Сверхпроводящие вычисления

Сверхпроводящая логика относится к классу логических схем или логических элементов , которые используют уникальные свойства сверхпроводников , включая провода с нулевым сопротивлением, сверхбыстрые переключатели джозефсоновского перехода и квантование магнитного потока (флюксоид). По состоянию на 2023 год сверхпроводящие вычисления являются формой криогенных вычислений требуют охлаждения до криогенных , поскольку сверхпроводящие электронные схемы для работы температур, обычно ниже 10 Кельвинов . Часто сверхпроводящие вычисления применяются к квантовым вычислениям , причем важное применение известно как сверхпроводящие квантовые вычисления .

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

Фундаментальные понятия

Основным преимуществом сверхпроводниковых вычислений является повышение энергоэффективности по сравнению с традиционной технологией КМОП . Большая часть потребляемой мощности и рассеиваемого тепла обычными процессорами происходит за счет перемещения информации между логическими элементами, а не за счет реальных 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 с производительностью 1 экза FLOPS, построенный на КМОП-логике, потребляет около 500 мегаватт электроэнергии. ^{[ 2 ]} Сверхпроводниковая логика может быть привлекательным вариантом для сверхбыстрых процессоров, где время переключения измеряется пикосекундами, а рабочие частоты приближаются к 770 ГГц. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Однако, поскольку передача информации между процессором и внешним миром по-прежнему приводит к рассеиванию энергии, сверхпроводящие вычисления считались хорошо подходящими для задач с интенсивными вычислениями, когда данные в основном остаются в криогенной среде, а не для приложений с большими данными , где большие объемы информации передаются извне процессора. ^{[ 1 ]}

Поскольку сверхпроводниковая логика поддерживает стандартные архитектуры и алгоритмы цифровых машин, существующая база знаний по КМОП-вычислениям по-прежнему будет полезна при создании сверхпроводниковых компьютеров. Однако, учитывая снижение тепловыделения, это может сделать возможным внедрение таких инноваций, как трехмерная укладка компонентов. Однако, поскольку для них требуются индукторы , уменьшить их размер сложнее. По состоянию на 2014 год устройства, использующие ниобий в качестве сверхпроводящего материала, работающие при температуре 4 К, считались самыми современными. Важными задачами в этой области были надежная криогенная память, а также переход от исследований отдельных компонентов к крупномасштабной интеграции. ^{[ 1 ]}

Число джозефсоновских переходов — это мера сложности сверхпроводящей схемы или устройства, аналогичная подсчету транзисторов, используемому в полупроводниковых интегральных схемах.

История

Исследования сверхпроводниковых компьютеров проводятся Агентством национальной безопасности США с середины 1950-х годов. Однако прогресс не мог идти в ногу с растущей производительностью стандартной технологии КМОП. По состоянию на 2016 год коммерческих сверхпроводниковых компьютеров не существует, хотя исследования и разработки продолжаются. ^{[ 5 ]}

Исследования середины 1950-х — начала 1960-х годов были сосредоточены на криотроне, изобретенном Дадли Алленом Баком , но температура жидкого гелия и медленное время переключения между сверхпроводящим и резистивным состояниями заставили эти исследования отказаться. В 1962 году Брайан Джозефсон разработал теорию эффекта Джозефсона , и через несколько лет IBM изготовила первый переход Джозефсона. IBM инвестировала значительные средства в эту технологию с середины 1960-х по 1983 год. ^{[ 6 ]} К середине 1970-х годов IBM сконструировала сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство , использующее эти переходы, работающее в основном с переходами на основе свинца , а затем переключившееся на переходы свинец/ниобий. В 1980 году компания IBM объявила о компьютерной революции Джозефсона на обложке майского номера журнала Scientific American. Одна из причин, оправдывающих столь масштабные инвестиции, заключается в том, что закон Мура, провозглашенный в 1965 году, должен был замедлиться и «скоро» достичь плато. Однако, с одной стороны, закон Мура сохранял свою силу, а затраты на совершенствование сверхпроводниковых устройств в основном полностью несла одна компания IBM, и последняя, какой бы большой она ни была, не могла конкурировать со всем миром полупроводников, предоставлявшим практически безграничные ресурсы. ^{[ 7 ]} Таким образом, программа была закрыта в 1983 году, поскольку технология не считалась конкурентоспособной по сравнению со стандартной полупроводниковой технологией. Японии Министерство международной торговли и промышленности с 1981 по 1989 год финансировало исследования в области сверхпроводников, в результате которых был создан ETL-JC1 , который представлял собой 4-битную машину с 1000 бит оперативной памяти. ^{[ 5 ]}

В 1983 году Bell Labs создала джозефсоновские переходы из оксидов ниобия и алюминия , которые были более надежными и простыми в изготовлении. В 1985 году была разработана однопоточная квантовая логическая схема Rapid, обладавшая улучшенной скоростью и энергоэффективностью исследователями Московского государственного университета . Эти достижения привели к созданию в США многопоточного проекта гибридной технологии, начатого в 1997 году, целью которого было превзойти традиционные полупроводники в масштабах вычислений в петафлопс. Однако в 2000 году от проекта отказались, а первый обычный петафлопсный компьютер был построен в 2008 году. После 2000 года внимание переключилось на сверхпроводящие квантовые вычисления . Внедрение в 2011 году обратной квантовой логики Квентином Херром из Northrop Grumman , а также энергоэффективный быстрый одиночный квант потока от Hypres были расценены как важные достижения. ^{[ 5 ]}

Стремление к экзафлопсным вычислениям , начавшееся в середине 2010-х годов и закрепленное в Национальной инициативе по стратегическим вычислениям , рассматривалось как открытие для исследований в области сверхпроводниковых вычислений, поскольку ожидалось, что экзафлопсные компьютеры на основе технологии КМОП потребуют непрактичного количества электроэнергии. Отдел перспективных исследовательских проектов разведки , созданный в 2006 году, в настоящее время координирует усилия разведывательного сообщества США в области исследований и разработок в области сверхпроводниковых вычислений. ^{[ 5 ]}

Обычные вычислительные методы

Несмотря на то, что названия многих из этих методов содержат слово «квантовые», они не обязательно являются платформами для квантовых вычислений . ^{[ нужна ссылка ]}

Быстрый одиночный квант потока (RSFQ)

Сверхпроводящая логика быстрого однопоточного квантования (RSFQ) была разработана в Советском Союзе в 1980-х годах. ^{[ 8 ]} Информация передается по наличию или отсутствию одного кванта потока (SFQ). Джозефсоновские переходы , критически демпфируются обычно путем добавления шунтирующего резистора подходящего размера, чтобы обеспечить их переключение без гистерезиса. Синхронизирующие сигналы подаются на логические элементы в виде отдельно распределенных импульсов напряжения SFQ.

Питание обеспечивается токами смещения, распределяемыми с помощью резисторов, которые могут потреблять более чем в 10 раз больше статической мощности, чем динамическая мощность, используемая для вычислений. Простота использования резисторов для распределения токов может быть преимуществом в небольших цепях, и RSFQ продолжает использоваться во многих приложениях, где энергоэффективность не имеет решающего значения.

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

Джозефсоновские переходы в схемах RSFQ смещены параллельно. Следовательно, полный ток смещения линейно растет с увеличением количества 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 цепях RSFQ, и добавление индуктора (L) последовательно может уменьшить рассеяние статической мощности и повысить энергоэффективность. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

RSFQ низкого напряжения (LV-RSFQ)

Уменьшение напряжения смещения в традиционных схемах RSFQ может уменьшить рассеивание статической мощности и повысить энергоэффективность. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Энергоэффективная квантовая технология с одним потоком (ERSFQ/eSFQ)

Эффективная логика быстрого одиночного квантового потока (ERSFQ) была разработана для устранения статических потерь мощности RSFQ путем замены резисторов смещения наборами индукторов и токоограничивающих джозефсоновских переходов. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

Логика эффективного одноквантового потока (eSFQ) также питается от постоянного тока, но отличается от ERSFQ размером дросселя, ограничивающего ток смещения, и способом регулирования ограничивающих джозефсоновских переходов. ^{[ 15 ]}

Взаимная квантовая логика (RQL)

Взаимная квантовая логика (RQL) была разработана для решения некоторых проблем логики RSFQ. RQL использует взаимные пары импульсов SFQ для кодирования логической «1». И питание, и тактовый сигнал обеспечиваются многофазными сигналами переменного тока . В вентилях RQL не используются резисторы для распределения мощности и, таким образом, рассеивается незначительная статическая 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 ]}

Параметрон адиабатического квантового потока (AQFP)

Логика параметрона адиабатического квантового потока (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 тактовой частотой 2,5 ГГц под названием MANA (Monolithic Adiabatic iIntegration Architecture) достиг энергоэффективности, которая в 80 раз выше, чем у традиционных полупроводниковых процессоров, даже с учетом охлаждения. ^{[ 20 ]}

Методы квантовых вычислений

Сверхпроводящие квантовые вычисления — это многообещающая реализация квантовой информационной технологии, в которой используются 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 одно из двух хорошими квантовыми числами. Их соответственно называют зарядовыми кубитами , потоковыми кубитами и гибридными кубитами.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Йонекис, Лэнс; Кестер, Дэвид; Альспектор, Джошуа (1 января 2014 г.). «Первоначальный взгляд на альтернативные вычислительные технологии для разведывательного сообщества» (PDF) . Институт оборонного анализа. стр. 15–16, 24–25, 47–50. Архивировано из оригинала 4 июня 2016 года . Проверено 22 апреля 2016 г.
^ Когге П. (2011). «Топы проваливаются» ^{[ мертвая ссылка ]}, IEEE Spectrum, том. 48, стр. 48–54, 2011.
^ Кортленд Р. (2011). «Сверхпроводниковая логика становится маломощной» , спектр IEEE, 22 июня 2011 г.
^ Холмс Д.С., Риппл А.Л., Манхеймер М.А. (2013). «Энергоэффективные сверхпроводящие вычисления — бюджет мощности и требования» , IEEE Trans. Прил. Суперконд., вып. 23, 1701610, июнь 2013 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Брок, Дэвид К. (24 апреля 2016 г.). «Построит ли АНБ наконец свой сверхпроводящий шпионский компьютер?» . IEEE-спектр . Проверено 21 апреля 2016 г.
^ Галлахер, Уильям Дж.; Харрис, Эрик П.; Кетчен, Марк Б. (июль 2012 г.). «Сверхпроводимость в IBM – столетний обзор: Часть I – Применение сверхпроводящих компьютеров и устройств, IEEE/CSC и ESAS ЕВРОПЕЙСКИЙ ФОРУМ НОВОСТЕЙ СВЕРХПРОВОДНОСТИ, № 21» (PDF) . snf.ieeecsc.org . Совет IEEE по сверхпроводимости. Архивировано из оригинала (PDF) 24 декабря 2022 года . Проверено 10 июня 2023 г.
^ Н. Де Лисо, Дж. Филатрелла, Д. Гальярди, К. Наполи (2020). «Холодные цифры: сверхпроводящие суперкомпьютеры и предполагаемая аномалия» , Industrial and Corporate Change, vol. 29, нет. 2, стр. 485-505, 2020.
^ Лихарев К.К., Семенов В.К. (1991). «Семейство логики/памяти RSFQ: новая технология джозефсоновского перехода для цифровых систем с тактовой частотой субтерагерцового диапазона» , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 1, № 1, март 1991 г., стр. 3–28.
^ Яманаси Ю., Нишигай Т. и Ёсикава Н. (2007). «Исследование метода LR-нагрузки для маломощных квантовых схем с одним потоком» , IEEE Trans. Прил. Supercond., том 17, стр. 150–153, июнь 2007 г.
^ Ортлепп Т., Ветцштайн О., Энгерт С., Кунерт Дж., Топфер Х. (2011). «Пониженное энергопотребление в сверхпроводящей электронике» , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, том 21, № 3, стр. 770–775, июнь 2011 г.
^ Танака М, Ито М, Китаяма А, Коукэцу Т, Фудзимаки А (2012). «18 ГГц, 4,0 аДж/бит, работа сверхнизкоэнергетических быстрых однопоточных сдвиговых регистров» , Jpn. Дж. Прил. Физ. 51 053102, май 2012 г.
^ 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, с. 1701104, июнь 2013 г.
^ Муханов О.А. (2011). «Энергоэффективная квантовая технология с одним потоком» , Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости, том 21, № 3, стр. 760–769, июнь 2011 г.
^ Д.Е. Кириченко, С. Сарвана, А.Ф. Кириченко (2011). «Смещение с нулевым статическим рассеянием мощности в цепях RSFQ» , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, том 21, № 3, стр. 776-779, июнь 2011 г.
^ Фолькманн М.Х., Саху А., Фури С.Дж. и Муханов О.А. (2013). «Реализация энергоэффективных цифровых схем с одним квантовым потоком (eSFQ) с суб-aJ/битовой операцией» , Supercond. наук. Технол. 26 (2013) 015002.
^ Герр QP, господин AY, Оберг OT и Иоаннидис AG (2011). «Сверхпроводниковая логика сверхмалой мощности» , J. Appl. Физ. том. 109, с. 103903-103910, 2011.
^ Оберг ОТ (2011). Сверхпроводящие логические схемы, работающие с квантами обратного магнитного потока , Университет Мэриленда, физический факультет, докторская диссертация.
^ Такеучи Н., Озава Д., Яманаси Ю. и Ёсикава Н. (2013). «Параметрон адиабатического квантового потока как логическое устройство сверхмалого энергопотребления» , Supercond. наук. Технол. 26 035010.
^ Такеучи Н., Яманаси Ю. и Ёсикава Н. (2015). «Энергоэффективность адиабатической сверхпроводниковой логики» , Supercond. наук. Технол. 28 015003, январь 2015 г.
^ «Сверхпроводящие микропроцессоры? Оказывается, они сверхэффективны» . 13 января 2021 г. Проверено 25 мая 2021 г. Прототип с частотой 2,5 ГГц потребляет в 80 раз меньше энергии, чем его полупроводниковый аналог, даже с учетом охлаждения… Хотя адиабатические полупроводниковые микропроцессоры существуют, новый прототип микропроцессора, получивший название MANA (монолитная адиабатическая архитектура интеграции), является первым в мире адиабатическим сверхпроводниковым микропроцессором. Он состоит из сверхпроводящего ниобия и основан на аппаратных компонентах, называемых адиабатическими параметронами квантового потока (AQFP). Каждый AQFP состоит из нескольких быстродействующих переключателей джозефсоновского перехода, которым требуется очень мало энергии для поддержки сверхпроводниковой электроники. Микропроцессор MANA состоит из более чем 20 000 джозефсоновских переходов (или более 10 000 AQFP).

Внешние ссылки

Оценка сверхпроводящих технологий , АНБ, 2005 г. – Продвигал проекты исследований и разработок RSFQ.
Исследование ExaScale Computing: технологические проблемы в достижении... Отчет 2008 г. , «6.2.4 Сверхпроводящая логика»

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с Йонекис, Лэнс; Кестер, Дэвид; Альспектор, Джошуа (1 января 2014 г.). «Первоначальный взгляд на альтернативные вычислительные технологии для разведывательного сообщества» (PDF) . Институт оборонного анализа. стр. 15–16, 24–25, 47–50. Архивировано из оригинала 4 июня 2016 года . Проверено 22 апреля 2016 г.

[Kogge2011-2] Когге П. (2011). «Топы проваливаются» ^{[ мертвая ссылка ]}, IEEE Spectrum, том. 48, стр. 48–54, 2011.

[Courtland2011-3] Кортленд Р. (2011). «Сверхпроводниковая логика становится маломощной» , спектр IEEE, 22 июня 2011 г.

[Holmes2013-4] Холмс Д.С., Риппл А.Л., Манхеймер М.А. (2013). «Энергоэффективные сверхпроводящие вычисления — бюджет мощности и требования» , IEEE Trans. Прил. Суперконд., вып. 23, 1701610, июнь 2013 г.

[:1-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Брок, Дэвид К. (24 апреля 2016 г.). «Построит ли АНБ наконец свой сверхпроводящий шпионский компьютер?» . IEEE-спектр . Проверено 21 апреля 2016 г.

[6] Галлахер, Уильям Дж.; Харрис, Эрик П.; Кетчен, Марк Б. (июль 2012 г.). «Сверхпроводимость в IBM – столетний обзор: Часть I – Применение сверхпроводящих компьютеров и устройств, IEEE/CSC и ESAS ЕВРОПЕЙСКИЙ ФОРУМ НОВОСТЕЙ СВЕРХПРОВОДНОСТИ, № 21» (PDF) . snf.ieeecsc.org . Совет IEEE по сверхпроводимости. Архивировано из оригинала (PDF) 24 декабря 2022 года . Проверено 10 июня 2023 г.

[De_Liso2020-7] Н. Де Лисо, Дж. Филатрелла, Д. Гальярди, К. Наполи (2020). «Холодные цифры: сверхпроводящие суперкомпьютеры и предполагаемая аномалия» , Industrial and Corporate Change, vol. 29, нет. 2, стр. 485-505, 2020.

[Likharev1991-8] Лихарев К.К., Семенов В.К. (1991). «Семейство логики/памяти RSFQ: новая технология джозефсоновского перехода для цифровых систем с тактовой частотой субтерагерцового диапазона» , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 1, № 1, март 1991 г., стр. 3–28.

[Yamanashi2007-9] Яманаси Ю., Нишигай Т. и Ёсикава Н. (2007). «Исследование метода LR-нагрузки для маломощных квантовых схем с одним потоком» , IEEE Trans. Прил. Supercond., том 17, стр. 150–153, июнь 2007 г.

[Ortlepp2011-10] Ортлепп Т., Ветцштайн О., Энгерт С., Кунерт Дж., Топфер Х. (2011). «Пониженное энергопотребление в сверхпроводящей электронике» , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, том 21, № 3, стр. 770–775, июнь 2011 г.

[Tanaka2012-11] Танака М, Ито М, Китаяма А, Коукэцу Т, Фудзимаки А (2012). «18 ГГц, 4,0 аДж/бит, работа сверхнизкоэнергетических быстрых однопоточных сдвиговых регистров» , Jpn. Дж. Прил. Физ. 51 053102, май 2012 г.

[Tanaka2013-12] 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, с. 1701104, июнь 2013 г.

[Mukhanov2011-13] Муханов О.А. (2011). «Энергоэффективная квантовая технология с одним потоком» , Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости, том 21, № 3, стр. 760–769, июнь 2011 г.

[Kirichenko2011-14] Д.Е. Кириченко, С. Сарвана, А.Ф. Кириченко (2011). «Смещение с нулевым статическим рассеянием мощности в цепях RSFQ» , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, том 21, № 3, стр. 776-779, июнь 2011 г.

[Volkmann2013-15] Фолькманн М.Х., Саху А., Фури С.Дж. и Муханов О.А. (2013). «Реализация энергоэффективных цифровых схем с одним квантовым потоком (eSFQ) с суб-aJ/битовой операцией» , Supercond. наук. Технол. 26 (2013) 015002.

[QHerr2011-16] Герр QP, господин AY, Оберг OT и Иоаннидис AG (2011). «Сверхпроводниковая логика сверхмалой мощности» , J. Appl. Физ. том. 109, с. 103903-103910, 2011.

[Oberg2011-17] Оберг ОТ (2011). Сверхпроводящие логические схемы, работающие с квантами обратного магнитного потока , Университет Мэриленда, физический факультет, докторская диссертация.

[Takeuchi2013-18] Такеучи Н., Озава Д., Яманаси Ю. и Ёсикава Н. (2013). «Параметрон адиабатического квантового потока как логическое устройство сверхмалого энергопотребления» , Supercond. наук. Технол. 26 035010.

[Takeuchi2015-19] Такеучи Н., Яманаси Ю. и Ёсикава Н. (2015). «Энергоэффективность адиабатической сверхпроводниковой логики» , Supercond. наук. Технол. 28 015003, январь 2015 г.

[MANA-20] «Сверхпроводящие микропроцессоры? Оказывается, они сверхэффективны» . 13 января 2021 г. Проверено 25 мая 2021 г. Прототип с частотой 2,5 ГГц потребляет в 80 раз меньше энергии, чем его полупроводниковый аналог, даже с учетом охлаждения… Хотя адиабатические полупроводниковые микропроцессоры существуют, новый прототип микропроцессора, получивший название MANA (монолитная адиабатическая архитектура интеграции), является первым в мире адиабатическим сверхпроводниковым микропроцессором. Он состоит из сверхпроводящего ниобия и основан на аппаратных компонентах, называемых адиабатическими параметронами квантового потока (AQFP). Каждый AQFP состоит из нескольких быстродействующих переключателей джозефсоновского перехода, которым требуется очень мало энергии для поддержки сверхпроводниковой электроники. Микропроцессор MANA состоит из более чем 20 000 джозефсоновских переходов (или более 10 000 AQFP).

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]