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発明の名称 超伝導電気回路のインターフェース
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−102559
公開日 平成8年(1996)4月16日
出願番号 特願平6−236847
出願日 平成6年(1994)9月30日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】西田 新
発明者 吉井 光良 / 上田 雅弘 / 品田 恵 / 長町 信治
要約 目的
極低温下で使用される超伝導電気回路と、常温下に置かれる常伝導電気回路との間を、極低温部への熱侵入を伴うことなく接続することのできるインターフェースを提供する。

構成
超伝導電気回路側に、その超伝導電気回路の動作温度で動作する電磁波の発信回路並びに受信回路を設ける一方、常伝導電気回路側には、超伝導発信回路からの電磁波を受信する受信回路と、超伝導受信回路に電磁波を送信するための発信回路を設け、超伝導電気回路と常伝導電気回路間の信号授受を電磁波の送受信によって行うように構成する。
特許請求の範囲
【請求項1】 超伝導電気回路と常伝導電気回路とを接続するためのインターフェースであって、上記超伝導電気回路側には、当該超伝導電気回路の動作温度で動作する電磁波の発信回路および受信回路が設けられているとともに、上記常伝導電気回路側には、上記超伝導電気回路側の発信回路からの電磁波を受信する受信回路と、上記超伝導電気回路側の受信回路に対して電磁波を送信するための発信回路が設けられていることを特徴とする、超伝導電気回路のインターフェース。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば脳磁界計測用SQUIDとCT装置との間等をはじめとする、超伝導応用デバイスとその信号処理回路との間や、超伝導コンピュータと通常のコンピュータとの間に介在させて、これら両者間で信号授受を行うための、超伝導電気回路のインターフェースに関する。
【0002】
【従来の技術】SQUIDをはじめとする超伝導電応用デバイスは、一般に、そのデバイスが超伝導動作する極低温にまで冷却された状態で使用され、データ処理装置等の常伝導電気回路と接続される。
【0003】また、超伝導電気回路は、現在の半導体回路に比べて高速化、低消費電力化、小型化等が可能となるというメリットがあり、超伝導コンピュータへの応用等が提案されているが、現時点において超伝導メモリが小規模のものしかできていないこともあって、現在のところ実用化されていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】例えば脳磁界計測にSQUIDを用い、多数のチャンネルにより各部の脳磁界を計測しようとするためには、超伝導動作温度であるヘリウム温度と常温下に置かれたデータ処理装置とを接続する必要があるが、極低温部と常温部との間を多数のケーブルによって接続する必要が生じ、極低温部への熱侵入が大きな問題となる。
【0005】また、超伝導コンピュータに関しては、現時点において超伝導メモリが小規模なものしかできていないこともあって、現在のところ実用化されていない。本発明の目的は、極低温下で使用される超伝導電気回路と、常温下に置かれる常伝導電気回路との間を、極低温部への熱侵入を伴うことなく接続することができ、また、その結果として、超伝導コンピュータの実用化への問題点等を解決することのできる、超伝導電気回路のインターフェースを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するため、本発明の超伝導電気回路のインターフェースは、超伝導電気回路側に、当該超伝導電気回路の動作温度で動作する電磁波の発信回路および受信回路を設けるとともに、その超伝導電気回路と接続される常伝導電気回路には、超伝導電気回路の発信回路からの電磁波を受信する受信回路と、超伝導電気回路の受信回路に対して電磁波を送信するための発信回路を設けたことを特徴としている。
【0007】ここで、電磁波は光をも含めたものを言う。
【0008】
【作用】本発明は、超伝導電気回路と常伝導電気回路との間を、電磁波の送受信によって接続することにより、極低温部と常温部との配線を不要とし、所期の目的を達成しようとするものである。
【0009】すなわち、超伝導電気回路の出力は、その回路の動作温度である極低温下で動作する発信回路を介して電磁波の状態で外部に発信され、常伝導電気回路に設けられた受信回路によって受信される。また、常伝導電気回路からの出力は、その回路に設けられた発信回路を介して同じく電磁波の状態で発信され、超伝導電気回路に設けられた極低温動作可能な受信回路によって受信される。
【0010】超伝導メモリが小規模なものしか得られないが故に実用化が困難である超伝導コンピュータに関しては、処理を高速に行わなければならない部分だけ超伝導回路で構築し、これと半導体を用いた常伝導の大規模メモリとを電磁波の送受信によって相互に接続すれば、膨大な配線を介在させることなく、現時点における両回路の利点を生かした高速コンピュータの実用化が可能となる。
【0011】
【実施例】図1は本発明をコンピュータに応用した場合の回路構成を示すブロック図である。
【0012】この例においては、ジョセフソン素子をスイッチング素子として用いた、いわゆるジョセフソンコンピュータ1と、超伝導発信回路2および超伝導受信回路3が、液体ヘリウム等の冷媒が満たされたデュワー瓶等の内部に収容され、極低温の超伝導動作温度下に置かれている。
【0013】一方、常温下には、半導体メモリ4とその制御回路5と、発信回路6および受信回路7が置かれている。ジョセフソンコンピュータ1は、それぞれがジョセフソン素子を論理ゲートとして用いて構成された論理回路1aとメモリ回路1bとが、同じく超伝導デバイスによって構成された制御回路1cの制御下において動作する公知のもので、メモリ回路1bは、現時点において製作可能な1〜4Kビット程度である。このメモリ回路1bは、演算に必要なデータのみを蓄える。
【0014】半導体メモリ4は、1Mビット以上のSRAMによる中速バッファメモリと、4Mビット以上のDRAMとからなる大容量メモリであり、この半導体メモリ4とジョセフソンコンピュータ1とは、超伝導発信回路2と超伝導受信回路3、および発信回路6と受信回路7からなるインターフェースを介して、電磁波を送受信することにより相互に接続されている。
【0015】超伝導回路側から常伝導回路側への送受信と、常伝導回路側から超伝導回路側への送受信は、それぞれ光またはミリ波/サブミリ波によって行うこうとができる。すなわち、超伝導発信回路2としては、超伝導LEDまたは超伝導ミリ波発信器を用いることができ、この場合、常伝導側の受信回路7としては光ダイオードまたはミリ波のダイオードを用いればよい。また、常伝導側の発信回路6としては、通常のLEDまたはミリ波発信器を用いることができ、この場合、超伝導受信回路3としては、超伝導ミキサーを用いることができる。
【0016】ここで、ミリ波/サブミリ波の信号発信並びに受信について詳述すると、超伝導ミリ波発信器としては、ジョセフソン発信素子があり、このジョセフソン発信素子は交流ジョセフソン電流の周波数の電磁波を発生する。このようなジョセフソン発信素子からのミリ波/サブミリ波を常伝導側で受信する受信回路7は、例えばショトキー・バリア・ダイオード・ミキサーを用いることができる。また、常伝導側のミリ波発信器としては、ガンダイオード等のダイオード、およびGaAsFETを用いることができ、この場合、超伝導受信回路3としてジョセフソン素子を用いた公知のミキサーを用いればよい。
【0017】また、超伝導LEDについては現在研究中であるが、Nd等の希土類元素を含有させることにより発光種を作成でき発光現象が生じることは確認されている。このような超伝導LEDを超伝導発信回路2に用いた場合には、常伝導側では通常の光ダイオードによって受信することができる。
【0018】さて、図1の構成において、ジョセフソンコンピュータ1のジョセフソン素子を用いたメモリ回路1bは、前記したように、現時点において実用化可能な1〜4Kビット程度の小規模メモリであり、このメモリ回路1bには、論理回路1aによる演算に必要なデータのみを蓄えるようにし、いわゆる高速キャッシュとして用いる。そして、それ以外のデータについては、超伝導発信回路2および超伝導受信回路3、および発信回路6と受信回路7からなるインターフェースを介して、光またはミリ波/サブミリ波の電磁波によってジョセフソンコンピュータ1と半導体メモリ4との間で信号授受を行うことで、データのやり取りを行う。
【0019】以上の本発明実施例の構成によると、ジョセフソン素子等の超伝導素子のスイッチング速度はSiトランジスタに比べて数十倍高速(1〜10ps/ゲート)で動作するから、演算速度が速く、しかも現在の汎用コンピュータと同規模の記憶容量を持つコンピュータが得られる。しかも、ジョセフソンコンピュータ1と半導体メモリ4間はケーブルによって接続する必要がないため、超伝導電気回路側への熱侵入の問題は生じない。
【0020】なお、ジョセフソンコンピュータ1に代えて、超伝導トランジスタをスイッチング素子として用いた、いわゆる超伝導トランジスタコンピュータを用いても、上記と全く同様な作用効果を奏することができる。
【0021】図2は、本発明を多チャンネルSQUID磁束計に応用した例を示すブロック図である。この例においては、複数のSQUID11と、ジョセフソンマルチプレクサ12、超伝導発信回路13および超伝導発信回路14が極低温の超伝導動作温度下に置かれ、デマルチプレクサ15と複数のアップダウンカウンタ16、発信回路17および受信回路18、更にはマルチプレクサ用制御回路19が常温下に置かれる。このうち、超伝導発信回路13と超伝導発信回路14、および発信回路と受信回路18については、上記した図1の実施例と全く同じ組み合わせを使用することができる。
【0022】各SQUID11は、それぞれ公知のワンチップのデジタルSQUIDであって、入力磁束に対応して正および負のパルス列を発生する。ジョセフソンマルチプレクサ12は、それぞれジョセフソン素子をスイッチング素子とするシフトレジスタとANDゲート、並びに出力ゲート等によって構成することができ、ロード信号並びにシフト信号からなる後述するコントロール信号によって、各SQUID11からの並列信号出力を時系列に多重化して、その出力を超伝導発信回路13に出力する公知のものである。
【0023】超伝導発信回路13はジョセフソンマルチプレクサ12からの信号に応じた電磁波を発信する。この電磁波は常伝導側の受信回路18によって受信され、デマルチプレクサ15に供給される。デマルチプレクサ15は、その供給された信号を再び並列信号に変換し、その各信号をSQUID11と同じ数だけのアップダウンカウンタ16に供給する。従って各アップダウンカウンタ16には、各SQUID11からのパルス例と同等の信号が供給されることになり、このパルス列をそれぞれのアップダウンカウンタ16でカウントすることによって、各SQUID11によって検出された磁束のデータが得られる。この各アップダウンカウンタ16からのデータを用いて、必要な部分のデータを取り出せるように構成することができ、あるいは必要に応じて、多くの部分からのデータを画像処理してディスプレイに表示することもできる。
【0024】ジョセフソンマルチプレクサ12を駆動するための前記したコントロール信号は、常温下に置かれたマルチプレクサ用制御回路19から出力されるコントロール信号を一旦電磁波に変換した後、再び電気信号に変換することによって得られる。すなわち、マルチプレクサ用制御回路19からのコントロール信号は、常温側の発信回路17によって電磁波に変換され、その電磁波が超伝導受信回路14で受信され、ここで再び電気信号に変換された後にジョセフソンマルチプレクサ12に供給される。
【0025】以上の構成によれば、極低温部と常温部との接続配線を大幅に少なくすることが可能となる。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、超伝導電気回路側および常伝導電気回路側に、それぞれの回路が置かれる温度環境下で動作する発信回路および受信回路を設け、超伝導電気回路と常伝導電気回路間の信号授受を電磁波の送受信によって行うように構成しているから、超伝導電気回路と常伝導電気回路間を接続するための配線を無くするか、あるいは大幅に削減することが可能となり、超伝導電気回路側への熱侵入の問題を解決することができる。例えばコンピュータの分野に適用した場合、半導体大規模メモリを常温側に設置し、論理回路と制御回路からなるCPUと、その演算に必要なデータのみを記憶する小規模の超伝導メモリを超伝導動作温度側に設置して、これらを本発明のインターフェースで接続することで、高速で大記憶容量の実質的な超伝導汎用コンピュータを得ることが可能となる。また、SQUID磁束計に適用した場合には、極低温部と常温部とを接続するケーブル本数を大幅に削減できることから、従来に比してより多チャンネルのものを実用化することが可能となる。




 

 


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