KR20230164756A - 초전도 케이블의 손실 감소 - Google Patents

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KR20230164756A
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버톤 제이 스미스
데이비드 비 터커만
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마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨
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Abstract

가요성 케이블 또는 강성 케이블과 같은 상호 접속부 상에 배치된 초전도 신호 라인을 냉각하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 초전도 신호 라인은 상호 접속부에 결합된 적어도 일부의 초전도 논리 디바이스가 동작되는 온도보다 낮은 극저온으로 냉각된다. 일부 예에서, 초전도 상호 접속부를 냉각하기 위해 밀폐된 도관, 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩이 제공된다. 개시된 기술의 일 예에서, 시스템은 적어도 두 세트의 초전도 논리 디바이스, 논리 디바이스를 제 1 동작 온도로 냉각하도록 구성된 냉각 장치, 초전도 논리 디바이스를 결합하는 상호 접속부, 및 상호 접속부와 열 소통하는 냉각 장치를 포함한다. 이 장치는 상호 접속부 상의 초전도 신호 라인을 초전도 논리 디바이스가 동작하는 제 1 동작 온도보다 낮은 동작 온도로 냉각하도록 구성된다.

Description

초전도 케이블의 손실 감소{REDUCING LOSSES IN SUPERCONDUCTING CABLES}
실리콘 또는 갈륨 비소 디바이스 기술에 기반한 기술과 같은 전통적인 반도체 기반 집적 회로 기술은 디바이스 크기, 스위칭 주파수 및 전력 소비 측면에서 물리적 한계에 도달하고 있다. 더욱이, 데이터 센터에 배치된 집적 회로는 점점 더 많은 전력을 소비하고 있다. 여기에는 반도체 디바이스가 스위칭되지 않을 때 누설 전류에 의해 소비되는 전력이 포함된다. 기존 디지털 컴퓨터 기술보다 더 빠르고 더 비용 효율적으로 특정 유형의 유용한 계산(예를 들어, 양자 화학)을 수행할 수 있는 양자 컴퓨터를 구축하는 데 상당한 관심이 있다.
전통적인 반도체 기술의 한계를 해결하기 위한 한 가지 접근 방식은 초전도 논리 기반 디바이스를 사용하는 것이다. 이러한 디바이스는 일반적으로 초전도 상태에서 기능하기 위해 극저온으로 냉각된다. 초전도 논리 디바이스에 이러한 냉각을 제공하는 냉동 디바이스는 비싸고 상당한 양의 에너지를 소비한다. 따라서, 초전도 논리 기반 디바이스 세트 간에 신호를 전송하는 데 사용되는 상호 접속부를 포함하는 초전도 논리 기반 디바이스로 구축된 컴퓨터를 개선할 수 있는 충분한 기회가 남아 있다.
초전도 케이블 및 상호 접속부를 저온으로 냉각하는 장치 및 방법이 개시된다. 일부 예에서, 가요성, 다중 전도체 마이크로 스트립 또는 스트립 라인 리본 케이블이 도관 또는 다른 포함 장치에 둘러싸인 저온 가스 또는 액체(예를 들어, 헬륨)를 사용하여 냉각된다. 일부 예에서, 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩이 냉각을 제공하기 위해 케이블 또는 상호 접속부와 열 소통하도록 제공된다. 두 개 이상의 논리 디바이스 세트를 결합하는 초전도 상호 접속부가 논리 디바이스보다 낮은 온도로 냉각될 수 있어 상호 접속부에 의해 전달되는 신호의 감쇠를 줄일 수 있지만 논리 디바이스를 냉각하는 더 광범위한 냉각을 제공하기 위해 추가 에너지를 사용하지 않는다.
가요성 케이블 또는 강성 케이블과 같은 상호 접속부 상에 배치된 초전도 신호 라인이 상호 접속부에 결합된 적어도 일부의 초전도 논리 디바이스가 동작되는 온도보다 낮은 극저온으로 냉각될 수 있다. 일부 예에서, 초전도 상호 접속부를 냉각하기 위해 밀폐된 도관, 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩이 제공된다. 개시된 기술의 일 예에서, 시스템은 적어도 두 세트의 초전도 논리 디바이스, 논리 디바이스를 제 1 동작 온도로 냉각하도록 구성된 냉각 장치, 및 초전도 논리 디바이스를 결합하는 상호 접속부를 포함한다. 냉각 장치는 상호 접속부와 열 소통하도록 제공된다. 이 장치는 상호 접속부 상의 초전도 신호 라인을 초전도 논리 디바이스가 동작하는 제 1 동작 온도보다 낮은 동작 온도로 냉각하도록 구성된다. 결합된 논리 디바이스보다 낮은 온도로 초전도 신호 라인을 냉각하는 것만으로, 시스템 전체에 대해 상당한 에너지 절약이 실현될 수 있다. 신호 라인이 냉각되는 온도는 사용된 물질, 거리 제약, 주파수와 같은 동작 제약, 에너지 소비에 기초하여 선택될 수 있다.
이 요약은 아래의 상세한 설명에서 더욱 설명되는 개념의 선택을 간략화된 형태로 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구되는 주제의 주요 특징 또는 필수 특징을 식별하기 위한 것이 아니고, 청구되는 주제의 범위를 제한하기 위해 사용되는 것도 아니다. 개시된 기술의 전술한 목적, 특징 및 장점과, 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 진행되는 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 개시된 기술의 특정 예에서 구현될 수 있는 바와 같이, 초전도 상호 접속부를 냉각하는 데 사용될 수 있는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 2는 개시된 기술의 특정 예에서 구현될 수 있는 바와 같이, 다중 연결을 갖는 도관 및 상호 접속부를 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 3a 내지 도 3c는 특정 개시된 도관 또는 히트 파이프를 사용하여 냉각될 수 있는 예시적인 상호 접속부를 도시하는 다이어그램이다.
도 4a 및 도 4b는 개시된 기술의 특정 예에서 사용될 수 있는 바와 같이, 대안의 예시적인 상호 접속부를 도시하는 다이어그램이다.
도 5a 및 도 5b는 개시된 기술의 특정 예에서 구현될 수 있는 바와 같이, 초전도 상호 접속부의 다른 예를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 개시된 기술의 특정 예에서 구현될 수 있는 바와 같이, 열전도성 스트랩을 사용하여 냉각된 다중 브랜치 상호 접속부의 예를 도시한다.
도 7은 개시된 기술의 특정 예에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 주파수 및 온도의 함수로서 초전도 전송 라인에서의 손실을 보여주는 차트이다.
도 8은 개시된 기술의 특정 예에서 수행될 수 있는 바와 같이, 초전도 컴퓨터 시스템에서 상호 접속부를 제공하는 예시적인 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 9는 개시된 기술의 특정 예에서 수행될 수 있는 바와 같이, 초전도 논리 디바이스에 결합된 도관을 냉각하는 예시적인 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
I. 일반 고려 사항
기판 사이에 기계적 및/또는 전기적 연결을 형성하는 커넥터를 사용하여 전도체 및/또는 초전도체 물질을 운반하는 기판의 설계, 제조 및 조립을 위한 방법, 장치 및 시스템의 대표적인 실시예가 본 명세서에 개시된다. 본 개시는 어떤 식으로든 제한하려는 의도가 아닌 대표적인 실시예의 맥락에서 설명된다.
본 출원에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥에서 달리 명백하게 지시하지 않는 한 복수 형태를 포함한다. 또한, "포함한다"라는 용어는 "구성한다"를 의미한다. 또한, "결합된"이라는 용어는 기계적, 전기적, 자기적, 광학적, 그리고 항목들을 함께 결합하거나 연결하는 다른 실용적인 방법을 포함하며, 결합된 항목들 사이의 중간 요소의 존재를 배제하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 문구에서 임의의 하나의 항목 또는 항목들의 조합을 의미한다.
본 명세서에 설명된 시스템, 방법 및 장치는 어떤 식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 대신, 본 개시는 단독으로 그리고 서로 다양한 조합 및 하위 조합으로, 다양한 개시된 실시예의 모든 신규하고 비자명한 특징 및 양태에 관한 것이다. 개시된 시스템, 방법 및 장치는 임의의 특정 양태 또는 특징 또는 이들의 조합으로 제한되지 않으며, 개시된 것들 및 방법은 임의의 하나 이상의 특정 장점이 존재하거나 문제가 해결되도록 요구하지도 않는다. 또한, 개시된 실시예의 임의의 특징 또는 양태는 서로 다양한 조합 및 하위 조합으로 사용될 수 있다.
개시된 방법 중 일부의 동작이 편리한 표현을 위해 특정하고 순차적인 순서로 설명되었지만, 아래에 설명된 특정 언어에 의해 특정 순서가 요구되지 않는 한, 이러한 설명 방식은 재배열을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 순차적으로 설명된 동작은 경우에 따라 재배열되거나 동시에 수행될 수 있다. 더욱이, 간략화를 위해, 첨부 도면은 개시된 것들 및 방법이 다른 것들 및 방법과 함께 사용될 수 있는 다양한 방법을 나타내지 않을 수 있다. 추가적으로, 설명은 때때로 개시된 방법을 설명하기 위해 "생산하다", "생성하다", "제조하다", "수용하다", "냉각하다", "제공하다" 및 "적응하다"와 같은 용어를 사용한다. 이러한 용어는 수행되는 실제 동작에 대한 높은 수준의 설명이다. 이러한 용어에 대응하는 실제 동작은 특정 구현에 따라 달라질 것이며, 본 개시의 이점을 가진 당업자에 의해 용이하게 식별될 수 있다.
본 명세서 및 청구 범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥에서 달리 명백하게 지시하지 않는 한 복수 형태를 포함한다. 또한, "포함한다"라는 용어는 "구성한다"를 의미한다. 더욱이, 문맥에서 달리 지시하지 않는 한, "결합된"이라는 용어는 기계적으로, 전기적으로 또는 전자기적으로 연결되거나 링크된 것을 의미하고, 설명된 시스템의 의도된 동작에 영향을 미치지 않는 하나 이상의 중간 요소를 통한 직접 연결 또는 직접 링크 및 간접 연결 또는 간접 링크를 모두 포함한다.
추가적으로, "위", "아래", "상위", "하위" 등과 같은 특정 용어가 사용될 수 있다. 이러한 용어는 적용 가능한 경우 상대적 관계를 다룰 때 설명의 명확성을 제공하기 위해 사용된다. 그러나, 이러한 용어는 절대적 관계, 위치 및/또는 방향을 의미하기 위한 것이 아니다.
초전도 상호 접속부, 스트립 라인, 마이크로 스트립, 신호 라인 또는 논리 디바이스와 같은 "초전도" 구성 요소에 대한 언급은 물질의 각 임계 온도 이하에서 초전도 모드로 동작하도록 위치할 수 있는 초전도체 물질로 제조된 구성 요소를 나타낸다. 그러나, 언급된 초전도 구성 요소는 본 명세서에 설명된 특정 동작이 수행될 때 반드시 초전도 상태에 있는 것은 아닐 수 있다. 예를 들어, 초전도 케이블을 한 세트의 초전도 논리 디바이스에 결합하는 것은, 이러한 결합을 형성하고 그런 다음 각각의 임계 온도 아래로 논리 디바이스 및 상호 접속부를 냉각하여 이러한 결합을 나중에 초전도 상태에 놓을 수 있다는 것을 의미한다.
본 개시의 장치 또는 방법과 관련하여 본 명세서에 제시된 동작 이론, 과학적 원리 또는 기타 이론적 설명은 더 양호한 이해를 위해 제공되었으며 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 첨부된 청구 범위의 장치 및 방법은 이러한 동작 이론에 의해 설명된 방식으로 기능하는 장치 및 방법으로 제한되지 않는다.
II. 개시된 기술 소개
고주파 신호는 스트립 라인, 마이크로 스트립 또는 동축 전송 라인으로 구성된 초전도 케이블을 통해 전송되지만 제법 감쇠된다. 그 이유는 초전도체 내에서 작지만 상당한 양의 일반 (쌍을 이루지 않음) 전자가 초전류에 의해 생성된 시변 전자기장에 의해 일반적인 방법으로 가속되기 때문이다. 그러나, 초전류와 달리, 정격 전류는 전선의 표면 저항에서 전력을 소산시킨다. 이는 고주파 성분을 줄여 전송된 신호를 왜곡할 수 있다. 따라서, 초전도체 라인은 DC에서 완벽한 초전도체로 작용할 수 있지만, 더 높은 주파수(예를 들어, GHz 범위)에서는 일반 전자의 존재로 인해 상당한 손실이 관찰될 수 있다.
주파수가 높을수록, 이 효과는 더 두드러진다. 주어진 주파수에서, 감쇠 계수 α는 신호가 라인을 따라 이동할 때 감쇠되는 정도를 나타낸다. 예를 들어, α = 10-3 nepers/cm의 감쇠 계수는 신호가 이동할 때 신호 진폭이 센티미터 당 0.1 % 또는 미터당 약 10 % 감소함을 의미한다. 감쇠 계수는 유전 손실과 초전도체 손실의 조합이다. 유전 손실로 인한 감쇠는 주파수에 따라 선형적으로 증가하는 반면, 초전도체 손실로 인한 감쇠는 주파수의 제곱에 따라 증가하는 경우가 많다. 따라서, 초전도체 손실은 고주파에서 가장 큰 감쇠원이 된다.
케이블의 온도를 낮추면 이러한 감쇠를 줄일 수 있다. 일반적으로, 유전 손실과 초전도체 손실은 모두 온도가 절대 영도로 감소함에 따라 작아진다. 초전도체 손실은 특히 온도에 민감하다. 더 높은 온도에서는 손실에 기여하는 더 많은 자유 (비 쿠퍼 쌍) 전자가 있다.
바딘-쿠퍼-슈리퍼(Bardeen-Cooper-Schrieffer; BCS) 이론은 쿠퍼 쌍에 대한 일반 전자의 밀도 비율이 온도에 대한 지수 의존성을 갖는다는 것을 말해준다. 약 4.65 K(일반적으로 9.3 K인 임계 온도의 1/2)보다 낮은 니오븀(Nb, 원소 41)의 경우, 결과적인 표면 저항은 에 비례하여 근사화할 수 있으며, 여기서 T는 케이블의 절대 온도이고 f는 신호 주파수이다. 예를 들어, Nb의 표면 저항은 온도를 4.2 K(1 기압에서 포화 액체 헬륨(He)의 온도)에서 2 K로 낮추면 약 49 배 감소될 것이다. 따라서, 초전도체 손실로 인한 감쇠 계수 부분은 케이블이 4.2 K에서 2.0 K로 냉각될 때 약 49 배 감소될 것이다.
감쇠 계수에 대한 유전 손실 기여도는 온도에 민감하지 않다. 케이블이 냉각되면, 결국 초전도체 손실은 무시할 수 있게 되고 감쇠 계수는 주로 유전 손실("손실 탄젠트")로 구성된다. 1 내지 20 GHz의 주파수에서 폴리이미드 케이블인 상호 접속부의 손실 탄젠트는 극저온에서 현저하게 낮다(일반적으로, 대응하는 실온에서의 값보다 100 배 더 작음). 이는 과도한 감쇠 없이 극초단파(~10GHz) 범위 신호의 상당한 장거리(미터 단위) 전송을 가능하게 하며, 과도한 유전체 가열을 생성하지 않고 유용하게 높은 RF 전력 레벨을 전송할 수 있다. 초전도 전송 라인은 몇 미크론의 트레이스 폭으로 잘 작동할 수 있다. 일반적인 공칭 임피던스의 경우, 유전체 두께도 몇 미크론이 될 것이다.
전도체를 사용하는 종래의 케이블과 비교할 때, 마이크로 스트립, 스트립 라인 또는 동일 평면 도파관과 같은 초전도 가요성 임피던스 제어 케이블은 손실을 최소화하면서 장거리에 걸쳐 고속 전기 신호를 전송할 수 있다. 또한, 물리적 단면이 매우 작을 수 있으므로, 하나의 소형 리본 케이블로 많은 신호를 전송할 수 있다. 그러나, 극저온 환경에서 고온의 전자 장치에 연결할 때 발생하는 것과 같이 케이블 온도가 Tc에 접근하거나 초과하면 성능 장점이 손실될 수 있다.
초전도체 케이블 및 상호 접속부를 저온으로 냉각하는 장치 및 방법이 개시된다. 일부 예에서, 가요성 다중 전도체 마이크로 스트립 또는 스트립 라인 리본 케이블이 파이프에 둘러싸인 저온 헬륨 가스를 사용하여 냉각된다. 예를 들어, 4.2 K 및 1 기압(14.70 psi(pounds per square inch) 또는 1.01325 x 105 Pa(Pascal))에서 수용된 헬륨 가스를 32 배, 약 0.034 기압(0.5 psi / 3.447 x 103 Pa)으로 팽창시켜 가스 온도를 2 K로 낮추기 위해 줄-톰슨(Joule-Thomson) 밸브를 사용할 수 있다. 압력 강하가 클수록 온도가 더 낮아져 더 긴 케이블 또는 더 높은 신호 속도를 가능하게 한다.
일부 예에서, 2 K의 단일 소스의 헬륨 가스는 동일 파이프 내의 다수의 리본 케이블을 통과할 수 있다. 낮은 손실은 헬륨 가스가 다수의 케이블에 의해 거의 가열되지 않음을 의미한다. 다수의 종단점을 연결하는 케이블 네트워크는 종단점에 걸쳐있는 파이프 네트워크로 케이블 네트워크를 둘러싸서 냉각될 수 있다. 각각의 종단점은 파이프 네트워크에 헬륨을 공급하는 자체 줄-톰슨 팽창기 밸브를 가질 수 있다. 상당한 압력 구배를 생성하기에 충분한 직경의 다수의 배기 포트가 파이프 네트워크의 중앙에 위치할 수 있고, 재압축 및 재순환을 위해 헬륨 액화기에 연결될 수 있다.
마이크로 스트립 지오메트리를 사용하는 전도 또는 초전도 가요성 케이블을 비롯한, 다양한 기판 구성의 설계 및 제조를 위한 방법, 장치 및 시스템이 개시된다. 일부 예에서, 초전도 가요성 케이블은 한 측에 배치된 다수의 신호 전도체와 다른 측(예를 들어, 반대 측 또는 대응 측)에 배치된 전력 또는 접지면을 갖는다. 일부 예에서, 가요성 케이블 표면에 배치된 전형적인 신호 라인은 폭이 50 미크론이다. 일부 예에서, 신호 라인 폭은 10 내지 100 미크론 사이에서 변경될 수 있다. 일부 예에서, 선택된 니오븀 합금을 비롯한, 니오븀을 포함하는 신호 라인은 극저온(예를 들어, 약 4 K 이하)에서 동작하도록 의도된다. 한 쌍의 이러한 가요성 케이블 간에 고밀도 연결을 만들 수 있다. 일부 예에서, 연결될 두 케이블은 두 끝 사이에 작은 간격을 두고 끝에서 끝까지 정확하게 정렬된다. 다른 예에서, 케이블은 인접하거나 약간 겹칠 수 있다. 일련의 짧은 전기 연결을 포함하는 "브리징 커넥터"가 조인트 영역 위에 클램핑되어 두 가요성 케이블의 각 신호 라인 사이에 전기적 연속성을 제공하는 랩 조인트 전기 접점을 생성한다. 유사하게, 또 다른 브리징 커넥터가 조인트 영역 아래에 클램핑되어 두 가요성 케이블의 전력 또는 접지면 사이에 전기적 접촉을 제공한다. 이러한 예에서, 정밀 미세 가공 기둥은 미세 가공 구멍과 결합하여 브리징 커넥터 및 케이블의 기계적 자체 정렬을 제공한다. 일부 예에서, 간단한 박막 전도체가 브리징 커넥터에 사용된다. 일부 예에서, 금 접점이 사용될 수 있다. 예를 들어, 초전도체 위의 금 도금은 근접 효과로 인해 금 층이 초전도화될 수 있도록 충분히 얇게(예를 들어, 20 nm 이하) 만들어질 수 있다. 다른 예에서, 더 두꺼운 전도체 층(예를 들어, 구리, 알루미늄, 은, 금 또는 티타늄)이 사용되지만 일부 저항이 라인에 생성된다.
III. 예시적인 상호 접속부 및 도관
도 1은 개시된 기술의 특정 예에서 초전도 상호 접속부를 냉각하는 데 사용될 수 있는 예시적인 시스템을 나타내는 블록도(100)이다. 예시적인 시스템에서, 밀봉 가능한 도관이 초전도 상호 접속부의 적어도 일부를 둘러싸도록 구성된다. 도관은 하나 이상의 초전도 논리 디바이스 세트에 결합되도록 추가로 구성될 수 있다. 도관은 액체 또는 가스 냉각재를 수용하여 상호 접속부에 결합된 초전도 논리 디바이스보다 낮은 온도로 초전도 상호 접속부를 냉각하도록 추가로 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 도관(110)은 초전도 상호 접속 케이블(120)의 일부를 둘러싸고 있다. 초전도 상호 접속 케이블은 제 1 세트의 논리 디바이스(130)와 제 2 세트의 논리 디바이스(135) 사이에서 신호를 전달하도록 위치한다. 제 1 및 제 2 세트의 논리 디바이스는 극저온 열 환경에서 동작할 수 있는 초전도 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 디바이스는 약 70 K 이하의 온도에서 동작할 수 있는 기존 CMOS 기반 또는 기타 유형의 디바이스를 포함할 수 있다. 논리 디바이스는 또한 더 낮은 온도, 예를 들어, 4 K 이하 또는 20 mK 이하에서 동작하는 초전도 논리 기반 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 초전도 논리 디바이스는 조셉슨 접합(Josephson Junction) 기반 디바이스에 기반한 회로를 포함할 수 있다. 초전도 논리 디바이스는 하나 이상의 조셉슨 접합 디바이스를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 전형적인 조셉 접합부(Joseph injunction)는 두 개의 초전도체 물질 사이에 끼인 얇은 절연체 또는 전도체를 포함한다. 제공된 얇은 층은 전류가 초전도체 물질의 한 부분에서 얇은 층의 다른 측에 있는 초전도체 물질의 다른 부분으로 통과할 수 있도록 충분히 얇다. 예를 들어, 초전도체 물질은 니오븀을 포함할 수 있고, 절연체는 얇은 (예를 들어, 5 내지 20 옹스트롬) 알루미늄 산화물 층에 의해 제공된다. 예시적인 초전도체로서, 니오븀(Nb)은 약 9.2 켈빈의 임계 온도(Tc)를 갖는다. Tc 이하의 온도에서, 니오븀은 초전도성이다. 그러나, Tc 이상의 온도에서, 전기 저항이 있는 일반 금속처럼 행동한다. 초전도체-절연체-초전도체(superconductor-insulator-superconductor; SIS) 유형의 조셉슨 접합에서, 초전도체 층은 니오븀으로 만들어질 수 있고, 절연체 층은 알루미늄 산화물로 형성될 수 있다. 초전류는 두 접합 전극 사이의 위상차 부호의 함수로 조셉 접합부를 통과한다.
층 두께, 종횡비, 피치, 길이 및 폭을 포함한 치수는 원하는 회로 성능에 따라 선택될 수 있다. 일부 예에서, 1 미터 이상 길이의 상호 접속부가 구성될 수 있다. 바람직하게는, 상호 접속부 온도는 신호 감쇠가 케이블 길이에 걸쳐 10 % 미만이 되도록 선택된다. 또한, 논리 디바이스는 상호 접속부보다 더 높은 온도에서 유지될 수 있기 때문에, 시스템의 상호 접속 부분으로 낮은 냉각을 제한함으로써 상당한 에너지 절약을 실현할 수 있다.
초전도체 논리 디바이스는 하나 이상의 저온 유지 장치(140, 145) 내에서 디바이스를 둘러싸서 동작 온도로 유지된다. 저온 유지 장치는 초전도 논리 디바이스에 냉각을 제공하고, 초전도 상호 접속 케이블(120)이 도관(110)에 의해 수용될 수 있게 하는 적어도 하나의 단자 또는 개구를 갖는다. 초전도 상호 접속 케이블(120)은 절연체 위에 배치된 초전도체 물질을 포함하는 적어도 하나의 신호 라인을 포함한다. 예를 들어, 초전도체 물질로 형성된 복수의 스트립 라인 또는 마이크로 스트립은 강성 또는 가요성 절연체 위에 배치될 수 있다. 케이블(120)과 같은 적합한 초전도 상호 접속 케이블의 구성 및 사용을 상세히 설명하는 추가 예가 아래의 예를 참조하여 설명된다.
도관(110)은 상호 접속부의 적어도 일부를 둘러싸도록 구성되고 밀폐된 밀봉을 갖는다. 논리 디바이스로부터 단자까지 케이블을 상호 접속하기 위해 적합한 연결이 제공된다. 도관은 밀폐되어 있으며 완전 밀봉될 수 있다. 밀봉은 완전 밀봉 클램프(130 및 135)에 의해 부분적으로 제공되며, 이는 상호 접속부(120)가 밀폐된 밀봉을 유지하면서 도관 외부로 연장되도록 한다. 도관은 적어도 하나의 줄-톰슨 밸브(150)를 포함한다. 줄-톰슨 밸브는 도관(110)에 결합되고 제 1 온도 및 제 1 압력으로 제공된 가스를 수용하도록 구성된다. 줄-톰슨 밸브는 제 1 압력보다 낮은 압력 및 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 도관(110)의 내부 부분에 가스 냉각재를 제공하도록 추가로 구성된다. 도관에 결합된 줄-톰슨 밸브(150)는 도관의 내부 부분에 가스 냉각재를 제공하도록 구성된다. 줄-톰슨 밸브(150)는 고압 기체 헬륨을 수용하고 더 낮은 온도 및 압력으로 도관에 헬륨을 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 줄-톰슨 밸브는 1 기압에서 4.2 K의 헬륨을 수용하고, 0.5 psi에서 2 K의 저압 헬륨을 도관(110)으로 방출하도록 구성될 수 있다. 냉각된 기체 헬륨은 냉동 장치(160)에 의해 줄-톰슨 밸브에 제공된다. 예를 들어, 냉동 장치(160)는 라이덴 극저온학과(Leiden Cryogenics)의 CF450 3He/4He 희석식 냉동 장치와 같은 희석식 냉동 장치일 수 있다. 그러나, 본 개시 내용의 이점을 갖는 당업자에게 용이하게 이해되는 바와 같이, 임의의 적합한 냉각 장치가 사용될 수 있다.
도관(110)은 도관의 내부 부분으로부터의 가스 냉각재를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 배기 포트(170)를 더 포함한다. 배기 포트(170)는 도관(110)으로부터 헬륨 가스를 수용하고 이를 냉동 장치(160)에 반환하도록 결합되어 헬륨 가스를 재압축, 냉각 및 도관으로 다시 재순환할 수 있다. 일부 예에서, 동일한 냉동 장치가 또한 초전도체 논리 디바이스를 포함하는 저온 유지 장치에 냉각재를 제공하기 위해 사용된다. 다른 예에서, 다른 유닛이 초전도체 논리 디바이스에 냉각을 제공한다.
IV. 다중 연결을 갖는 예시적인 도관 및 상호 접속부
도 2는 개시된 기술의 특정 예에서 사용될 수 있는 바와 같이, 다중 연결을 갖는 예시적인 도관 및 상호 접속부를 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도(200)이다. 시스템은 하나, 둘 또는 그 이상의 초전도 논리 디바이스 세트, 논리 디바이스를 제 1 동작 온도 이하로 냉각하도록 구성된 냉각 장치, 및 도관 내에서 적어도 부분적으로 둘러싸여 있고 초전도 신호 라인을 포함하는 상호 접속부를 포함할 수 있다. 냉각 장치는 상호 접속부와 열 소통하도록 위치하며, 상호 접속부 상의 초전도 신호 라인을 초전도 논리 디바이스 세트의 제 1 동작 온도보다 낮은 제 2 동작 온도로 냉각하도록 구성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도관(210)은 밀폐되고, 다중 브랜치 상호 접속부(220, 221, 222 등)를 둘러싼다. 상호 접속부(220)는 완전 밀봉될 수 있고, 도관 내부에서 둘러싸인 상호 접속부(220)를 하나 이상의 저온 논리 디바이스(예를 들어, 230 또는 235) 세트에 결합된 다른 상호 접속부에 연결하는 완전 밀봉 클램프(225 및 227)와 같은 연결을 포함한다. 도관(210)의 각각의 브랜치는 도관 브랜치(210)의 일 단부에서 냉각재 가스를 제공하는 줄-톰슨 밸브(예를 들어, 줄-톰슨 밸브(240))에 결합된다. 도관(210)은 다수의 배기 포트, 예를 들어, 배기 포트(250 및 255)를 더 포함하며, 이는 냉각재 가스가 도관(210)의 내부로부터 배출되게 하여 냉각재 가스는 회수되어 헬륨 냉동 장치에 보내질 수 있다. 상호 접속부(220)를 냉각하기 위해 헬륨 가스를 제공함으로써, 도관 내부의 상호 접속부(220)의 온도가 결합된 저온 논리 디바이스가 동작하는 온도보다 실질적으로 낮아짐에 따라 Q 인자는 상호 접속부에 대해 감소된다.
V. 예시적인 초전도 상호 접속부
도 3a 내지 도 3c는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 둘러싼 도관 또는 히트 파이프를 사용하여 냉각될 수 있는 예시적인 상호 접속부(300)를 도시한다. 도 3a는 다수의 초전도 스트립 라인, 예를 들어, 스트립 라인(320, 321 및 322)이 배치된 기판(310)(폴리이미드 기반 필름 또는 다른 적합한 물질로 제조될 수 있음)을 포함하는 상호 접속부의 평면도이다. 스트립 라인은, 예를 들어, 티타늄으로 형성된 선택적인 10 nm 접착층 위에 증착된 250 나노미터(nm) 두께의 니오븀 층으로 만들어질 수 있다. 일부 예에서, 가요성 초전도 케이블이 유리 기판을 사용하여 제조될 수 있다. 약 20 미크론(㎛)의 두께를 갖는 초기 폴리이미드 필름(예를 들어, Pyralin PI-2611 또는 HD-4100)이 유리 기판 상에 스핀 코팅될 수 있다. 플라즈마 공정에 이어 물리적 기상 증착(physical vapor deposition; PVD) 공정을 사용하여, 얇은 티타늄 필름을 경화된 폴리이미드 필름에 도포할 수 있다. 다음으로, 초전도 금속 층, 예를 들어, 니오븀 층으로 형성된 신호 라인이 증착될 수 있다. 다음으로, 선택적인 티타늄/니오븀 스택은 구리 층 또는 금 또는 은과 같은 다른 적합한 전도체로 캡핑될 수 있다. 예를 들어, 500 nm 구리 층을 사용할 수 있다. 마지막으로, 리소그래피 및 박막 처리 기술을 사용하여 전도체 트랙을 패턴화하고 신호 라인(예를 들어, 마이크로 스트립, 스트립 라인 또는 기판 상의 다른 경로)을 형성할 수 있다. 그런 다음, 폴리이미드 층이 전도체 위에 도포되고 경화될 수 있다. 이러한 공정은 반복되어 다수의 전도체 층이 있는 구조물을 형성할 수 있다. 본 개시의 이점을 갖는 당업자에게 용이하게 이해되는 바와 같이, 층 두께, 폭, 길이, 라인 피치 및 기타 양태의 선택은 상호 접속부에 대한 원하는 성능 특성에 기초하여 선택될 수 있다.
예를 들어, 니오븀, 몰리브덴 질화물, 니오븀 티타늄 질화물, 니오븀-질화물 또는 이러한 물질의 합금을 포함하는 임의의 적합한 초전도체 물질이 초전도 라인에 사용될 수 있다. 니오븀 박막은 특히 가요성 케이블의 경우에서처럼 구부러질 때 밑에 있는 기판으로부터의 균열 및 박리에 취약하다. 초전도 스트립 라인은 기판 상에 배치된 개재의 선택적 접착 층 위에 배치될 수 있으며, 선택적 접착 층은 예를 들어 티타늄으로 만들어질 수 있다. 티타늄은 이후 증착되는 금속 층을 위한 접착 및 전이 층으로 사용될 수 있다. 상호 접속부(300)는 초전도 스트립 라인의 단부 위에 배치된 접촉 금속화부를 더 포함한다. 일부 예에서, 접촉 물질은 초전도체로 만들어질 수 있는 반면, 다른 예에서, 구리, 알루미늄, 은, 금 또는 티타늄과 같은 얇은 물질 층이 사용될 수 있다. 도 3b는 점선(340)으로 표시된 바와 같이 취해진 상호 접속부(300)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 기판(310) 위에 배치된 스트립 라인(320, 321 및 322)을 포함하는 다수의 스트립 라인이 있다. 이에 대응하는 측의 상호 접속부(300)에는 상호 접속부(300)의 후면 위에 배치된 평면 층(350)이 있다. 평면 층(350)은 초전도체 물질, 예를 들어, 니오븀 또는 위에서 논의된 다른 물질로 만들어질 수 있거나, 위에 열거된 전도체 중 하나와 같은 전도체 층으로 만들어질 수 있다. 일부 예에서, 평면 층(350)은 상호 접속부(300)에 대한 접지면으로서 작용하도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 평면 층(350)은 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩을 사용하여 열전도성으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 구리로 형성된 열전도성 스트랩이 아래에서 더 논의되는 바와 같이 평면 층에서 냉각판으로 열을 전도하는 데 사용될 수 있다. 도 3c는 점선(360)으로 표시된 섹션에서 취해진 상호 접속부(300)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 각각의 스트립 라인은 스트립 라인의 단부 위에 배치된 접촉 금속화부(330, 331, 332)의 일부를 갖는다. 적합한 물질의 예로는 납, 인듐 또는 구리가 있다.
일부 예에서, 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO) 또는 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO)과 같은 고온 초전도체 물질이 더 높은 상대 온도(예를 들어, 이러한 물질의 경우 최대 약 70 K)에서 초전도 상호 접속부를 제공하는 데 사용될 수 있다.
VI. 추가 예시적인 상호 접속부
도 4a 및 도 4b는 개시된 기술의 특정 예에서 사용될 수 있는 바와 같이, 대안적인 상호 접속부 구성의 단면도를 도시한다. 도 4a는 기판, 예를 들어, 폴리이미드 기반 필름(420) 위에 배치된 다수의 초전도 스트립 라인(410)을 갖는 상호 접속부(400)를 도시한다. 상호 접속부는 다수의 평면 층, 예를 들어, 평면 층(430 및 435) 및 기판(425)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 평면 층 중 하나는 초전도체 물질로 만들어질 수 있는 반면, 다른 층은 전도체 물질로 만들어질 수 있다. 다른 예에서, 평면 층은 모두 초전도체 물질 또는 전도체 물질로 만들어진다. 도 4b는 절연체의 대응 측에 초전도체 또는 전도체 물질로 만들어진 평면 층(437)을 갖는 추가 기판(427) 이후의 상호 접속부(400)를 도시한다. 하나 이상의 평면 층(430, 435 및/또는 437)은 히트 파이프 또는 다른 냉각 수단을 사용하여 열전도성으로 위치할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 일부 예에서, 하나 이상의 평면 층은 전력 또는 접지 신호에 연결될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 개시된 기술의 특정 예에서 사용될 수 있는 바와 같이, 초전도 "동축" 상호 접속부(500)의 단면도 및 평면도를 각각 도시한다. 예를 들어, 도시된 케이블은 도관 내에서 둘러싸여 액체 헬륨과 같은 냉각재에 의해 냉각될 수 있거나 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩과 열 소통하도록 배치될 수 있는 상호 접속부이다.
도 5a의 단면도에 도시된 바와 같이, 단일 초전도체 신호 라인(520)이 폴리이미드, 캡톤, 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ), 세라플렉스, 플루오르화 에틸렌 프로필렌, 테플론, 마일라 또는 세라믹 물질과 같은 절연체 내에서 둘러싸여 있다. 예시적인 케이블은 상호 접속부(500)의 다른 부분에서 둘러싸여 있는 한 쌍의 신호 라인(525, 526)을 더 포함한다. 한 쌍의 신호 라인은 한 쌍의 신호 라인을 통해 차동 신호를 전달하기 위해 위치할 수 있다. 상호 접속부(500)는 신호 라인(520, 525, 526)의 위와 아래에 위치한 평면 층(530, 535)을 포함한다. 평면 층은 상호 접속부(500) 조립체에 전기적 연결 및 기계적 강성을 제공할 수 있는 차폐 비아(540, 541, 542)와 같은 일련의 차폐 비아에 의해 연결된다.
도 5a의 단면도는 점선(550)으로 표시된다. 도 5b의 평면도에 도시된 바와 같이, 신호 라인 사이, 예를 들어, 평면 층(530) 아래에 위치한 점선으로 표시된 바와 같은 차동 쌍(525 및 526)과 신호 라인(520) 사이의 전자기 및 간섭을 차폐하는 역할을 할 수 있는 다수의 추가 차폐 비아가 제공된다. 비아는, 예를 들어, 구리, 알루미늄, 금, 은 또는 텅스텐 중 하나 이상을 포함하는 임의의 적합한 전도체로 제조될 수 있다.
VII. 예시적인 다중 브랜치 상호 접속부 및 열전도성 스트랩
도 6a는 개시된 기술의 대안적인 예에서 사용될 수 있는 바와 같이, 열전도성 스트랩을 사용하여 다중 브랜치 상호 접속부(610)를 냉각하기 위한 예시적인 시스템을 도시하는 다이어그램(600)이다. 다른 예에서, 열전도성 스트랩 대신에 또는 그에 추가하여 히트 파이프가 사용될 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 초전도 신호 라인(620, 621, 622)이 절연 기판(630) 위에 배치된다. 이어서, 절연 기판은 상호 접속부(610)의 신호 라인(620)의 대응 측 상의 초전도체 또는 전도체 물질의 평면 층 위에 배치된다. 복수의 열전도성 스트랩, 예를 들어, 스트랩(640, 641, 642 및 643)이, 예를 들어, 평면 층과 접촉하여 위치함으로써 평면 층과 열 소통하도록 배치된다. 스트랩(들)의 말단부는 저온으로 유지되는 냉각판에 결합된다. 상호 접속부(610)로부터의 열은 스트랩을 통해 냉각판(650)으로 전달된다. 일부 예에서, 열전도성 스트랩은 상호 접속부 커플링의 절연체 부분 상에 배치된 전도체 층을 포함한다. 일부 예에서, 전도체 층은 구리 및 알루미늄, 은, 금 또는 티타늄 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 예에서, 절연체는 폴리이미드, 캡톤, 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ), 세라플렉스, 플루오르화 에틸렌 프로필렌, 테플론, 마일라 또는 세라믹 물질 중 적어도 하나를 포함한다. 다른 예에서, 전도성 스트랩 대신에 또는 그에 추가하여 히트 파이프가 사용될 수 있다.
도 6b는 다중 브랜치 상호 접속부(610)의 도 6a의 점선(670)에서의 단면도(680)이다. 도시된 바와 같이, 신호 라인(620) 반대 측 상의 평면 층은 열전도성 스트랩(640)과 접촉하여 배치된다. 열전도성 스트랩의 말단부는 냉각판(650)에 클램핑된다. 냉각판(650)은 논리 디바이스(660 및/또는 665)가 동작하는 온도보다 낮은 온도로 열전도성 스트랩을 냉각하도록 구성된다.
VIII. 초전도체 물질의 예시적인 성능
도 7은 개시된 기술의 특정 예에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 주파수 및 온도의 함수로서 초전도 전송 라인에서의 손실을 보여주는 차트(700)이다. 손실은 전송 라인을 공진기로 구성하여 측정했으며, 여기서 라인의 양단은 개방 회로이고 네트워크 분석기에 약하게 결합된다. 예를 들어, 제 1 데이터 시리즈(710)는 주파수 범위에 걸쳐 4.2 K에서의 초전도 전송 라인에 대한 손실을 보여준다. 제 2 및 제 3 시리즈(720 및 730)는 3.6 K 및 3 K에서의 손실을 보여준다. 제 4 및 제 5 시리즈(740 및 750)는 1.2 K 및 20 mK에서의 손실을 보여준다. 공진기의 품질 인자( "Q")는 각 공진 주파수에서 측정되었다. 공진기의 손실은 Q의 역수(1/Q)에 비례하며, 여러 상이한 온도에 대해 플롯팅된다. 차트(700)에 도시된 바와 같이, 4.2 K 미만의 냉각은 손실의 극적인 감소로 이어지고, 이러한 감소는 더 높은 주파수에서 더 두드러지는 것이 분명하다.
IX. 초전도 상호 접속부를 냉각하는 예시적인 방법
도 8은 개시된 기술의 특정 예에서 수행될 수 있는 바와 같이, 초전도 컴퓨터 시스템에서 상호 접속부를 제공하는 예시적인 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도(800)이다. 예를 들어, 냉각재, 열전도성 스트랩 또는 히트 파이프를 수용하도록 구성된 도관을 포함하는 위에서 설명된 장치를 사용하여 도시된 방법을 구현할 수 있다.
프로세스 블록(810)에서, 케이블과 같은 초전도 상호 접속부가 제 1 및 제 2 세트의 초전도 논리 디바이스에 결합된다. 예를 들어, 위에서 논의된 것과 같은 가요성 또는 강성 초전도 케이블이 결합될 수 있다. 일부 예에서, 적어도 하나의 초전도체 스트립 라인이 표면에 배치된 폴리이미드 케이블이 클램프 또는 다른 적합한 연결 기술을 사용하여 초전도 논리 디바이스에 결합된다. 일부 예에서, 전도체 층이 또한 초전도 케이블의 적어도 일부 위에 배치될 수 있다.
프로세스 블록(820)에서, 제 1 및/또는 제 2 세트의 초전도 논리 디바이스는 제 1 온도로 냉각된다. 예를 들어, 저온 유지 장치 또는 희석식 냉동 장치와 같은 다른 냉동 기술을 사용하여 초전도 논리 디바이스를 선택 온도로 냉각할 수 있다.
프로세스 블록(830)에서, 프로세스 블록(810)에서 결합된 초전도 상호 접속부 또는 케이블은 초전도 논리 디바이스가 냉각되는 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각된다. 예를 들어, 초전도 논리 디바이스는 약 4 K로 냉각될 수 있고, 초전도 케이블 또는 상호 접속부는 K 이하로 냉각될 수 있다. 일부 예에서, 제 2 온도는 켈빈도로 측정될 때 제 1 온도보다 적어도 25 % 낮다. 일부 예에서, 초전도 케이블은 근본적으로 밀봉된 도관, 열전도성 스트랩, 또는 히트 파이프를 제공하고 초전도 케이블과 열 소통함으로써 냉각된다.
X. 도관과 상호 접속부를 냉각하는 예시적인 방법
도 9는 개시된 기술의 특정 예에서 수행될 수 있는 바와 같이, 초전도 논리 디바이스에 결합된 도관을 냉각하는 예시적인 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도(900)이다. 예를 들어, 위에서 논의된 밀봉된 도관을 사용하여 도시된 방법을 수행할 수 있다.
프로세스 블록(910)에서, 하나 이상 초전도 논리 디바이스 세트에 결합된 초전도 케이블의 적어도 일부를 둘러싸는 도관이 제공된다. 도관 내부에 제공되는 냉각재 액체 또는 가스를 둘러싸기 위해 도관을 밀폐하거나 완전 밀봉할 수 있다. 도관은 하나 이상의 입구 밸브, 예를 들어, 줄-톰슨 밸브에 결합된 입구 밸브 및 하나 이상의 출구 포트를 가질 수 있다. 따라서, 냉각재는 도관 내에서 둘러싸인 상호 접속부의 냉각을 제공하기 위해 냉동 장치로 순환될 수 있다.
프로세스 블록(920)에서, 상호 접속부가 결합된 초전도 논리 디바이스의 온도보다 낮은 온도에서 냉각재가 도관에 제공된다. 예를 들어, 헬륨 증기 흐름이 줄-톰슨 밸브를 통해 도관으로 제공될 수 있다. 또한, 헬륨 증기 흐름은 추가 냉각을 위해 배기 밸브를 통해 도관 밖으로 제공될 수 있다. 일부 예에서, 액체상 헬륨이 초전도 상호 접속부의 적어도 일부를 둘러싸는 도관에 제공된다. 냉각재는 초전도 논리 디바이스 세트 중 적어도 하나보다 낮은 온도에서 제공된다. 예를 들어, 냉각재는 2 K, 1 K, 100 mK, 20 mK 또는 기타 적합한 온도에서 제공될 수 있다. 둘러싸인 상호 접속부의 전기적 특성에 기초하여 온도 및 냉각재를 선택할 수 있다. 일부 예에서, 상호 접속부를 통해 전송되는 신호의 감쇠가 20 % 이하 또는 10 % 이하로 유지되도록 냉각재 및 특성을 선택하는 것이 바람직하다.
프로세스 블록(930)에서, 도관의 배기 포트를 통해 수용된 배출 냉각재가 도관으로 재도입될 수 있는 온도로 냉각된다.
XI. 개시된 기술의 추가 예
개시된 기술의 추가 예가 위의 예에 따라 개시된다.
개시된 기술의 일부 예에서, 초전도 컴퓨팅 시스템에서 상호 접속부를 제공하는 방법은 초전도 케이블을 제 1 세트의 초전도 논리 기반 디바이스 및 제 2 세트의 초전도 논리 기반 디바이스에 결합하는 단계, 제 1 세트, 제 2 세트, 또는 제 1 세트 및 제 2 세트의 초전도 논리 기반 디바이스를 제 1 온도로 냉각하는 단계, 및 초전도 케이블을 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각하는 단계를 포함한다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 4 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 2 켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 4.2 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 3 켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 3.6 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 1.2 켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 4 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 20 밀리켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 4.2, 4.0, 3.6, 3.0, 2.4, 2.0 또는 1.2 켈빈도로 구성된 그룹으로부터 선택된 온도 미만이며, 제 2 온도는 제 1 온도보다 낮은 온도이며, 제 2 온도는 4.0, 3.6, 3.0, 2.4, 2.0 또는 1.2 켈빈도로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 예에서, 제 2 온도는 제 1 온도(켈빈도)보다 적어도 25 % 낮다. 일부 예에서, 제 2 온도는 제 1 온도(켈빈도)보다 적어도 50% 낮다. 일부 예에서, 제 2 온도는 제 1 온도(켈빈도)보다 적어도 75% 낮다.
일부 예에서, 상기 방법은 초전도 케이블의 적어도 일부를 둘러싸는 완전 밀봉된 도관을 제공하는 단계, 및 줄-톰슨 밸브를 통해 도관으로 헬륨 증기 흐름을 제공하는 단계를 더 포함한다. 일부 예에서, 상기 방법은 배기 밸브를 통해 도관 밖으로 헬륨 증기 흐름을 제공하는 단계를 더 포함한다. 일부 예에서, 초전도 케이블을 냉각하기 위해 액체 헬륨이 제공된다. 일부 예에서, 상호 접속부에 사용되는 초전도체의 특성에 따라 더 높은 비등점을 갖는 가스가 도관에 제공된다. 일부 예에서, 상기 방법은 도관 밖으로 나오는 헬륨 증기 흐름의 적어도 일부를 냉각하는 단계, 및 줄-톰슨 밸브를 통해 도관에 냉각된 증기를 제공하는 단계를 더 포함한다. 일부 예에서, 상기 방법은 냉각 증기 또는 액체를 초전도 상호 접속부에 제공하는 것에 추가하여 또는 그 대신에 초전도 케이블과 열 소통하는 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩을 제공하는 단계를 더 포함한다.
일부 예에서, 초전도 케이블은 적어도 하나의 초전도 신호 라인 및 적어도 하나의 전도체 평면을 포함하고, 초전도 케이블을 냉각하는 단계는 적어도 하나의 전도체 평면과 열 소통하는 적어도 하나의 냉각판을 제공하는 단계를 포함한다. 일부 예에서, 초전도 케이블을 냉가하는 단계는 초전도 케이블의 적어도 일부를 둘러싸는 완전 밀봉된 매니폴드에 액체 또는 기상 헬륨을 제공하는 단계를 포함한다. 일부 예에서, 두 세트의 초전도 논리 디바이스는 두 개의 상이한 기판에 위치한다. 일부 예에서, 두 세트의 초전도 논리 디바이스는 두 개의 별도의 인클로저 내에 위치한다. 일부 예에서, 두 세트의 초전도 논리 디바이스는 동일한 극저온 냉각기에 의해 냉각되는 반면, 다른 경우에는 별도의 냉각기가 사용된다.
방법의 일부 예에서, 냉각된 액체 헬륨 또는 기체 헬륨을 제공하는 밸브에 추가하여 또는 그 대신에 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩이 제공된다. 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩은 냉각 장치와 적어도 하나의 상호 접속부 사이에 열 소통을 제공한다. 일부 예에서, 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩은 상호 접속부 커플링의 절연체 부분 상에 배치된 전도체 층을 포함한다. 일부 예에서, 전도체 층은 금속이다. 일부 예에서, 전도체 층은 구리, 알루미늄, 은, 금 또는 티타늄 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 예에서, 절연체는 폴리이미드, 캡톤, 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ), 세라플렉스, 플루오르화 에틸렌 프로필렌, 테플론, 마일라 또는 세라믹 물질 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 예에서, 초전도 상호 접속부 커플링은 니오븀, 몰리브덴 질화물, 또는 니오븀 티타늄 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 신호 라인을 포함한다.
개시된 기술의 일부 예에서, 장치는 초전도 상호 접속부의 적어도 일부를 둘러싸도록 구성된 밀봉 가능한 도관을 포함하고, 도관은 또한 초전도 상호 접속부를 냉각하기 위해 액체 또는 가스 냉각재를 수용하도록 구성되며, 도관은 또한 초전도 상호 접속부를 하나 이상의 초전도 논리 디바이스에 결합하도록 구성된다. 일부 예에서, 상기 장치는 도관에 결합되고 도관의 내부 부분에 가스 냉각재를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 줄-톰슨 밸브를 포함한다. 일부 예에서, 상기 장치는 도관에 결합되고 도관의 내부 부분으로부터 가스 냉각재를 수용하도록 구성된 배기 포트를 포함한다. 일부 예에서, 상기 장치는 냉각재로서 헬륨 가스 또는 액체를 수용하도록 구성된다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 4 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 2 켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 4.2 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 3 켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 3.6 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 1.2 켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 4 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 20 밀리켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 4.2, 4.0, 3.6, 3.0, 2.4, 2.0 또는 1.2 켈빈도로 구성된 그룹으로부터 선택된 온도 미만이며, 제 2 온도는 제 1 온도보다 낮은 온도이며, 제 2 온도는 4.0, 3.6, 3.0, 2.4, 2.0 또는 1.2 켈빈도로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 예에서, 제 2 온도는 제 1 온도(켈빈도)보다 적어도 25 % 낮다. 일부 예에서, 제 2 온도는 제 1 온도(켈빈도)보다 적어도 50% 낮다. 일부 예에서, 제 2 온도는 제 1 온도(켈빈도)보다 적어도 75% 낮다. 일부 예에서, 상호 접속부에 사용되는 초전도체의 특성에 따라 헬륨보다 더 높은 비등점을 갖는 가스가 도관에 제공된다.
일부 예에서, 장치는 절연체 위에 배치된 초전도체 물질을 포함하는 적어도 하나의 신호 라인을 포함하는 초전도 상호 접속부를 포함한다. 일부 예에서, 상기 장치는 도관에 결합되고 도관의 내부 부분에 액체 냉각재를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 밸브, 및 도관에 결합되고 기체 또는 액체 형태의 액체 냉각재를 수용하도록 구성된 배기 포트를 더 포함한다. 일부 예에서, 배기 포트는 냉각재를 재냉각하고 장치 밸브로 다시 재순환시킬 수 있는 극저온 냉각기에 결합된다. 일부 예에서, 초전도 상호 접속부는 케이블의 표면 상에 배치된 적어도 하나의 초전도체 스트립 라인을 포함하는 폴리이미드 케이블을 포함하고, 폴리이미드 케이블은 초전도 상호 접속부의 일부를 형성한다. 일부 예에서, 상기 장치는 도관에 결합되고 제 1 온도 및 제 1 압력에서 제공된 가스 냉각재를 수용하도록 구성된 밸브를 더 포함하고, 밸브는 제 1 압력보다 낮은 압력 및 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 도관의 내부 부분에 가스 냉각재를 제공하도록 추가로 구성된다. 일부 예에서, 상기 장치는 냉각재로서 헬륨 가스 또는 액체를 수용하도록 구성된다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 4 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 2 켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 4.2 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 3 켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 3.6 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 1.2 켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 약 4 켈빈(K)도 이고, 제 2 온도는 20 밀리켈빈도 이하이다. 일부 예에서, 제 1 온도는 4.2, 4.0, 3.6, 3.0, 2.4, 2.0 또는 1.2 켈빈도로 구성된 그룹으로부터 선택된 온도 미만이며, 제 2 온도는 제 1 온도보다 낮은 온도이며, 제 2 온도는 4.0, 3.6, 3.0, 2.4, 2.0 또는 1.2 켈빈도로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 예에서, 제 2 온도는 제 1 온도(켈빈도)보다 적어도 25 % 낮다. 일부 예에서, 제 2 온도는 제 1 온도(켈빈도)보다 적어도 50% 낮다. 일부 예에서, 제 2 온도는 제 1 온도(켈빈도)보다 적어도 75% 낮다. 일부 예에서, 상호 접속부에 사용되는 초전도체의 특성에 따라 헬륨보다 더 높은 비등점을 갖는 가스가 도관에 제공된다. 일부 예에서, 상기 장치는 냉각된 액체 헬륨 또는 기체 헬륨을 제공하는 밸브에 추가하여 또는 그 대신에 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩을 포함한다. 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩은 냉각 장치와 적어도 하나의 상호 접속부 사이에 열 소통을 제공한다. 일부 예에서, 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩은 상호 접속부 커플링의 절연체 부분 상에 배치된 전도체 층을 포함한다. 일부 예에서, 전도체 층은 금속이다. 일부 예에서, 전도체 층은 구리, 알루미늄, 은, 금 또는 티타늄 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 예에서, 절연체는 폴리이미드, 캡톤, 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ), 세라플렉스, 플루오르화 에틸렌 프로필렌, 테플론, 마일라 또는 세라믹 물질 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 예에서, 상호 접속부 커플링은 니오븀, 몰리브덴 질화물, 또는 니오븀 티타늄 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 신호 라인을 포함한다.
개시된 기술의 일부 예에서, 시스템은 적어도 두 세트의 초전도 논리 디바이스, 적어도 두 세트의 초전도 논리 디바이스를 제 1 동작 온도 이하로 냉각하도록 구성된 냉각 장치, 적어도 두 세트의 초전도 논리 디바이스를 결합하고 적어도 하나의 초전도 신호 라인을 포함하는 적어도 하나의 상호 접속부, 및 적어도 하나의 상호 접속부와 열 소통하는 냉각 장치를 포함하며, 냉각 장치는 적어도 두 세트의 초전도 논리 디바이스의 제 1 동작 온도보다 낮은 제 2 동작 온도로 적어도 하나의 초전도 신호 라인을 냉각하도록 구성된다. 일부 예에서, 상기 시스템은 냉각된 액체 헬륨 또는 기체 헬륨을 제공하는 밸브에 추가하여 또는 그 대신에 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩을 포함한다. 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩은 냉각 장치와 적어도 하나의 상호 접속부 사이에 열 소통을 제공한다. 일부 예에서, 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩은 상호 접속부 커플링의 절연체 부분 상에 배치된 전도체 층을 포함한다. 일부 예에서, 전도체 층은 금속이다. 일부 예에서, 전도체 층은 구리, 알루미늄, 은, 금 또는 티타늄 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 예에서, 절연체는 폴리이미드, 캡톤, 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ), 세라플렉스, 플루오르화 에틸렌 프로필렌, 테플론, 마일라 또는 세라믹 물질 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 예에서, 상호 접속부 커플링은 니오븀, 몰리브덴 질화물, 또는 니오븀 티타늄 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 신호 라인을 포함한다. 일부 예에서, 상기 시스템은 적어도 하나의 상호 접속부의 적어도 일부를 둘러싸는 완전 밀봉된 도관을 더 포함하고, 도관은 제 1 동작 온도보다 낮은 온도에서 제공된 냉각재를 수용하도록 추가로 구성된다.
개시된 주제의 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 실시예의 관점에서, 도시된 실시예는 개시된 기술의 바람직한 예일 뿐이며 청구된 주제의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 인식해야 한다. 오히려, 본 발명의 범위는 다음의 청구 범위에 의해 정의된다. 따라서, 이러한 청구 범위 내에 있는 모든 것을 본 발명으로 주장한다.

Claims (17)

  1. 장치에 있어서,
    초전도 상호 접속부의 적어도 일부를 둘러싸도록 구성된 밀봉 가능한 도관
    을 포함하고, 상기 도관은 또한 상기 초전도 상호 접속부를 냉각(chilling)하기 위해 액체 또는 가스 냉각재를 수용하도록 구성되고, 상기 도관은 또한 상기 초전도 상호 접속부를 하나 이상의 초전도 논리 디바이스에 결합하도록 구성되는 것인, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도관에 결합되고 상기 도관의 내부 부분에 가스 냉각재를 제공하도록 구성된 줄-톰슨(Joule-Thomson) 밸브; 및
    상기 도관에 결합되고 상기 도관의 내부 부분으로부터 상기 가스 냉각재를 수용하도록 구성된 배기 포트
    를 더 포함하는, 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도관에 결합되고 상기 도관의 내부 부분으로부터 상기 가스 냉각재를 수용하도록 구성된 배기 포트를 더 포함하는, 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 상호 접속부 - 상기 초전도 상호 접속부는 절연체 위에 배치된 초전도체 물질을 포함한 적어도 하나의 신호 라인을 포함함 - 를 더 포함하는, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    폴리이미드 케이블의 표면 상에 배치된 적어도 하나의 초전도체 스트립 라인을 포함하는 상기 폴리이미드 케이블 - 상기 폴리이미드 케이블은 상기 초전도 상호 접속부의 일부를 형성함 - 을 더 포함하는, 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도관에 결합되고 제 1 온도 및 제 1 압력에서 제공되는 가스 냉각재를 받아들이록 구성된 밸브 - 상기 밸브는 또한 상기 제 1 압력보다 낮은 압력 및 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도에서 상기 도관의 내부 부분에 상기 가스 냉각재를 제공하도록 구성됨 - 를 더 포함하는, 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 논리 디바이스를 제 1 온도 범위로 냉각(cooling)하도록 구성된 제 1 냉각 장치;
    상기 초전도 상호 접속부; 및
    상기 제 1 온도 범위 보다 낮은 제 2 온도로 상기 초전도 상호 접속부를 냉각하도록 구성된 제 2 냉각 장치
    를 더 포함하는, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 상호 접속부의 절연체 부분 상에 배치된 전도체 층을 포함하는 히트 파이프 또는 열전도성 스트랩을 더 포함하는, 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 상호 접속부는 적어도 두 개의 브랜치를 포함하고,
    상기 도관은 상기 초전도 상호 접속부의 두 개 이상의 브랜치를 둘러싸는 것인, 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연체는 폴리이미드, 캡톤, 이트륨 안정화 지르코니아(YSZ), 세라플렉스(Ceraflex), 플루오르화 에틸렌 프로필렌, 테플론(Teflon), 마일라(Mylar), 또는 세라믹 물질 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 신호 라인은 니오븀, 몰리브덴 질화물, 또는 니오븀 티타늄 질화물 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 장치.
  11. 방법에 있어서,
    초전도 논리 디바이스에 결합된 초전도 상호 접속부를, 액체 또는 가스 냉각재를 수용하도록 구성된 밀봉 가능한 도관으로 둘러싸는 단계(enclosing); 및
    상기 밀봉 가능한 도관으로, 상기 초전도 상호 접속부를 상기 초전도 논리 디바이스의 제 2 온도 보다 낮은 제 1 온도로 냉각하는 단계(cooling)
    를 포함하는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 2 켈빈(K)도 이하이고, 상기 제 2 온도는 4 켈빈도 이상인 것인, 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 켈빈도에서 상기 제 2 온도보다 적어도 25 % 낮은 것인, 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는 줄-톰슨 밸브를 통해 상기 도관으로 헬륨 증기 흐름을 제공하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는 상기 초전도 상호 접속부의 적어도 일부를 둘러싸는 완전 밀봉된(hermetically sealed) 매니폴드에 액체 또는 기상 헬륨을 제공하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는 배기 밸브를 통해 헬륨 증기 흐름을 상기 도관 밖으로 제공하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는, 상기 도관 밖으로 나오는 헬륨 증기 흐름의 적어도 일부를 냉각(refrigerating)하는 단계 및 줄-톰슨 밸브를 통해 상기 도관으로 상기 냉각된 헬륨 증기를 제공하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
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