Hvorfor bør vi bruke dynamiske kretser i lavtemperaturer?

Moderne digitale systemer bruker hovedsakelig statisk logikk, som har vist seg effektiv for mange anvendelser. Imidlertid, når slike systemer opererer ved ekstremt lave temperaturer, som i kryogeniske miljøer, kan dynamisk logikk tilby flere fordeler, spesielt når det gjelder strømforbruk og ytelse. For å forstå hvorfor dynamiske kretser blir attraktive i slike forhold, er det nødvendig å se nærmere på forskjellene mellom statiske og dynamiske kretser, og hvordan de reagerer på temperaturendringer, spesielt ved temperaturer som nærmer seg 4 K.

Men dynamiske kretser kommer med sine egne utfordringer. For eksempel kan de ikke operere ved lave frekvenser på grunn av lekkasje av ladning på kondensatorene. I tillegg har dynamiske kretser lavere støymotstand, noe som gjør dem mindre robuste i enkelte applikasjoner. Et annet problem er testbarheten av slike kretser. Ettersom det ikke er mulig å opprettholde en logisk tilstand ved lav spenning i dynamiske logikkretter, blir det utfordrende å utføre statisk testing eller måle individuelle noder.

Når det gjelder MOSFET-transistorer ved kryogeniske temperaturer, ser vi en betydelig forbedring i både ytelse og pålitelighet sammenlignet med romtemperaturdrift. Dette skyldes blant annet at lekkasjestrømmen reduseres betydelig ved lavere temperaturer, noe som betyr at ladningen på kondensatorene ikke lekker ut på samme måte som ved romtemperatur. Dette gjør at dynamiske kretser kan operere ved lavere frekvenser – i prinsippet kan de til og med operere ved likestrøm – og dermed redusere strømforbruket betraktelig. Det er også andre fysiske egenskaper ved MOSFET-er som gjør at de fungerer bedre ved kryogeniske temperaturer: høyere transientstrømmer, ubetydelige lekkasjestrømmer og økt subthreshold-skråning.

For å forstå dette bedre, kan vi se på hvordan en dynamisk logikkretter fungerer. I en typisk dynamisk logikkkrets, som en to-input NAND-port, er det kapasitansen på utgangsnode som opprettholder spenningen ved logisk nivå. Kretsen opererer i to faser: en precharge-fase og en evalueringsfase. I precharge-fasen blir utgangsnode ladet opp til Vdd, mens i evalueringsfasen bestemmes logisk nivå basert på inputsignalene. Hvis kretsen er lukket, vil kapasitoren dischargere til bakken, noe som resulterer i en logisk 0 på utgangen. Hvis kretsen er åpen, forblir spenningen høy, og utgangen vil være en logisk 1.

Men en av de store fordelene ved drift ved kryogeniske temperaturer er at lekkasjestrømmene i disse kretsene blir praktisk talt ubetydelige, og dette gjør at dynamiske kretser kan operere ved lave frekvenser uten at ladningene lekker bort. Dette kan tillate testing av dynamiske kretser under forhold som ellers ikke ville vært mulig ved romtemperatur, og det gir mulighet for mye mer effektive systemer som kan brukes i kryogeniske applikasjoner, for eksempel innenfor feltet høyytelses databehandling eller romfartsteknologi.

For leseren er det viktig å forstå at selv om dynamiske kretser har flere klare fordeler ved lave temperaturer, finnes det fortsatt utfordringer som må håndteres. Det kan være utfordrende å designe systemer som utnytter dynamisk logikk på en optimal måte, og man må være oppmerksom på de spesifikke kravene som følger med drift under kryogeniske forhold. En dyptgående forståelse av hvordan transistorer oppfører seg ved lave temperaturer, og hvordan dette påvirker både hastighet og stabilitet, er avgjørende for å designe systemer som virkelig utnytter de kryogeniske fordelene.

For den som ønsker å gå videre med å implementere slike kretser i praktiske applikasjoner, er det også viktig å vurdere andre aspekter som materialvalg, elektromagnetisk interferens, og hvordan disse systemene kan integreres med eksisterende teknologier.

Når bør dynamisk logikk brukes i kryogene databehandlingssystemer?

Dynamisk logikk har vist seg å være spesielt effektiv under kryogene forhold, der lekkasjestrømmer reduseres betydelig. I systemer som opererer ved temperaturer fra flytende helium til romtemperatur, er det dokumentert at dynamisk logikk overgår statisk logikk i effektivitet, gitt bestemte frekvens- og temperaturforhold. Ved flytende helium-temperatur (4 K), kan dynamisk logikk operere selv ved likestrøm (DC), noe som gjør den foretrukket over statisk logikk uavhengig av klokkehastighet. Når man beveger seg oppover i temperatur, øker lekkasjehastigheten eksponentielt, men visse terskler for temperatur og frekvens åpner fortsatt for fordelaktig bruk av dynamisk logikk.

Dynamisk logikk er optimal ved temperaturer under 11 K når operasjonsfrekvensen er høyere enn 1 Hz. Ved flytende nitrogen-temperatur (77 K), kreves en frekvens på over 29,7 MHz for at dynamisk logikk skal være fordelaktig. Ved frekvenser over 1,209 GHz blir dynamisk logikk det foretrukne alternativet uavhengig av driftstemperatur. Disse grensene definerer overgangen fra termisk dominert til tidsdominerte lekkasjeprosesser i de respektive teknologiene.

I denne sammenheng er hybrid termisk arkitektur blitt en tilnærming med økende relevans. Ved å distribuere ulike teknologier – som CMOS og superledende kretser – over ulike temperatursoner i et kryokjølesystem, kan man oppnå en betydelig reduksjon i samlet energiforbruk. Et praktisk eksempel er bruken av et totrinns Sumitomo SRDK-101DP-11C-kjølesystem, hvor superledende lavtemperaturkretser plasseres på 4 K-trinnet, mens høytemperaturkomponenter som analoge filtre og lavstøyforsterkere plasseres på 60 K-trinnet.

Viktig i dette rammeverket er at hvert kjøletrinn i slike systemer har en intern temperaturgradient. For eksempel opererer 60 K-trinnet teknisk innen et intervall på 60–80 K, og ikke ved en fast verdi. Denne variasjonen kan utnyttes strategisk for å plassere underkomponenter mer presist i forhold til både varmeutvikling og krav til termisk isolasjon.

For å oppnå optimal drift kreves det mer enn bare komponentvalg. En metode for temperaturoptimalisering av hver systemenhet er nødvendig. Denne metoden baseres på en grafteoretisk modell der man først genererer en representasjon av systemet med definerte temperaturintervaller per komponent. Deretter analyseres varmeflyten mellom komponentene, og lekkasjekraft som følge av temperaturdifferanser vurderes. Resultatet er en total effektbalanse som inkluderer ikke bare intern komponentytelse, men også energikostnaden ved nedkjøling og intern varmeoverføring.

Varmeflyten mellom moduler, særlig fra høyere temperatursoner til lavere, gir opphav til ekstra kjølebelastning. Disse lekkasjene må tas i betraktning når man vurderer hvilke deler av systemet som skal plasseres i hvilke soner. En enhet som øker varmebelastningen i et lavtemperaturmiljø ved dårlig termisk isolasjon, kan undergrave ytelsesgevinsten til superledende kretser. Derfor må man ikke bare fokusere på lokal optimalisering, men også på systemisk koordinering mellom temperaturtrinnene.

I lys av dette er det tydelig at den konvensjonelle tilnærmingen hvor hele systemet opererer ved én temperatur, eller hvor man kun vurderer to ekstreme trinn, ikke er tilstrekkelig. Den interne variasjonen i hvert trinn og interaksjonen mellom enheter krever mer presis modellering og planlegging. Når man i tillegg integrerer teknologier som kvanteprosessorer, øker kravene til termisk isolasjon, synkronisering og generell systemstabilitet.

Derfor bør dynamisk logikk i kryogene systemer ikke be

Hva er fordelen med resirkulerende og rekupereerende kjølesystemer i kryogenikk?

Rekupereerende systemer, som Joule-Thomson, Brayton og Claude kjølesystemer, benytter seg av gassens termodynamiske egenskaper, hvor gassen enten ekspanderer passivt eller ved hjelp av mekaniske komponenter som en kompressor eller turbin. I disse systemene beveger kjølevæsken seg i en retning med konstant trykk, og prosessen kan gi mer effektiv kjøling over lang tid, spesielt i systemer som krever lavt energiforbruk eller der støy og vibrasjoner må minimeres. Slike systemer finner anvendelse i blant annet store heliumliquifiseringsanlegg og romteknologi.

Joule-Thomson kjølesystemer fungerer ved at en gass under høyt trykk ekspanderer gjennom en JT-ventil, som kan være en spesialisert ventil, en porøs plugg eller en kapillær. Denne ekspansjonen skjer under konstant entalpi, hvor varme tas opp av gassen uten at arbeid produseres. En betydelig fordel med JT-systemer er fraværet av bevegelige deler i den kalde delen av systemet, noe som gjør dem pålitelige og potensielt lettere å miniaturisere. Likevel, disse systemene krever høyt trykk og er avhengige av kompressorer som har en begrenset levetid. I applikasjoner der systemet benytter gasser som helium eller hydrogen, kan kjøling nå ekstremt lave temperaturer, som i tilfelle med James Webb Space Telescope, som bruker et Joule-Thomson kjølesystem til å kjøle ned instrumenter til 7 K.

Brayton kjølesystemer, på den annen side, benytter seg av enten en stempelkompressor eller en turbin med aerodynamiske lagre for ekspansjonen av gassen. Disse systemene er mer effektive enn JT-kjølere, da de krever lavere trykk og generelt produserer mindre støy og vibrasjoner. Imidlertid er det en utfordring å produsere små stempler eller turbiner, spesielt for romapplikasjoner, hvor små turbiner som roterer med høye hastigheter er nødvendig for kjøling av infrarøde sensorer. I tillegg er Brayton-systemer generelt mindre effektive enn Stirling kjølesystemer eller noen pulse tube kjølesystemer.

Claude kjølesystemet, som benytter en flertrinnsprosess, er også en form for rekupereerende system. Dette systemet benytter Brayton-kretsen i de tidlige stadiene for å kjøle ned gassen, og deretter går gassen gjennom en JT-prosess i det siste trinnet, noe som muliggjør fortynning og potensielt dannelse av væske. Dette systemet er spesielt nyttig når veldig lave temperaturer er nødvendig, som i tilfeller hvor gassen må bli væske før videre behandling.

De viktigste fordelene med rekupereerende systemer er deres evne til å levere stabil kjøling over lang tid, samt deres relativt enkle operasjon under de rette forholdene. Disse systemene gir også muligheten til å plassere kompressoren langt fra den kalde delen av systemet, noe som reduserer støy og vibrasjon. De er imidlertid ikke uten utfordringer, som begrenset levetid på høyt trykk-kompressorer og muligheten for blokkering av små ventiler eller orifiser.

Regenererende kryogeniske kjølesystemer, derimot, benytter en annen prinsipp ved å bruke en regenerativ varmeveksler for å tilbakeføre varme til kjølevæsken. Eksempler på slike systemer inkluderer Stirling, Gifford-McMahon (GM) og pulse tube kjølesystemer. Disse systemene opererer typisk med lavere trykk (1,5 til 3 MPa) og har frekvenser som kan variere fra rundt 1 Hz til 60 Hz, avhengig av systemets type. Fordelen med regenererende systemer er at de kan være mer energieffektive under visse forhold, spesielt i applikasjoner der kontinuerlig kjøling er nødvendig.

Stirling kjølesystemer bruker en kompressor uten ventiler, som genererer et oscillerende trykk. GM-systemene, derimot, bruker en standard kompressor med ventiler som veksler mellom ulike trykknivåer, noe som gjør det mulig å plassere kompressoren lengre bort fra den kalde delen, noe som igjen reduserer støy og vibrasjon. Pulse tube systemer, derimot, er helt ventilløse og benytter seg av pulsene som genereres av en kompressor for å oppnå kjøling.

For leseren som ønsker å forstå og anvende kryogene kjølesystemer, er det viktig å vurdere både de tekniske kravene og applikasjonens spesifikasjoner. For eksempel, mens Joule-Thomson-systemer kan være svært effektive i enkelte applikasjoner, kan de være mindre egnet for langsiktig drift på grunn av deres behov for høyt trykk og begrenset levetid på kompressoren. På den andre siden er Brayton- og Claude-systemer ofte mer egnet for mer krevende oppgaver som romfart eller store industrielle prosesser, men deres effektivitetsnivåer og konstruksjonsutfordringer må vurderes nøye.