schaltungen in der erfindungsgemäßen Logikfamilie
gibt, die entworfen werden können,
um ähnliche
Aufgaben wie die hier beschriebenen auszuführen.
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Nun zu dem Konstruktionskriterium,
das an das Gatter/Schaltelement zum Zwecke der praktischen Iplementierung
gestellt werden muss. Zunächst
sei darauf hingewiesen, dass die Schaltgeschwindigkeit von Chalkogenid-Schwellwertschaltern
so zugeschnitten werden kann, dass sie viel höher als die praktischen. Implementierungen
aller bekannten Schaltelemente ist. Außerdem kann die Größe des OTS-Elements
viel kleiner als bei zurzeit verwendeten herkömmlichen Schaltelementen sein. Auch
ist die von dem OTS-Element verbrauchte Leistung sehr gering, da
die Leistung direkt zur Größe der Elemente
in Beziehung steht und der OTS sehr klein gehalten werden kann.
Außerdem
ist der OTS nicht gegen kleinere Spannungsschwankungen oder äußere Magnetfelder
empfindlich, was ihn ziemlich rauschbeständig macht. Schließlich sind
die Kosten für
die Herstellung der OTS-Elemente
weit niedriger als für
andere Techniken, die in Gebrauch sind.
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Obwohl die Erfindung in Verbindung
mit bevorzugten Ausführungsformen
und Verfahren beschrieben worden ist, soll die Erfindung nicht auf
die beschriebenen Ausführungsformen
und Verfahren beschränkt
werden.