stringtranslate.com

Сверхпроводящие вычисления

Сверхпроводящая логика относится к классу логических схем или логических вентилей , которые используют уникальные свойства сверхпроводников , включая провода с нулевым сопротивлением, сверхбыстрые переключатели Джозефсона и квантование магнитного потока (флюксоид). По состоянию на 2023 год сверхпроводящие вычисления являются формой криогенных вычислений , поскольку сверхпроводящие электронные схемы требуют охлаждения до криогенных температур для работы, как правило, ниже 10  кельвинов . Часто сверхпроводящие вычисления применяются к квантовым вычислениям , с важным приложением, известным как сверхпроводящие квантовые вычисления .

Сверхпроводящие цифровые логические схемы используют одиночные кванты потока (SFQ), также известные как кванты магнитного потока , для кодирования, обработки и передачи данных. Схемы SFQ состоят из активных джозефсоновских переходов и пассивных элементов, таких как индукторы, резисторы, трансформаторы и линии передачи. В то время как напряжения и конденсаторы важны в полупроводниковых логических схемах, таких как КМОП , токи и индукторы наиболее важны в логических схемах SFQ. Питание может осуществляться как постоянным, так и переменным током , в зависимости от семейства логики SFQ.

Фундаментальные концепции

Основным преимуществом сверхпроводящих вычислений является улучшенная энергоэффективность по сравнению с традиционной технологией КМОП . Большая часть потребляемой мощности и рассеиваемого тепла обычными процессорами поступает от перемещения информации между логическими элементами, а не от фактических логических операций. Поскольку сверхпроводники имеют нулевое электрическое сопротивление , для перемещения битов внутри процессора требуется мало энергии. Ожидается, что это приведет к экономии энергопотребления в 500 раз для экзафлопсного компьютера . [1] Для сравнения, в 2014 году было подсчитано, что компьютер производительностью 1 экзафлопс , построенный на КМОП-логике, по оценкам, потребляет около 500 мегаватт электроэнергии. [2] Сверхпроводящая логика может быть привлекательным вариантом для сверхбыстрых процессоров, где время переключения измеряется в пикосекундах, а рабочие частоты приближаются к 770 ГГц. [3] [4] Однако, поскольку передача информации между процессором и внешним миром все еще рассеивает энергию, сверхпроводящие вычисления рассматривались как хорошо подходящие для задач с интенсивными вычислениями, где данные в основном остаются в криогенной среде, а не для приложений с большими данными , где большие объемы информации передаются извне процессора. [1]

Поскольку сверхпроводящая логика поддерживает стандартные архитектуры и алгоритмы цифровых машин, существующая база знаний для вычислений КМОП по-прежнему будет полезна при построении сверхпроводящих компьютеров. Однако, учитывая сниженное рассеивание тепла, это может позволить такие инновации, как трехмерное укладывание компонентов. Однако, поскольку они требуют индукторов , их размер сложнее уменьшить. По состоянию на 2014 год устройства, использующие ниобий в качестве сверхпроводящего материала, работающие при 4 К, считались передовыми. Важными задачами для этой области были надежная криогенная память, а также переход от исследований отдельных компонентов к крупномасштабной интеграции. [1]

Число переходов Джозефсона является мерой сложности сверхпроводящей цепи или устройства, аналогично числу транзисторов, используемому в полупроводниковых интегральных схемах.

История

Исследования сверхпроводящих вычислений проводятся Агентством национальной безопасности США с середины 1950-х годов. Однако прогресс не поспевает за ростом производительности стандартной технологии КМОП. По состоянию на 2016 год не существует коммерческих сверхпроводящих компьютеров, хотя исследования и разработки продолжаются. [5]

Исследования в середине 1950-х — начале 1960-х годов были сосредоточены на криотроне, изобретенном Дадли Алленом Баком , но температуры жидкого гелия и медленное время переключения между сверхпроводящим и резистивным состояниями привели к тому, что эти исследования были заброшены. В 1962 году Брайан Джозефсон создал теорию, лежащую в основе эффекта Джозефсона , и в течение нескольких лет IBM изготовила первый переход Джозефсона. IBM вложила значительные средства в эту технологию с середины 1960-х по 1983 год. [6] К середине 1970-х годов IBM сконструировала сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство , используя эти переходы, в основном работая с переходами на основе свинца , а затем перейдя на переходы свинец/ниобий. В 1980 году IBM объявила о революции компьютеров Джозефсона на обложке майского номера Scientific American. Одна из причин, оправдывающих столь масштабные инвестиции, заключается в том, что закон Мура, сформулированный в 1965 году, как ожидалось, замедлится и «скоро» достигнет плато. Однако, с одной стороны, закон Мура сохранил свою силу, в то время как расходы на усовершенствование сверхпроводящих устройств в основном полностью несла IBM, а последняя, ​​какой бы большой она ни была, не могла конкурировать со всем миром полупроводников, который предоставлял почти безграничные ресурсы. [7] Таким образом, программа была закрыта в 1983 году, поскольку технология не считалась конкурентоспособной по сравнению со стандартной полупроводниковой технологией. Министерство международной торговли и промышленности Японии финансировало исследования сверхпроводимости с 1981 по 1989 год, в результате которых была создана ETL-JC1, представлявшая собой 4-битную машину с 1000 битами оперативной памяти. [5]

В 1983 году Bell Labs создала джозефсоновские переходы из ниобия/ оксида алюминия , которые были более надежными и простыми в изготовлении. В 1985 году исследователи из Московского государственного университета разработали схему квантовой логики Rapid single flux , которая имела улучшенную скорость и энергоэффективность . Эти достижения привели к проекту Hybrid Technology Multi-Threaded в США, начатому в 1997 году, который стремился превзойти обычные полупроводники в масштабе вычислений в петафлоп. Однако проект был заброшен в 2000 году, и первый обычный компьютер в петафлоп был построен в 2008 году. После 2000 года внимание переключилось на сверхпроводящие квантовые вычисления . Введение в 2011 году взаимной квантовой логики Квентином Херром из Northrop Grumman , а также энергоэффективный быстрый квантовый однопоточный от Hypres были расценены как основные достижения. [5]

Толчок к exascale вычислениям, начавшийся в середине 2010-х годов, как это было кодифицировано в Национальной стратегической вычислительной инициативе , рассматривался как открытие для исследований сверхпроводящих вычислений, поскольку exascale компьютеры на основе технологии CMOS, как ожидается, потребуют непрактичных объемов электроэнергии. Intelligence Advanced Research Projects Activity , созданная в 2006 году, в настоящее время координирует исследования и разработки разведывательного сообщества США в области сверхпроводящих вычислений. [5]

Традиционные вычислительные методы

Несмотря на то, что названия многих из этих технологий содержат слово «квантовый», они не обязательно являются платформами для квантовых вычислений . [ необходима ссылка ]

Быстрый однопоточный квант (RSFQ)

Сверхпроводящая логика с быстрым одиночным потоком (RSFQ) была разработана в Советском Союзе в 1980-х годах. [8] Информация переносится наличием или отсутствием одиночного потока (SFQ). Джозефсоновские переходы критически демпфируются , как правило, путем добавления шунтирующего резистора соответствующего размера, чтобы они переключались без гистерезиса. Тактовые сигналы подаются на логические вентили отдельно распределенными импульсами напряжения SFQ.

Питание обеспечивается токами смещения, распределенными с помощью резисторов, которые могут потреблять более чем в 10 раз больше статической мощности, чем динамической мощности, используемой для вычислений. Простота использования резисторов для распределения токов может быть преимуществом в небольших схемах, и RSFQ продолжает использоваться для многих приложений, где энергоэффективность не имеет решающего значения.

RSFQ использовался для создания специализированных схем для высокопроизводительных и интенсивно вычисляемых приложений, таких как приемники связи и цифровая обработка сигналов.

Джозефсоновские переходы в схемах RSFQ смещены параллельно. Поэтому общий ток смещения растет линейно с числом Джозефсоновских переходов. В настоящее время это представляет собой основное ограничение масштаба интеграции схем RSFQ, который не превышает нескольких десятков тысяч Джозефсоновских переходов на схему.

LR-RSFQ

Уменьшение резистора (R), используемого для распределения токов в традиционных схемах RSFQ, и добавление последовательной катушки индуктивности (L) может уменьшить статическую диссипацию мощности и повысить энергоэффективность. [9] [10]

Низковольтный RSFQ (LV-RSFQ)

Уменьшение напряжения смещения в традиционных схемах RSFQ может уменьшить статическую рассеиваемую мощность и повысить энергоэффективность. [11] [12]

Энергоэффективная однопоточная квантовая технология (ERSFQ/eSFQ)

Эффективная быстрая однопоточная квантовая логика (ERSFQ) была разработана для устранения статических потерь мощности RSFQ путем замены резисторов смещения наборами индукторов и токоограничивающих переходов Джозефсона. [13] [14]

Эффективная однопоточная квантовая логика (eSFQ) также питается постоянным током, но отличается от ERSFQ размером ограничивающего ток смещения индуктора и способом регулирования ограничивающих переходов Джозефсона. [15]

Взаимная квантовая логика (RQL)

Взаимная квантовая логика (RQL) была разработана для исправления некоторых проблем логики RSFQ. RQL использует взаимные пары импульсов SFQ для кодирования логической «1». И питание, и тактирование обеспечиваются многофазными сигналами переменного тока . Вентили RQL не используют резисторы для распределения мощности и, таким образом, рассеивают незначительную статическую мощность. [16]

К основным вентилям RQL относятся: AndOr, AnotB, Set/Reset (с неразрушающим считыванием), которые вместе образуют универсальный логический набор и обеспечивают возможности памяти. [17]

Адиабатический квантовый параметр потока (AQFP)

Логика адиабатического квантового потокового параметрона (AQFP) была разработана для энергоэффективной работы и питается от переменного тока. [18] [19]

13 января 2021 года было объявлено, что прототип процессора на базе AQFP с частотой 2,5 ГГц под названием MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture) достиг энергоэффективности, которая в 80 раз превышает эффективность традиционных полупроводниковых процессоров, даже с учетом охлаждения. [20]

Квантовые вычислительные технологии

Сверхпроводящие квантовые вычисления — это многообещающая реализация квантовой информационной технологии, которая включает в себя наноизготовленные сверхпроводящие электроды, соединенные через джозефсоновские переходы . Как и в сверхпроводящем электроде, фаза и заряд являются сопряженными переменными . Существует три семейства сверхпроводящих кубитов, в зависимости от того, являются ли заряд, фаза или ни один из них хорошими квантовыми числами. Они соответственно называются зарядовыми кубитами , потоковыми кубитами и гибридными кубитами.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Йонекис, Лэнс; Кестер, Дэвид; Альспектор, Джошуа (2014-01-01). «Первоначальный взгляд на альтернативные вычислительные технологии для разведывательного сообщества» (PDF) . Институт анализа обороны. стр. 15–16, 24–25, 47–50. Архивировано из оригинала 4 июня 2016 г. . Получено 22 апреля 2016 г. .
  2. ^ Когге П. (2011). «Вершины в провалах», IEEE Spectrum, т. 48, стр. 48–54, 2011.
  3. ^ Кортленд Р. (2011). «Superconductor Logic Goes Low-Power», IEEE Spectrum, 22 июня 2011 г.
  4. ^ Холмс Д.С., Риппл А.Л., Манхеймер М.А. (2013). «Энергоэффективные сверхпроводящие вычисления — бюджеты и требования к мощности», IEEE Trans. Appl. Supercond., т. 23, 1701610, июнь 2013 г.
  5. ^ abcd Брок, Дэвид С. (24.04.2016). «Построит ли наконец АНБ свой сверхпроводящий шпионский компьютер?». IEEE Spectrum . Получено 21.04.2016 .
  6. ^ Галлахер, Уильям Дж.; Харрис, Эрик П.; Кетчен, Марк Б. (июль 2012 г.). «Сверхпроводимость в IBM – обзор столетия: часть I – сверхпроводящие компьютеры и приложения для устройств, IEEE/CSC & ESAS EUROPEAN SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM, № 21» (PDF) . snf.ieeecsc.org . Совет IEEE по сверхпроводимости. Архивировано из оригинала (PDF) 24 декабря 2022 г. . Получено 10 июня 2023 г. .
  7. ^ Н. Де Лисо, Дж. Филатрелла, Д. Гальярди, К. Наполи (2020). «Холодные числа: сверхпроводящие суперкомпьютеры и предполагаемая аномалия», Industrial and Corporate Change, т. 29, № 2, стр. 485-505, 2020.
  8. ^ Лихарев КК, Семенов ВК (1991). «Семейство логики/памяти RSFQ: новая технология перехода Джозефсона для цифровых систем с субтерагерцовой тактовой частотой», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, т. 1, № 1, март 1991 г., стр. 3-28.
  9. ^ Яманаси Y, Нишигай T и Йошикава N (2007). «Исследование техники LR-нагрузки для маломощных квантовых цепей с одним потоком», IEEE Trans. Appl. Supercond., т. 17, стр. 150–153, июнь 2007 г.
  10. ^ Ортлепп Т., Вецштейн О., Энгерт С., Кунерт Дж., Топфер Х. (2011). «Снижение энергопотребления в сверхпроводящей электронике», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, т. 21, № 3, стр. 770-775, июнь 2011 г.
  11. ^ Танака М., Ито М., Китаяма А., Коукецу Т., Фудзимаки А. (2012). «18 ГГц, 4,0 аДж/бит Операции сверхнизкоэнергетических быстрых однопотоковых квантовых регистров сдвига», Jpn. J. Appl. Phys. 51 053102, май 2012 г.
  12. ^ Танака М, Китаяма А, Кокецу Т, Ито М, Фудзимаки А (2013). «Схемы RSFQ с низким энергопотреблением, управляемые низким напряжением», IEEE Trans. Прил. Суперконд., вып. 23, нет. 3, стр. 1701104, июнь 2013 г.
  13. ^ Муханов О.А. (2011). «Энергоэффективная однопоточная квантовая технология», IEEE Transactions on Applied Superconductivity, т.21, №3, стр.760-769, июнь 2011 г.
  14. ^ Д. Е. Кириченко, С. Сарвана, А. Ф. Кириченко (2011). «Смещение нулевой статической рассеиваемой мощности цепей RSFQ», Труды IEEE по прикладной сверхпроводимости, т. 21, № 3, стр. 776-779, июнь 2011 г.
  15. ^ Volkmann MH, Sahu A, Fourie CJ и Mukhanov OA (2013). «Реализация энергоэффективных однопоточных квантовых (eSFQ) цифровых схем с суб-aJ/бит операциями», Supercond. Sci. Technol. 26 (2013) 015002.
  16. ^ Herr QP, Herr AY, Oberg OT и Ioannidis AG (2011). «Сверхмаломощная сверхпроводниковая логика», J. Appl. Phys. т. 109, стр. 103903-103910, 2011.
  17. ^ Оберг О.Т. (2011). Сверхпроводящие логические схемы, работающие с квантами обратного магнитного потока, Мэрилендский университет, физический факультет, докторская диссертация.
  18. ^ Такеучи Н., Озава Д., Яманаши И. и Ёсикава Н. (2013). «Адиабатический квантовый параметрон потока как сверхмаломощное логическое устройство», Supercond. Sci. Technol. 26 035010.
  19. ^ Takeuchi N, Yamanashi Y и Yoshikawa N (2015). «Энергоэффективность логики адиабатического сверхпроводника», Supercond. Sci. Technol. 28 015003, январь 2015 г.
  20. ^ "Сверхпроводящие микропроцессоры? Оказывается, они сверхэффективны". 2021-01-13 . Получено 2021-05-25 . Прототип 2,5 ГГц потребляет в 80 раз меньше энергии, чем его полупроводниковый аналог, даже с учетом охлаждения … Хотя существуют адиабатические полупроводниковые микропроцессоры, новый прототип микропроцессора, называемый MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture), является первым в мире адиабатическим сверхпроводниковым микропроцессором. Он состоит из сверхпроводящего ниобия и использует аппаратные компоненты, называемые адиабатическими квантово-потоковыми параметронами (AQFP). Каждый AQFP состоит из нескольких быстродействующих переключателей на основе джозефсоновского перехода, которым требуется очень мало энергии для поддержки сверхпроводниковой электроники. Микропроцессор MANA состоит в общей сложности из более чем 20 000 джозефсоновских переходов (или более 10 000 AQFP).

Внешние ссылки