DE1102809B - Informationsspeicher mit supraleitfaehigen bistabilen Elementen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf bistabile Elemente aus supraleitfähigem Material und insbesondere auf Informationsspeicher und Auswahlsysteme, welche solche Elemente benutzen. Die beiden Zustände jedes supraleitfähigen Elementes werden durch zwei Richtungen des Stromflusses in dem Element dargestellt. Ein in diesem Element in der einen Stromrichtung fließender Strom bleibt in dieser Richtung aufrechterhalten, bis er durch von außen ausgeübte Kräfte geändert wird.

Ein Zweck der Erfindung besteht darin, ein Gedächtnissystem anzugeben, das aus supraleitfähigen Elementen besteht, eine verhältnismäßig große Speicherkapazität hat und in einfacher Weise aufgebaut werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Blatt oder eine Scheibe eines Materials, das unterhalb einer gewissen Temperatur supraleitfähig wird, mit einer Mehrzahl von Löcherpaaren versehen, die in einer Matrix von Zeilen und Reihen angeordnet sind. Das Material zwischen je zwei Löchern stellt ein bistabiles Speicherelement dar, in welchem Strom in der einen oder der anderen Richtung fließen kann. Eine Mehrzahl von Zeilen- und Reihenauswahlleitungen sind auf der einen Seite des Blattes angebracht, wobei sich die Schnittpunkte mit den Speicherelementen in Deckung befinden. Ein Meßoder Ausgangsleiter befindet sich auf der anderen Seite des Blattes in Wirkungsverbindung mit allen oder einigen Speicherelementen. Wenn das Blatt sich in dem normalen supraleitfähigen Zustand befindet, wirkt es als magnetische Abschirmung und verhindert eine Energieübertragung von den Zeilen- und Reihenleitungen auf den Meßleiter. Jedoch empfängt ein Speicherelement am Schnittpunkt von erregten Zeilen- und Reihenleitungen einen magnetischen Fluß, welcher bei Addition zu dem mit dem Suprastrom im Speicherelement verbundenen Fluß (bei gleicher Polarität) das supraleitfähige Material des Speicherelementes in den normalen Zustand umschaltet. Das Speicherelement stellt dann keine magnetische Abschirmung mehr dar, und der Fluß der Auswahlleiter schneidet den Meßleiter und erzeugt einen Ausgangsimpuls.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Auswahleinrichtung, deren verschiedene Bestandteile auseinandergezogen dargestellt sind;

Fig. 2 zeigt ein Gedächtnissystem unter Benutzung einer Auswahleinrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem kritischen magnetischen Feld für gewisse supraleitfähige Materialien;

Fig. 4 ist ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1.

Informationsspeicher mit supraleitfähigen bistabilen Elementen

Anmelder:

Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Februar 1959

Leslie Lewis Burns jun., Princeton, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden.

Die im ganzen in Fig. 1 mit 10 bezeichnete Einrichtung enthält eine Unterlage 12 aus geeignetem dielektrischem Material, beispielsweise aus Glas oder Quarz, auf der sich ein Blatt 14 aus supraleitfähigem Material befindet. Das Blatt 14 kann ein metallisches supraleitfähiges Material, beispielsweise Zinn, sein, welches auf die Unterlage 12 aufgedampft oder elektrolytisch niedergeschlagen ist. Das Blatt 14 kann auch eine Schicht eines geeigneten supraleitfähigen Materials sein, die in Form einer Zinnfolie oder Tantalfolie od. dgl. auf einem Träger 14 aufgebracht ist. Eine Mehrzahl von Löcherpaaren 16 ist beispielsweise durch Ätzung in der supraleitfähigen Schicht 14 angebracht. Der Einfachheit der Darstellung halber sind nur sechzehn Löcherpaare veranschaulicht. Die Löcherpaare 16 sind in rechtwinklig zueinanderliegenden Zeilen und Reihen angeordnet. Eine Quarz- oder Glasunterlage wird deshalb benutzt, um eine mechanisch feste Unterlage zu haben, die außerdem amorph ist. Das Blatt 14 .aus supraleitfähigem Material wird auf die Unterlage durch Aufdampfen, auf elektrolytischem Wege oder auch (im Falle der Folien) durch Aufkleben angebracht.

Die amorphe Struktur der Unterlage 12 erlaubt es dem Blatt 14, seine eigene natürliche Kristallstruktur während des Aufdampfens oder des Aufbringens auf elektrolytischem Wege anzunehmen, wenn dünne Filme des supraleitfähigen Metalls benutzt werden. Die natürliche kristalline Phase des Metallfilms ergibt die wirkungsvollste supraleitfähige Anordnung. Dies

109 537/369

bedeutet, daß nur ein verhältnismäßig kleiner Eingangsstrom erforderlich ist, um die gewünschten Supraströme in dem Film zu erzeugen. Wenn die Unterlage 12 eine kristalline Struktur besitzen würde, so könnte beim Aufdampfen des Metalls dessen S Struktur durch die kristalline Struktur der Unterlage beeinflußt werden.

Die Löcherpaare 16 werden vorzugsweise sowohl bei einem dünnen aufgedampften Film wie bei einer Metallfolie 14 eingeätzt. Man kann sehr viele be- ίο kannte Ätzverfahren zur Herstellung dieser Löcher verwenden. Ein weiterer Grund zur Benutzung einer Glas- oder Quarzunterlage besteht darin, daß diese von den benutzten Ätzflüssigkeiten nicht angegriffen wird.

Gewünschtenfalls können die Löcher 16 auch durch einen Stanzvorgang hergestellt werden. Bei kleinen Durchmessern der Löcher 16 dürfte sich jedoch eine bessere Gleichmäßigkeit durch ein Ätzverfahren erzielen lassen. Zum Beispiel können bei einer praktischen Ausführung die Löcher 16 einen Durchmesser von 0,01 mm besitzen bei einem Abstand von Mitte zu Mitte von zwei nebeneinanderliegenden Löchern von 0,02 mm. Die beiden Löcher eines Löcherpaares

16 sind gegeneinander versetzt, so daß man für eine gegebene Fläche des Blattes 14 mehr Speicherelemente anordnen kann.

Die Teile 17 des supraleitfähigen Materials zwischen je zwei Löchern 16 stellen die bistabilen Elemente dar. Die sechzehn verschiedenen Zwischenteile 17 können also sechzehn verschiedene binäre Zahlen in einem Gedächtnissystem speichern.

Eine Schicht 18 aus Isoliermaterial wird auf das supraleitfähige Blatt 14 aufgelegt. Das Isoliermaterial 18 kann beispielsweise ein dünner Lacküberzug sein, der auf der Oberseite des Metallblattes 14 angebracht wird. Dieses Isoliermaterial kann transparent sein und wird daher in den übrigen Figuren nicht mit dargestellt; jedoch wird es durch Punktierung der verschiedenen Auswahlleitungen angedeutet.

Eine Mehrzahl von Zeilenleitern 20 ist oberhalb der Isolierschicht 18 beispielsweise durch Aufdampfen oder auf elektrolytischem Wege angebracht. Jeder einzelne Zeilenleiter 20 ist bei Erregung an eine andere Zeile von Speicherelementen 17 angekoppelt. Eine weitere Schicht von Isoliermaterial 22 ist über den Zeilenleitern 20 angeordnet. Diese Isolierschicht 22 kann ebenfalls ein dünner Lacküberzug sein. Eine Mehrzahl von Reihenleitern 24 ist durch Verdampfen oder auf elektrolytischem Wege auf der Oberseite der zweiten Isolierschicht 22 angebracht. Jeder der Reihenleiter 24 ist bei Erregung an eine andere Reihe von Speicherelementen 17 angekoppelt. Eine einzige Meßwicklung 26 ist auf der Unterseite der Unterlage 12 angebracht. Die Meßwicklung 26 verläuft an der Unterseite der Unterlage 12 nach vorwärts und rückwärts, so daß sie an die Stelle jedes Speicherelementes

17 gebracht werden kann.

Gemäß Fig. 2 sind die Zeilenleiter 20 am einen Ende an einen Zeilenwähler 28 angeschlossen. Am anderen Ende sind die Zeilenleiter 20 alle an ein festes Potential angeschlossen, das in Fig. 2 als Erde dargestellt ist. Die Reihenleiter 24 sind am einen Ende an einen Reihenwähler 30 angeschlossen und am anderen Ende alle geerdet. Die Klemmen der Meßwicklung 26 sind mit einer Meßvorrichtung 32 verbunden. Vorzugsweise bestehen die Zeilen- und Reihenleiter 20 und 24 aus einem Material, welches bei höherer Temperatur als das Blatt 14 supraleitend wird. Wenn beispielsweise Zinn als supraleitendes Material für das Blatt 14 benutzt wird, können die Zeilen- und Reihenleiter 20 und 24 aus Blei bestehen. Dann bleiben die Zeilen- und Reihenleiter 20 und 24 während des ganzen Arbeitens der Einrichtung in ihrem supraleitenden Zustand, wie weiter unten noch genauer beschrieben werden wird. Man kann für das supraleitfähige Blatt und die Auswahlleiter aber auch andere Materialkombinationen verwenden. Beispielsweise kann das Blatt 14 aus Blei bestehen, und die Zeilen- und Reihenleiter können aus Technetium gefertigt werden.

Die Kurven 40 und 42 in Fig. 3 zeigen das kritische magnetische Feld Hc in Örsted, das zur Änderung eines supraleitfähigen Zustandes bei Zinn und Blei in einen normalen leitenden Zustand erforderlich ist, und zwar als Funktion der Temperatur in Grad Kelvin. Die Flächen oberhalb der Kurven stellen den normalen leitenden Zustand dar und die Flächen unterhalb der Kurven den supraleitfähigen Zustand.

Im Betrieb wird in jedem der Speicherelemente 17 in Fig. 2 eine der beiden binären Zahlen 1 und 0 gespeichert. Beispielsweise kann die binäre Zahl 1 einen Stromfluß von links oben nach rechts unten durch die Querschnittsfläche eines Speicherelementes 17 entsprechen. Da das Speicherelement 17 sich im supraleitfähigen Zustand befindet, bleibt der in ihm einmal fließende Strom in derselben Richtung erhalten, bis er durch ein äußeres Feld geändert wird. Der Strom, welcher der binären Zahl 1 zugeordnet ist, ist in Fig. 1 mit I₁ bezeichnet. Die umgekehrte Richtung des Stromflusses in einem Speicherelement 17 entspricht dann der binären Zahl 0. Diese Stromrichtung ist in Fig. 1 mit I₀ bezeichnet. Da das Blatt 14 sich normalerweise im supraleitenden Zustand befindet, hat es normalerweise die Wirkung, daß es die magnetischen Felder, welche durch Ströme in den Zeilen- und Reihenleitern 20 und 24 hervorgerufen werden, von der Meßwicklung 26 fernhält. Der Fluß der Gleichströme /₀ und I₁ durchsetzt ebenfalls die Meßwicklung, ist jedoch zeitlich keiner Änderung unterworfen, so daß in der Meßwicklung keine Spannung induziert wird. Somit können also im normalen supraleitenden Zustand sich ändernde magnetische Felder das Blatt 14 nicht durchsetzen und können daher keine unerwünschten Signale in der Meßwicklung 26 auf der anderen Seite des Blattes 14 hervorrufen.

Es sei nun angenommen, daß die binäre Zahl 1 in dem Speicherelement 17' an dem Schnittpunkt des ersten Reihenleiters und des zweiten Zeilenleiters in Fig. 2 gespeichert werden soll. Der Zeilenwähler 28 und der Reihenwähler 30 liefern gleichzeitig Auswahlströme Iy und Ix an den ersten Reihenleiter 24 und den zweiten Zeilenleiter 20. Die Richtungen der Ströme Ix und Iy sind in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet. Diese Pfeilrichtungen in Fig. 2 entsprechen der Richtung des positiven klassischen Stromes in diesen Leitern. Jeder der Ströme Ix und Iy hat zwei gleiche Komponenten, von denen die eine senkrecht und die andere parallel mit dem Strom I₁ und I₀ in einem Element 17 der gewählten Zeile und Reihe verläuft. Die parallelen Komponenten Ix' und Iy' der Zeilen- und Reihenströme Ix und Iy liefern jeder ein sich änderndes Feld an das Element 17' in einer solchen Richtung, daß in ihm ein Strom von links nach rechts, also ein Strom, welcher der binären Zahl 1 zugeordnet ist, entsteht.

Wenn das gewünschte Element 17' bereits die binäre Zahl 1 speichert, verläuft der Strom in diesem Element bereits in der Richtung von links nach rechts.

ίϊ 02-809

5 6

Infolgedessen addieren sich die drei Ströme I₁, Ix' ment 17 kann in der geschilderten Weise ausgewählt und Iy' vektoriell, wie in Fig. 4 dargestellt, und er- und der gespeicherte Informationswert beliebig oft geben einen Gesamtstrom IT. Dieser Gesamtstrom IT abgelesen werden, ohne daß der Speicher von neuem erzeugt ein entsprechendes magnetisches Feld HT, beschriftet werden müßte.

welches über dem kritischen Feld für Zinn bei der 5 Die Information kann in das gewünschte Speicher-Betriebstemperatur, die hier zu 3° K angenommen element 17, beispielsweise in das Element 17', dadurch wird, liegt. Das gewünschte Speicherelement 17' ändert eingetragen werden, daß man Auswahlströme von sich also vom supraleitenden Zustand in den normal- gegenüber den Ablesewahlströmen erhöhter Amplitude leitenden Zustand. In dem normalleitenden Zustand und geeigneter Polarität den Zeilen- und Reihenleitern durchdringt das von diesen Strömen erzeugte ma- ίο 20 und 24 des Elementes 17' zuführt. Diese zur gnetische Feld das Blatt 14 an der Stelle des ge- Niederschrift in dem Speicher dienenden Ströme erwünschten Speicherelementes 17'. Das sich ändernde zeugen ein gesamtes magnetisches Feld von gemagnetische Feld durchsetzt dabei auch die Meßspule nügender Amplitude, um das kritische Feld Hc für 26. Hierdurch wird ein verhältnismäßig großes Aus- Zinn zu überwinden und einen resultierenden Stromgangssignal erzeugt, welches der Meßvorrichtung 32 15 fluß im Element 17' in der gewünschten Richtung zu zugeleitet wird und somit anzeigt, daß das gewünschte erzeugen, der auch erhalten bleibt, wenn die zur Aus-Speicherelement 17' die binäre Zahl 1 speichert. wahl des zu beschriftenden Elementes dienenden Aus-

Nach der Beendigung der Zeilen- und Reihenströme wahlströme wieder fortgefallen sind. Nachdem Fort- Ix und Iy fließt der Strom weiterhin in der der fall dieser Auswahlströme befindet sich das gewünschte binären Zahl 1 zugeordneten Richtung im Speicher- 20 Element dann im supraleitenden Zustand, d. h., es element 17', d. h. von links nach rechts, und dieses fließt ein Strom Z₁ oder I₀ in diesem Element.
Speicherelement kehrt daher in seinen anfänglichen Es sei beispielsweise angenommen, daß auf die oben

supraleitenden Zustand zurück. beschriebene Ablesung eine Einspeisung in den

Es sei darauf hingewiesen, daß bei dem Meß vorgang Speicher erfolgen soll. In diesem Falle wird durch oder Ablesungsvorgang alle anderen nicht aus- 25 das verhältnismäßig große Ausgangssignal während gewählten Speicherelemente 17 in ihrem normalen des Ablesevorganges die binäre Zahl 1, welche dem supraleitenden Zustand bleiben. Jeder der Auswahl- Strome I₁ entspricht, bereits in dem gewünschten ströme Ix und Iy erzeugt zusammen mit den den Element 17' gespeichert. Es brauchen also zur Stellenwert anzeigenden Strömen I₁ oder I₀ an jeder Speicherung oder zur Einspeisung der binären Zahl 1 Stelle eines nicht ausgewählten Elementes 17 ein ma- 30 in das gewünschte Element 17' keine zusätzlichen gnetisches Feld, welches kleiner ist als das kritische Ströme aufgewendet zu werden. Im anderen Falle Feld Hc von Zinn. Wenn der Strom an einem nicht wird der insgesamt zugeführte Auswahlstrom für die ausgewählten Element 17 in der Richtung I₁ fließt, Einspeisung so klein gemacht, daß keine Umkehr des wird dieser Strom in seiner Amplitude durch die Stromflusses im gewünschten Element 17' eintreten Zeilen- und Reihenkomponentenströme Ix' oder Iy' 35 kann.

vermindert. Diese Verminderung des Stromes I₁ Zur Niederschrift des binären Signals 0 und unter

kommt deshalb zustande, weil der Strom im supra- Annahme eines großen Ausgangssignals bei der Ableitenden Material sich so einstellt, daß ein konstanter lesung werden Zeilen- und Reihenauswahlströme von Fluß um die verschiedenen Teile des Blattes 14 auf umgekehrter Polarität, wie durch die Pfeile angedeutet, beiden Seiten zustande kommt. Wenn ein nicht aus- 40 den Zeilen- und Reihenleitern 20 und 24 des gegewähltes Element 17 in der /„-Richtung liegt, nimmt wünschten Elementes 17' zugeführt. Diese Ströme dieser Strom infolge der entgegenwirkenden Zeilen- werden so groß gemacht, daß das Element 17' in seinen oder Reihenstromkomponente Ix' oder Iy' zu. Die Zu- normalen leitenden Zustand überwechselt und ein nähme des Stromes I₀ bewirkt wieder die Aufrecht- Strom in der Richtung I₀ in dem Element 17' fließen erhaltung eines konstanten Flusses. Das gesamte ma- 45 kann. Nach Beendigung dieser Auswahlströme kehrt gnetische Feld, welches dem Blatt 14 als Folge dieser das Element 17' in seinen supraleitenden Zustand Stromänderungen an der Stelle eines nicht aus- zurück. Der Strom im gewünschten Element 17' fließt gewählten Elementes 17 zugeführt wird, durchdringt jetzt in der Richtung von rechts nach links entdas Blatt 14 nicht und erzeugt daher keine un- sprechend der binären Zahl 0. Wenn kein Ausgangserwünschten Signale an der Meßwicklung 26. Wenn 50 signal während des Ablesungsvorganges erzeugt wird, das gewünschte Speicherelement 17' anfänglich die fließt der Strom I₀ bereits im gewünschten Element binäre Zahl 0 während des Ablesungsvorgangs ge- 17', und es brauchen keine Auswahlströme für die speichert hat, d. h. wenn der Strom in Fig. 1 von rechts Niederschrift aufgewendet zu werden,
nach links verläuft, ist das gesamte erzeugte Feld IT' Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß jedem Ein-

(Fig. 4) stets kleiner als das kritische Feld Hc von 55 speisungsvorgang so viele Ablesungsvorgänge, als Zinn. Wenn also das gewünschte Speicherelement 17' irgend gewünscht, folgen können, da die gespeicherte die binäre Zahl 0 speichert, bleibt es im supraleitenden Information zerstörungsfrei abgelesen wird. Wenn Zustand, und es entsteht kein Ausgangssignal in der also eine Information einmal eingespeist ist, kann Meßwicklung 26. man, wie in Speichern für gespeicherte Programme,

Während des Ablesevorganges wird die eine der ge- 60 die gespeicherten Signale beliebig oft ablesen,
speicherten binären Zahlen, beispielsweise die binäre Die gewünschten Zeilen- und Reihenwähler 28 und

Zahl 1, durch einen verhältnismäßig großen Ausgangs- 30 und die Meß vorrichtung 32 können cryo-elektrische impuls an der Meßvorrichtung 32 angezeigt und die Schaltungen sein, welche auf der verhältnismäßig binäre Zahl 0 durch das Fehlen eines solchen Aus- niedrigen cryogenischen Temperatur der Anordnung gangssignals an der Meßvorrichtung 32. 65 10 arbeiten. Die Wähler und die Meßvorrichtung

Nachdem der Ablesevorgang beendet ist, kehrt das können beispielsweise Schaltungen nach Art eines ausgewählte Element 17' stets in seine ursprüngliche Cryotrons sein, wie sie in der USA.-Patentschrift Richtung I₁ oder I₀ zurück. Der Ablesungsvorgang 2 832 897 beschrieben sind.

zerstört also den gespeicherten Informationswert nicht. Es sei darauf hingewiesen, daß nur das ausgewählte

Das gleiche Element 17' oder irgendein anderes EIe- 70 Element 17 aus dem supraleitenden Zustand in den

normalleitenden Zustand übergeführt wird. Keines der nicht ausgewählten Elemente erzeugt ein unerwünschtes Signal in der Meßwicklung 26, weil magnetische Felder unter der kritischen Größe die supraleitende Schicht nicht durchsetzen können. Im Gegensatz zu gewissen bisher bekannten Anordnungen entsteht also bei der Einrichtung gemäß der Erfindung kein Ausgangssignal durch die halb ausgewählten Elemente. Ferner kann die erfindungsgemäße Einrichtung mit großer Geschwindigkeit betrieben werden. Die supraleitenden Elemente können in der Praxis mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 20 bis 100 Millimikrosekunden umgeschaltet werden.

Claims (9)

Patentansprüche: x,

1. Informationsspeicher mit supraleitfähigen bistabilen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Blatt eines Materials, welches unterhalb einer bestimmten Temperatur supraleitend wird, eine Mehrzahl von Löcherpaaren in einer Matrix von Zeilen und Reihen angeordnet sind, daß das supraleitende Material zwischen je zwei Löchern eines Paares ein Speicherelement darstellt, daß eine Mehrzahl von Zeilen- und Reihenwählleitungen auf einer Seite des Blattes angeordnet sind, wobei sich die Schnittpunkte mit den Speicherelementen decken und ein Meßleiter auf der anderen Seite des Blattes von supraleitendem Material liegt und unter dem Einfluß der Speicherelemente steht.

2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilen- und Reihenleiter aus einem Material bestehen, welches bei einer höheren Temperatur supraleitend wird als das genannte Blatt.

3. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher von nebeneinanderliegenden Reihen gegeneinander versetzt sind.

4. Speicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilen- und Reihenleiter unter einem rechten Winkel zueinander verlaufen.

5. Speicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßleiter diagonalverlaufend angeordnet ist.

6. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zweier verschiedenen Paaren zugehöriger Löcher wenigstens ebenso groß ist wie der Lochabstand innerhalb eines Löcherpaares.

7. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Geräte zur wahlweisen Zuführung von Wählerströmen an die Zeilen- und Reihenleiter vorhanden sind, welche das gewünschte Speicherelement aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand als Folge eines magnetischen Feldes im Speicherelement oberhalb einer gegebenen Größe umschalten.

8. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher im wesentlichen rund sind.

9. Speicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher durch Ätzung erzeugt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 537/369 3.61