СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ НЕЙРОН ДЛЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПЕРСЕПТРОНА Российский патент 2020 года по МПК G06N3/06 G06N3/08 H03F19/00 H01L39/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к криогенной микро- и наноэлектронике, в том числе к элементной базе искусственный нейросетей, и может быть использовано для обработки широкополосных электромагнитных сигналов в диапазоне частот от единиц герц до 10 ГГц. Изобретение может быть использовано для процедуры распознавания (сигналов, образов), требующей обработки больших массивов данных в режиме реального времени, а также при реализации на аппаратном уровне при помощи специализированного процессора алгоритмов кластеризации или адаптивного управления.

Представляемое изобретение - это сверхпроводящий нейрон, базовый нелинейный элемент искусственной нейронной сети типа персептрон, с быстрым (рабочие тактовые частоты отдельных ячеек могут быть более 100 ГГц) однотактовым вычислением активационной функции.

Уровень техники

На сегодняшний день активно ведется разработка специальных вычислительных модулей, учитывающих особенности устройства нейронных сетей. Однако до сих пор на этом направлении не было найдено достаточно быстродействующего, компактного и энергоэффективного технического решения для реализации базовых нелинейных элементов - нейронов. В качестве примера, иллюстрирующего проблемы создания искусственных нейронов с использованием традиционных полупроводниковых технологий, рассмотрим систему с возможностью многопараметрической классификации. Известен искусственный нейрон (RU 2579958 С1), который содержит блок входных сигналов, узлы умножения входной величины на весовой коэффициент, сумматор, блок функции активации. Такой нейрон не может быть ни компактным, ни энергоэффективным, так как каждый узел умножения входной величины на весовой коэффициент включает умножитель входного сигнала на весовой коэффициент и блок формирования весового коэффициента, ячейки памяти постоянного запоминающего устройства с записанными в них пороговыми величинами, коммутатор, ячейки памяти постоянного запоминающего устройства с записанными в них весовыми коэффициентами.

Также известно устройство для практической реализации нейрона или его части (US 2016026912), которое содержит ядро процессора и так называемую «расчетную цепь». Причем процессорное ядро включает логические цепи определения набора весовых коэффициентов для использования в расчете сверточных нейронных сетей и увеличения весовых коэффициентов с помощью шкалы значений. Расчетная цепь позволяет получать значения шкалы, набор весовых коэффициентов, набор входных значений, причем каждое входное значение и связанный с ним вес имеют одинаковый фиксированный размер.

Базовый элемент искусственной нейросети (US 20120011092, Tang Y. et al.) может быть построен на основе мемристора, интегрирующего входной ток, и цепи, генерирующей выходной сигнал при достижении определенного потенциала, что позволяет имитировать пороговую функцию активации реального нейрона. Здесь поданный на вход импульс тока уменьшает сопротивление мемристора, что ведет к увеличению напряжения на выходе. Состояние мемристора после снятия напряжения сохраняется, и для имитации постепенного падения потенциала при отсутствии внешнего сигнала через мемристор пропускается небольшой ток в обратном направлении, постепенно увеличивая его сопротивление. Если же в момент подачи очередного импульса напряжение на выходе превышает пороговое значение, то это вызывает срабатывание генератора выходного импульса. Таким образом, данное устройство позволяет имитировать функционал «интегрировать-и-сработать», что позволяет его использовать преимущественно для так называемых «спайковых» нейросетей.

Интерес представляет изобретение (US 4943556A, Н.Н. Szu), построенное на взаимодействии электромагнитного (оптического) излучения с коллективом электронов в тонких сверхпроводящих нитях. Матрицу из таких нитей, в которой реализовано управление при помощи света растеканием токов, в принципе, можно использовать в цифровых или аналоговых вычислительных системах. Для последующего изложения важно подчеркнуть, что такая нейронная сеть подразумевает представление информации через величины локальных магнитных полей.

Увеличить эффективность передачи по сети информации, закодированной в виде величин и направлений круговых токов (локальных магнитных полей), а также создать необходимые для ее функционирования нелинейные элементы можно с использованием джозефсоновских контактов - гетероструктур, где реализована тем или иным образом «слабая связь» (тонкий слой изолятора, нормального металла и т.д.) между сверхпроводящими электродами. Существуют устройства с джозефсоновскими контактами, нелинейным образом преобразующие магнитный сигнал в отклик тока, используемые для детектирования магнитной компоненты сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных сигналов. На основе этих же гетероструктур реализованы цифровые схемы для последующей обработки поступившей информации с использованием подходов быстрой одноквантовой логики (БОК).

Особое значение с точки зрения разработки сверхпроводящих нейронов здесь имеют системы на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД), которые имеют высокую чувствительность к магнитному сигналу, а главное -перестраиваемую в процессе обучения нейросети функцию преобразования магнитной компоненты электромагнитного поля на входе в отклик тока или напряжения на выходе. Именно эта особенность подобных систем и будет использована для построения на их основе искусственного нейрона с быстрым однотактовым вычислением активационной функции. Особо стоит подчеркнуть, что существующие сверхпроводящие интерферометры позволяют строить усилители с низкой шумовой температурой, которые при этом совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами, используемыми для обработки информации.

Упомянутый СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо, содержащее один или два джозефсоновских контакта, а также имеет согласующие и измерительные устройства. Существующий уровень техники на этом направлении определяют описанные в патентных источниках конструкции и схемотехнические решения для сверхпроводниковых усилителей СВЧ-диапазона. Так, известен усилитель на СКВИДе с нагрузкой для диапазона до 0.1 ГГц (JPS 60247311). Сообщалось, что для такого устройства продемонстрирован коэффициент усиления порядка 20 дБ на частоте 100 МГц при шумовой температуре 1±0.4 К (см. US 4585999). Уровень техники в области согласования входных и выходных цепей усилителя на основе СКВИДа с нагрузкой для диапазона до 0.1 ГГц можно оценить из этого же патента.

Важная для нас возможность управления видом преобразования входного сигнала в отклик тока/напряжения описана в изобретении (JP 1245605), где представлен усилитель-преобразователь магнитного сигнала на СКВИДе постоянного тока. В этом техническом решении для электрической подстройки согласования интерферометра с охлаждаемым предусилителем используется второй СКВИД как регулируемый индуктивный элемент согласующей цепи. Однако и рабочий диапазон частот, и вид вольт-потокового преобразования усилителей на одиночном низкотемпературном СКВИДе не подходят для создания нейрона для многослойного персептрона.

Важнейшая особенность СКВИДов с многовитковой входной катушкой -нелинейный вид отклика на задаваемое извне магнитное поле и отсутствие возможности для линеаризации отклика (или иного вида управления последним) с использованием традиционных систем обратной связи на таких высоких частотах, что ведет к невысокому уровню линейности усиления (порядка 20 дБ). Также необходимо учитывать, что без использования систем обратной связи для СКВИД-усилителей характерны малые значения динамического диапазона, то есть отношения максимального выходного сигнала Vmax к уровню шумов на выходе рассматриваемого устройства Vƒ, задающему уровень минимального сигнала на выходе устройства:

DR=Vmax/ Vƒ

Решить эту проблему можно за счет использования многоэлементных джозефсоновских структур, в том числе состоящих из N последовательно или параллельно соединенных интерферометров. «Сложение» откликов от составляющих такую цепочку элементов позволяет часто достигнуть требуемого динамического диапазона.

Для увеличения линейности вольт-потокового преобразования систем на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров, пригодных для реализации синапсов в сверхпроводниковом персептроне с магнитным представлением информации, предложена специальная схема обратной связи (KR 100774615, US 7453263), содержащая дополнительный джозефсоновский переход. Необходимо отметить, что предложенный метод контроля вида преобразования магнитного сигнала в отклик существенно ограничивает максимальную рабочую частоту при использовании в искусственных нейросетях, так как рабочая частота схемы обратной связи невелика.

В изобретениях (US 2005231196, US 7095227) описаны преобразователи магнитного сигнала на основе последовательной цепочки интерферометров. Такой подход позволяют использовать в качестве источника питания источник постоянного тока. Однако продемонстрированное в эксперименте устройство позволяет достичь лишь относительно малую линейность усиления сигнала (не более 20 дБ).

Известен также преобразователь магнитной компоненты сигнала на основе матрицы «высокотемпературных» СКВИДов, охлаждаемых жидким азотом (DE 3936686). Диапазон рабочих частот такой системы ограничен сверху на уровне порядка 100 МГц. В изобретении (US 6005380) описан усилитель для антенны с использованием магнито-связанных СКВИДов, образующих многоэлементую матрицу. Здесь максимальная рабочая частота - 516 МГц.

Для создания усилителя тока с большими значениями выходного тока предлагается использовать цепочки параллельно соединенных СКВИДов постоянного тока (JP 2003209299). Данный усилитель обладает высокими значениями выходного тока, что позволяет использовать его в качестве входной цепи систем с прямой оцифровкой сигнала, однако такой элемент достаточно трудно имплементировать в состав сверхпроводниковых искусственных нейронных сетей.

Известно использование цепочки СКВИДов переменной площади (СКИФ) в качестве высокочувствительного магнетометра со специфическим видом вольт-потокового преобразования с ярко выраженным провалом на этой зависимости в окрестности нулевых значений напряженности приложенного поля (WO 01/25805; US 7369093). Однако, описанные структуры не дают необходимого вида нелинейной связи между входным «магнитным» сигналом и откликом напряжения. Не дают требуемого преобразования входного магнитного сигнала и неоднородные параллельные цепочки контактов, не позволяющие ко всему прочему добиться значительных значений выходного сигнала.

Известна конструкция усилителя-преобразователя для магнитного сигнала на основе последовательных цепочек двухконтактных интерферометров, площади которых подобраны так, чтобы обеспечить повышенный коэффициент усиления и высокую линейность в полосе частот 1-10 ГГц (RU 2353051). Однако реализация требуемых цепочек СКВИДов с заданной точностью параметров на сегодняшний день представляется чрезвычайно сложной технической задачей, что ограничивает величину достижимой в реальном эксперименте линейности преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения на уровне 50 дБ. Кроме того, такая система заведомо не является компактной.

Описана структура с тремя джозефсоновскими контактами (US 8179133; US 8933695; US 10333049 В1) для получения особого (треугольного) вида вольт-потокового преобразования в интерферометре. В этом элементе параллельно основной индуктивности двухконтактного СКВИДа должен быть включен третий джозефсоновский переход, который находится всегда в сверхпроводящем состоянии и играет роль нелинейной индуктивности. Подключение джозефсоновского контакта параллельно индуктивности СКВИДа образует двойной СКВИД (известный также как би-СКВИД). Такая ячейка позволяет добиться достаточно высокой линейности преобразования входного сигнала в выходное напряжение усилителя. Однако в данном случае влияние паразитных индуктивностей и емкостей затрудняет получение высоколинейного преобразования магнитного сигнала в отклик напряжения. Аналогичное устройство (RU 2544275) было предложено для реализации на основе высокотемпературных сверхпроводников. Необходимо подчеркнуть, что до настоящего времени не решена задача практического изготовления сверхпроводниковых устройств для широкополосных приемных систем с прямой оцифровкой сигналов с использованием такой ячейки.

Таким образом, технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является отсутствие быстродействующих и энергоэффективных нейросетей на основе джозефсоновских гетероструктур с кодированием информации в виде величины локальных токов и связанных с ними магнитных полей. Существующие технические решения на базе полупроводниковых технологий (на основе CPU, GPU, FPGA технологий) либо не обладают высокой «параллельностью», либо не дают возможности организовать нужное количество ветвлений, либо не дают требуемого ресурса межсоединений. Наиболее серьезные проблемы возникают при реализации базовых элементов нейросетей, таких как нейроны и синапсы: каждый элемент состоит из десятков транзисторов, что ограничивает уровень сложности создаваемой схемы, в то время как сами схемы характеризуются избыточным количеством элементов и низкой энергоэффективностью.

Использование сверхпроводниковых технических решений, как видно из уровня развития техники, позволяет уменьшить диссипацию энергии до уровня 10^-18 Дж на одну операцию при достаточно высоком быстродействии. Рабочая частота для отдельных ячеек может составлять более 100 ГГц. Однако на сегодняшний день в области нейроморфных вычислителей не известно конструктивных решений многослойного персептрона (персептрона Румельхарта) с магнитным представлением информации с применением сверхпроводниковых схем. Такая искусственная нейронная сеть содержит слои элементов, нелинейным образом преобразующих поступающий на вход сигнал (нейроны), соединенных линейными настраиваемыми связями (синапсами). К наиболее характерным особенностям изучаемых нейросетей относится использование нелинейной, непрерывно-дифференцируемой сигмоидальной функции активации (или же функции преобразования входного сигнала в сигнал на выходе).

Возможна реализация сверхпроводниковых искусственных нейронов на основе двухконтактных интерферометров и их модификаций, работающих в резистивном режиме. Уровень сигнала здесь должен соответствовать уровню среднего напряжения на ячейке. Но такие схемы не будут отличаться быстродействием и энергоэффективностью. Аналогичная проблема характерна и для «спайковых» (импульсных) нейросетей, в которых информация представлена в виде последовательности одинаковых (одноквантовых) импульсов напряжения, при этом сигнал определяется временной задержкой между импульсами. Основной проблемой при таком подходе является трудность реализации эффективных синаптических связей.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом изобретения является создание сверхпроводникового нейрона для многослойного персептрона с магнитным представлением информации, способного продемонстрировать высокий уровень быстродействия и энергоэффективности. Кроме того, заявляемое устройство обеспечивает возможность преобразования входного магнитного потока на входе Ф_in (создается средством задания магнитного поля) в ток на выходе I_out (считывается средством детектирования) по закону что необходимо для однотактового вычисления функции активации искусственных нейронов для многослойного персептрона на основе таких структур.

Заявляемый сверхпроводящий нейрон для многослойного персептрона содержит джозефсоновский элемент, соединенный гальванически с основным индуктивным элементом, который соединен гальванически с шунтирующим и вспомогательным индуктивными элементами; средство задания входного сигнала в виде магнитного поля, связанное индуктивным образом с основным и вспомогательным индуктивными элементами; средство детектирования выходного сигнала в виде величины тока, связанное индуктивным образом с шунтирующим индуктивным элементом.

Основной, вспомогательный и шунтирующий индуктивные элементы могут быть выполнены в виде участка слоя (тонкой пленки) сверхпроводящего материала.

Безразмерная величина индуктивности основного индуктивного элемента лежит в диапазоне от 0.1 до 0.5, где L_in1 - величина индуктивности основного индуктивного элемента, Ф₀ - квант магнитного потока, равный 2.067×10^-15 Вб; I_C - критический ток джозефсоновского контакта. Безразмерная величина индуктивности шунтирующего индуктивного элемента лежит в диапазоне от 0.1 до 0.4, где L_out - величина индуктивности шунтирующего индуктивного элемента. Безразмерная величина индуктивности вспомогательного индуктивного элемента лежит в диапазоне от 1.1 до 1.5, где L_in2+L_q - величина индуктивности вспомогательного индуктивного элемента.

Джозефсоновский контакт в одном из вариантов реализации изобретения выполнен в виде слоистой тонкопленочной структуры, содержащей: нижний сверхпроводящий электрод, нанесенный на нижний сверхпроводящий электрод слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами, нанесенный на слой изолятора.

В качестве материала нижнего и верхнего сверхпроводящего электрода, всех сверхпроводящих слоев может быть использован либо ниобий, либо соединения на основе ниобия (например, NbN, NbTi), либо алюминий, либо сплав на основе алюминия. В качестве материала слоя изолятора в составе джозефсоновского контакта может быть использован оксид алюминия Al₂O₃, который может быть заменен металлическими соединениями с высоким удельным сопротивлением (например, Nb₃Si). Толщина нижнего сверхпроводящего электрода и верхнего сверхпроводящего электрода составляет, как правило, от 50 до 500 нм, толщина слоя изолятора - от 1 до 20 нм.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого сверхпроводящего нейрона для многослойного персептрона; на фиг. 2 представлен вид сверху на один из возможных вариантов практической реализации заявляемого сверхпроводящего нейрона для многослойного персептрона, на фиг. 3-5 представлены виды сбоку в разрезе на один из вариантов практической реализации заявляемого сверхпроводящего нейрона для многослойного персептрона, где величина вспомогательной индуктивности, выполненной в виде участка слоя сверхпроводящего материала, составляет L_in2+L_q.

На фиг. 6 показаны функции, связывающие магнитный (нормированный) поток на входе Ф_in и ток на выходе I_out для заявляемого сверхпроводящего нейрона при адиабатическом изменении входного сигнала, кривая 101 соответствует случаю 2π⋅L_in1I_C=0.125⋅Ф₀; 2π⋅L_outI_C=0.4⋅Ф_0; кривая 102 соответствует случаю 2π⋅L_in1I_C=0.125⋅Ф₀; 2π⋅L_outI_C=0.3⋅Ф₀, кривая 103 соответствует случаю 2π⋅L_in1I_C=0.4⋅Ф₀; 2π⋅L_outI_C=0.3⋅Ф₀; точками представлены целевые (сигмоидальные) функции в заданном диапазоне значений нормированного тока на выходе рассматриваемого нелинейного токового преобразователя. На фиг. 7 - стандартное отклонение (SD) рассчитанных функций активации нейрона от целевых (сигмоидальных) функций для разных значений величин основной, L_in1, и шунтирующей, L_out, индуктивностей. На фиг. 8 показана зависимость диссипации на одну операцию от длительности такой операции для различных значений индуктивности сверхпроводящего нейрона.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - джозефсоновский контакт (элемент) с критическим током I_C;

2 - основная индуктивность (основной индуктивный элемент), выполненная в виде участка слоя сверхпроводящего материала, величина которой обозначена как L_in1;

3 - вспомогательная индуктивность (вспомогательный индуктивный элемент), выполненная в виде участка слоя сверхпроводящего материала, величина которой обозначена как L_in2+L_q;

4 - шунтирующая индуктивность (шунтирующий индуктивный элемент), выполненная в виде участка слоя сверхпроводящего материала, величина которой обозначена как L_out.;

5 - средство задания магнитного поля, связанное индуктивным образом с основной и вспомогательной индуктивностями;

6 - средство детектирования величины протекающего тока, связанное индуктивным образом с шунтирующей индуктивностью.

Осуществление изобретения

Ниже представлено более подробное описание заявляемого изобретения, не ограничивающее сущность, представленную в независимом пункте формулы, а лишь демонстрирующее возможность достижения заявленного технического результата.

Электрическая схема заявляемого сверхпроводящего нейрона представлена на фиг. 1. Такой нейрон осуществляет преобразование входного магнитного потока на входе Ф_in (создается средством задания магнитного поля 5) в ток на выходе I_out (считывается средством детектирования 6). Заявляемое устройство содержит джозефсоновский контакт 1, обеспечивающий нелинейность упомянутого преобразования. Получение нелинейной, непрерывно-дифференцируемой сигмоидальной функции активации (или же функции преобразования входного сигнала в сигнал на выходе) обеспечивается наличием в составе нейрона трех индуктивных элементов: основного 2, вспомогательного 3 и шунтирующего 4. Джозефсоновский контакт (элемент) 1 характеризуется величиной критического тока I_C; основная индуктивность (основной индуктивный элемент) 2 характеризуется своей величиной L_in1; вспомогательная индуктивность 3 характеризуется своей величиной, обозначенной как L_in2+L_q, причем только первая часть ее связана магнитным образом со средством задания магнитного поля 5; шунтирующая индуктивность 4 характеризуется своей величиной L_out.

На фиг. 2, 3, 4 и 5 представлены виды сверху и сбоку (в разрезе) на один из возможных вариантов практической реализации заявляемого сверхпроводящего нейрона для многослойного персептрона. Здесь показаны и конструктивное исполнение (форма, размеры), и взаимное расположение

- джозефсоновского контакта (элемента) 1,

- основного индуктивного элемента 2, выполненного в виде участка слоя сверхпроводящего материала;

- вспомогательного индуктивного элемента 3, выполненного в виде участка слоя сверхпроводящего материала;

- шунтирующего индуктивного элемента 4, выполненного в виде участка слоя сверхпроводящего материала;

- средства задания магнитного поля 5, связанного индуктивным образом с основным и вспомогательным индуктивным элементами.

В качестве средства детектирования величины протекающего тока 6, связанного индуктивным образом с шунтирующей индуктивностью, в данной конкретной реализации использован сверхпроводящий квантовый интерферометр с двумя джозефсоновскими контактами. Направления и области, для которых на фиг. 3, 4 и 5 представлены боковые виды в разрезе, обозначены стрелками, штрихами и соответствующими надписями на фиг. 2.

На фиг. 5 представлен результат работы заявляемого устройства, демонстрирующий реализацию его назначения. Здесь приведены функции, связывающие магнитный (нормированный) поток на входе Ф_in и ток на выходе I_out для заявляемого сверхпроводящего нейрона при адиабатическом изменении входного сигнала. Кривая 101 соответствует случаю 2π⋅L_in1I_C=0.125⋅Ф₀; 2π⋅L_outI_C=0.4⋅Ф_0; кривая 102 соответствует случаю 2π⋅L_in1I_C=0.125⋅Ф₀; 2π⋅L_outI_C=0.3⋅Ф₀. Кривая 103 соответствует случаю 2π⋅L_in1I_C=0.4⋅Ф₀; 2π⋅L_outI_C=0.3⋅Ф₀; Точками представлены целевые (сигмоидальные) функции в заданном диапазоне значений нормированного тока на выходе рассматриваемого нелинейного токового преобразователя. Хорошее совпадение полученных и целевых функций активации доказывает возможность осуществления изобретения с достижением заявленного технического результата.

Представленный ниже пример конкретного выполнения изобретения, требующий последовательного напыления на подложке трех слоев сверхпроводящего материала и двух слоев диэлектрика, входит в множество потенциально пригодных решений, но не исчерпывает указанное множество. В частности, можно использовать джозефсоновские контакты, где вместо изолятора использованы металлы с высоким сопротивлением (Nb₃Si), ферромагнитные металлы (например, на основе сплава CuNi) или многослойные структуры, комбинирующие слои изолятора и ферромагнитные слои.

Для реализации заявляемого сверхпроводящего нейрона необходимо использование сверхпроводящего экрана (лежащего на подложке слоя сверхпроводника). Это связано с тем, что необходимо задание одинакового магнитного потока в индуктивные элементы, величины которых отличаются в 10 раз. Такое возможно только при условии, что средство задания магнитного поля связано лишь с одинаковыми по размерам частями контуров, а все остальные части находятся при нулевом магнитном поле. Кроме того, малая величина индуктивности основного слоя сверхпроводящего нейрона (нормированная индуктивность 0.125) вынуждает использовать контакты с малым критическим током (от 10 до 20 мкА).

Изготовление образца в конкретном примере осуществления изобретения начинается с осаждения трехслойной заготовки Nb-Al/AlOx-Nb (толщины слоев 300/10/150 нм). Большая толщина нижнего электрода (приближенно равная четырем лондоновским длинам в ниобии при гелиевой температуре) позволяет использовать его также как сверхпроводящий экран для магнитного поля (сверхпроводящий слой толщиной 150 нм практически не экранирует внешнее магнитное поле).

На втором этапе изготовления образца при помощи фотолитографии и последующего плазмохимического травления верхнего слоя ниобия формируется заготовка для последующего создания туннельных джозефсоновских контактов. Алюминий является стоп-слоем для плазмохимического травления. После окончания травления ниобия слой алюминия должен быть удален, например, в растворе щелочи гидроксид калия (КОН).

После формирования всех джозефсоновских контактов производится изготовление сверхпроводящего экрана с использованием фотолитографии и последующего плазмохимического травления, или с использованием жидкостного травителя ниобия (в смеси азотной и плавиковой кислот). Преимуществом первого метода является большая контролируемость процесса: глубина травления может контролироваться при помощи лазерного толщиномера, либо процесс может остановиться на алюминиевом подслое. Преимуществом второго метода (метод «мокрой химии») является опция очистки подложки от загрязнений, сформировавшихся на предыдущих этапах. В этом слое формируются контактные площадки для подключения источников тока и вольтметра к сверхпроводящему экрану.

Следующим этапом является формирование слоя изоляции. Осаждение может производиться методом термического осаждения моноокиси кремния, или распылением кремния или алюминия в аргоново-кислородной плазме. Формирование окон в слое изоляции может производиться методом взрывной фотолитографии, либо путем плазмохимического травления под маской. В данном примере осуществления патентуемого изобретения толщина первого слоя изоляции составляла 300 нм.

На пятом этапе формируется тонкая пленка ниобия толщиной 100 нм для последующего создания основной и вспомогательной индуктивностей, а также элементов средства детектирования величины протекающего тока. Шунтирующая индуктивность обязательно содержит участок, изготовленный в самой верхней сверхпроводящей пленке для обеспечения индуктивной связи со средством детектирования. Формирование упомянутых элементов может производиться путем последующего плазмохимического травления под фоторезистивной маской, либо при помощи взрывной фотолитографии. В первом случае желательно использовать подслой алюминия, чтобы избежать дополнительного подтрава нижнего слоя изоляции. После окончания плазмохимического травления открытая часть алюминиевого подслоя должна удаляться при помощи травления в щелочи КОН.

Суть шестого этапа состоит в изоляции основной и вспомогательной индуктивностей при помощи пленки диэлектрика толщиной 200 нм. Осаждение и формирование слоя может производиться теми же методами, что и на четвертом этапе.

Седьмым этапом является формирование шунтирующих сопротивлений для туннельных джозефсоновских контактов. В данном дизайне предполагается использование слоя CuAl толщиной 200 нм с сопротивлением 0.8 Ом на квадрат. Формирование слоя может производится при помощи взрывной фотолитографии (lift-off), либо при помощи плазмохимического травления на основе хлора. Для использования плазмохимического травления во фреоне (CF4 и более высокие соединения, SF6) требуется подбор соответствующего материала.

Последним этапом является формирование сверхпроводящего замыкания (wiring) из ниобия толщиной 450 нм. Для обеспечения хорошего электрического контакта к слою резисторов и верхнему электроду джозефсоновских контактов предварительно производится ионное травление подложки, эквивалентное стравливанию 5-10 нм ниобия. Формирование слоя может производиться при помощи взрывной фотолитографии (lift-off). Также может быть использовано плазмохимическое травление под фоторезистивной маской. В данной пленке формируются управляющая линия средства задания магнитного поля, шунтирующая («выходная») индуктивность, а также все подключения к основной и вспомогательной индуктивностям и сверхпроводящему экрану.

Средство детектирования в данном примере осуществления патентуемого изобретения представляет собой несимметричный сверхпроводящий квантовый иинтерферометр с двумя джозефсоновскими контактами (оптимальный критический током которых лежит в диапазоне от 100 до 150 мкА).

На фиг. 7 представлено стандартное отклонение (SD) рассчитанных функций активации нейрона от целевых (сигмоидальных) функций для разных значений величин основной, L_in1, и шунтирующей, L_out, индуктивностей. Величина такого стандартного отклонения много меньше единицы для всех интервалов значений, заявленных при раскрытии сущности изобретения, для физических величин, характеризующих конструктивные элементы. Хорошее совпадение полученных и целевых функций активации доказывает достижение технического результата во всем заявленном диапазоне значений величин основной, L_in1, и шунтирующей, L_out, индуктивностей.

На фиг. 8 показана зависимость диссипации на одну операцию от длительности такой операции для различных значений индуктивности сверхпроводящего нейрона. Кривая 104 соответствует случаю 2π⋅L_outI_C=0.1⋅Ф₀. Кривая 105 соответствует 2π⋅L_outI_C=0.5⋅Ф₀. Представленные данные подтверждают достижение технического результата по быстродействию и энергоэффективности при функционировании сверхпроводящего нейрона: при выбранных значениях характеристик конструктивных элементов диссипация энергии составляет менее 10^-18 Дж на одну операцию при длительности операции менее 0.1 нс.

Изобретение относится к криогенной микро- и наноэлектронике, в том числе к элементной базе искусственных нейросетей. Технический результат заключается в повышении быстродействия и энергоэффективности сверхпроводящего нейрона. Заявляемый сверхпроводящий нейрон для многослойного персептрона содержит джозефсоновский контакт, соединенный гальванически с основной индуктивностью, которая соединена гальванически как с шунтирующей индуктивностью, так и с вспомогательной индуктивностью; средство задания входного сигнала в виде магнитного поля, связанное индуктивным образом с основной и вспомогательной индуктивностями; средство детектирования выходного сигнала в виде величины тока, связанное индуктивным образом с шунтирующей индуктивностью. Кроме того, заявляемое устройство обеспечивает преобразование входного магнитного потока на входе Ф_in (создается средством задания магнитного поля) в ток на выходе I_out (считывается средством детектирования) по закону, описываемому сигмоидальной функцией. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Сверхпроводящий нейрон для многослойного персептрона, содержащий джозефсоновский элемент, соединенный гальванически с основным индуктивным элементом, который соединен гальванически с шунтирующим и вспомогательным индуктивными элементами; средство задания входного сигнала в виде магнитного поля, связанное индуктивным образом с основным и вспомогательным индуктивными элементами; средство детектирования выходного сигнала в виде величины тока, связанное индуктивным образом с шунтирующим индуктивным элементом.

2. Сверхпроводящий нейрон по п. 1, характеризующийся тем, что основной, вспомогательный и шунтирующий индуктивные элементы выполнены в виде участка слоя сверхпроводящего материала.

3. Сверхпроводящий нейрон по п. 1, характеризующийся тем, что безразмерная величина индуктивности основного индуктивного элемента лежит в диапазоне от 0.1 до 0.5, где L_in1 - величина индуктивности основного индуктивного элемента, Ф₀ - квант магнитного потока, равный 2.067×10^-15 Вб; I_C - критический ток джозефсоновского контакта.

4. Сверхпроводящий нейрон для многослойного персептрона по п. 1, характеризующийся тем, что безразмерная величина индуктивности шунтирующего индуктивного элемента лежит в диапазоне от 0.1 до 0.4, где L_out - величина индуктивности шунтирующего индуктивного элемента.

5. Сверхпроводящий нейрон для многослойного персептрона по п. 1, характеризующийся тем, что безразмерная величина индуктивности вспомогательного индуктивного элемента лежит в диапазоне от 1.1 до 1.5, где L_in2+L_q - величина индуктивности вспомогательного индуктивного элемента.

6. Сверхпроводящий нейрон для многослойного персептрона по п. 1, характеризующийся тем, что джозефсоновский контакт выполнен в виде слоистой тонкопленочной структуры, содержащей: нижний сверхпроводящий электрод, нанесенный на нижний сверхпроводящий электрод слой изолятора, верхний сверхпроводящий электрод с токоподводами, нанесенный на слой изолятора.

7. Сверхпроводящий нейрон для многослойного персептрона по п. 6, характеризующийся тем, что в качестве материала нижнего и верхнего сверхпроводящего электродов, всех сверхпроводящих слоев использован либо ниобий, либо соединения на основе ниобия (например, NbN, NbTi), либо алюминий, либо сплав на основе алюминия.

7. Сверхпроводящий нейрон для многослойного персептрона по п. 6, характеризующийся тем, что в качестве материала слоя изолятора в составе джозефсоновского контакта использован оксид алюминия Al₂O₃ или Nb₃Si.

8. Сверхпроводящий нейрон для многослойного персептрона по п. 6, характеризующийся тем, что толщина нижнего сверхпроводящего электрода и верхнего сверхпроводящего электрода составляет от 50 до 500 нм.