Obliczenia nadprzewodnikowe

Logika nadprzewodząca odnosi się do klasy obwodów logicznych lub bramek logicznych , które wykorzystują unikalne właściwości nadprzewodników , w tym druty o zerowej rezystancji, ultraszybkie przełączniki złączowe Josephsona i kwantyzację strumienia magnetycznego (fluxoid). Obliczenia nadprzewodnikowe to forma obliczeń kriogenicznych , ponieważ nadprzewodzące obwody elektroniczne wymagają schłodzenia do temperatur kriogenicznych , zwykle poniżej 10 kelwinów . Często stosuje się obliczenia nadprzewodnikowe obliczenia kwantowe , z ważnym zastosowaniem znanym jako nadprzewodnikowe obliczenia kwantowe .

Nadprzewodzące cyfrowe obwody logiczne wykorzystują pojedyncze kwanty strumienia (SFQ), znane również jako kwanty strumienia magnetycznego , do kodowania, przetwarzania i przesyłania danych. Obwody SFQ składają się z aktywnych złączy Josephsona i elementów pasywnych, takich jak cewki indukcyjne, rezystory, transformatory i linie transmisyjne. Podczas gdy napięcia i kondensatory są ważne w półprzewodnikowych obwodach logicznych, takich jak CMOS , prądy i cewki indukcyjne są najważniejsze w obwodach logicznych SFQ. Zasilanie może być dostarczane prądem stałym lub przemiennym , w zależności od rodziny układów logicznych SFQ.

Idee fundamentalne

Podstawową zaletą obliczeń nadprzewodnikowych jest lepsza efektywność energetyczna w porównaniu z konwencjonalną technologią CMOS . Znaczna część energii zużywanej i rozpraszanej przez konwencjonalne procesory pochodzi z przenoszenia informacji między elementami logicznymi, a nie z rzeczywistych operacji logicznych. Ponieważ nadprzewodniki mają zerowy opór elektryczny , do przeniesienia bitów w procesorze potrzeba niewielkiej ilości energii. Oczekuje się, że spowoduje to 500-krotne oszczędności w zużyciu energii dla komputera eksaskalowego . Dla porównania w 2014 roku oszacowano, że 1 exa FLOPS Szacuje się, że komputer zbudowany w logice CMOS zużywa około 500 megawatów energii elektrycznej. Logika nadprzewodząca może być atrakcyjną opcją dla ultraszybkich procesorów, w których czasy przełączania mierzone są w pikosekundach, a częstotliwości robocze zbliżają się do 770 GHz. Ponieważ jednak przesyłanie informacji między procesorem a światem zewnętrznym nadal powoduje rozpraszanie energii, obliczenia nadprzewodnikowe były postrzegane jako odpowiednie do zadań wymagających intensywnych obliczeń, w których dane w dużej mierze pozostają w środowisku kriogenicznym, a nie do zastosowań związanych z dużymi zbiorami danych, w których duże ilości informacji są przesyłane strumieniowo spoza procesora.

Ponieważ logika nadprzewodnikowa obsługuje standardowe architektury i algorytmy maszyn cyfrowych, istniejąca baza wiedzy na temat obliczeń CMOS będzie nadal przydatna w konstruowaniu komputerów nadprzewodzących. Jednak biorąc pod uwagę zmniejszone rozpraszanie ciepła, może umożliwić innowacje, takie jak trójwymiarowe układanie komponentów. Ponieważ jednak wymagają cewek indukcyjnych , trudniej jest zmniejszyć ich rozmiar. Od 2014 roku urządzenia wykorzystujące niob jako materiał nadprzewodzący działające w temperaturze 4 K zostały uznane za najnowocześniejsze. Ważnymi wyzwaniami w tej dziedzinie były niezawodne pamięci kriogeniczne, a także przejście od badań nad poszczególnymi komponentami do integracji na dużą skalę.

Liczba złączy Josephsona jest miarą złożoności obwodu nadprzewodzącego lub urządzenia, podobnie jak liczba tranzystorów używana w półprzewodnikowych układach scalonych.

Historia

Badania nad komputerami nadprzewodzącymi prowadzone są przez amerykańską Agencję Bezpieczeństwa Narodowego od połowy lat pięćdziesiątych. Jednak postęp nie mógł nadążyć za rosnącą wydajnością standardowej technologii CMOS. Od 2016 r. Nie ma komercyjnych komputerów nadprzewodzących, chociaż badania i rozwój trwają.

Badania prowadzone od połowy lat pięćdziesiątych do wczesnych sześćdziesiątych koncentrowały się na kriotronie wynalezionym przez Dudleya Allena Bucka , ale temperatury ciekłego helu i powolny czas przełączania między stanami nadprzewodzącymi i rezystancyjnymi spowodowały porzucenie tych badań. W 1962 roku Brian Josephson stworzył teorię efektu Josephsona iw ciągu kilku lat IBM wyprodukował pierwsze złącze Josephsona. IBM dużo inwestował w tę technologię od połowy lat 60. do 1983. Do połowy lat 70. IBM skonstruował nadprzewodzące urządzenie do interferencji kwantowej wykorzystując te złącza, pracując głównie z ołowiem złącza oparte na ołowiu, a następnie przejście na złącza ołowiowo-niobowe. W 1980 r. rewolucja komputerowa Josephsona została ogłoszona przez IBM na okładce majowego wydania Scientific American. Jednym z powodów uzasadniających inwestycję na tak dużą skalę jest to, że prawo Moore'a – ogłoszone w 1965 roku – miało zwolnić i „wkrótce” osiągnąć plateau. Jednak z jednej strony prawo Moore'a zachowało swoją ważność, podczas gdy koszty udoskonalania urządzeń nadprzewodzących ponosił w zasadzie sam IBM, a ten ostatni, jakkolwiek duży, nie mógł konkurować z całym światem półprzewodników, który dostarczał niemal nieograniczonych zasobów. W związku z tym program został zamknięty w 1983 roku, ponieważ technologia nie została uznana za konkurencyjną w stosunku do standardowej technologii półprzewodnikowej. Japonka Ministerstwo Handlu Międzynarodowego i Przemysłu sfinansowało prace badawcze nad nadprzewodnikami w latach 1981-1989, w ramach których wyprodukowano ETL-JC1, 4-bitową maszynę z 1000 bitów pamięci RAM.

W 1983 roku firma Bell Labs stworzyła złącza Josephsona z tlenku glinu i niobu, które były bardziej niezawodne i łatwiejsze do wytworzenia. W 1985 roku naukowcy z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego opracowali schemat logiki kwantowej Rapid z pojedynczym strumieniem , który poprawił szybkość i efektywność energetyczną . Postępy te doprowadziły do ​​powstania w Stanach Zjednoczonych projektu Hybrid Technology Multi-Threaded, rozpoczętego w 1997 r., którego celem było pokonanie konwencjonalnych półprzewodników w skali petaflopowej. Projekt został jednak porzucony w 2000 roku, a pierwszy konwencjonalny komputer petaflopsowy został zbudowany w 2008 roku. Po 2000 roku zwrócono uwagę na nadprzewodnikowe obliczenia kwantowe . Wprowadzenie w 2011 r. Odwrotnej logiki kwantowej przez Quentina Herra z Northrop Grumman , a także energooszczędnego kwantowego szybkiego pojedynczego strumienia przez Hypresa, uznano za duży postęp.

Nacisk na obliczenia eksaskalowe, który rozpoczął się w połowie 2010 roku, skodyfikowany w National Strategic Computing Initiative , był postrzegany jako otwarcie dla badań nad komputerami nadprzewodnikowymi, ponieważ oczekuje się, że eksaskalowe komputery oparte na technologii CMOS będą wymagały niepraktycznych ilości energii elektrycznej. Utworzona w 2006 r. organizacja Intelligence Advanced Research Projects Activity koordynuje obecnie wysiłki badawczo-rozwojowe społeczności wywiadowczej Stanów Zjednoczonych w dziedzinie obliczeń nadprzewodnikowych.

Konwencjonalne techniki obliczeniowe

Pomimo nazw wielu z tych technik zawierających słowo „kwantowe”, niekoniecznie są to platformy do obliczeń kwantowych . [ potrzebne źródło ]

Szybki kwant pojedynczego strumienia (RSFQ)

Główny artykuł: Szybki kwant pojedynczego strumienia

szybkiego pojedynczego strumienia (RSFQ) została opracowana w Związku Radzieckim w latach 80. XX wieku. Informacja jest przenoszona przez obecność lub brak pojedynczego strumienia kwantu (SFQ). Złącza Josephsona są krytycznie tłumione , zwykle przez dodanie rezystora bocznikowego o odpowiedniej wielkości, aby przełączały się bez histerezy. Sygnały taktujące są dostarczane do bramek logicznych przez oddzielnie rozprowadzane impulsy napięcia SFQ.

Zasilanie jest dostarczane przez prądy polaryzacji rozprowadzane za pomocą rezystorów, które mogą zużywać ponad 10 razy więcej mocy statycznej niż moc dynamiczna używana do obliczeń. Prostota użycia rezystorów do dystrybucji prądu może być zaletą w małych obwodach, a RSFQ jest nadal używany w wielu zastosowaniach, w których efektywność energetyczna nie ma krytycznego znaczenia.

RSFQ był używany do budowy wyspecjalizowanych obwodów do zastosowań o dużej przepustowości i intensywnych numerycznie, takich jak odbiorniki komunikacyjne i cyfrowe przetwarzanie sygnałów.

Złącza Josephsona w obwodach RSFQ są spolaryzowane równolegle. Dlatego całkowity prąd polaryzacji rośnie liniowo wraz z liczbą złączy Josephsona. Stanowi to obecnie główne ograniczenie skali integracji obwodów RSFQ, która nie przekracza kilkudziesięciu tysięcy połączeń Josephsona na obwód.

LR-RSFQ

Zmniejszenie rezystora (R) używanego do dystrybucji prądu w tradycyjnych obwodach RSFQ i dodanie cewki indukcyjnej (L) szeregowo może zmniejszyć rozpraszanie mocy statycznej i poprawić efektywność energetyczną.

Niskonapięciowe RSFQ (LV-RSFQ)

Zmniejszenie napięcia polaryzacji w tradycyjnych obwodach RSFQ może zmniejszyć rozpraszanie mocy statycznej i poprawić efektywność energetyczną.

Energooszczędna technologia kwantowa pojedynczego strumienia (ERSFQ/eSFQ)

Opracowano wydajną logikę kwantową szybkiego pojedynczego strumienia (ERSFQ) w celu wyeliminowania strat mocy statycznej RSFQ poprzez zastąpienie rezystorów polaryzacji zestawami cewek indukcyjnych i ograniczającymi prąd złączami Josephsona.

Wydajna logika kwantowa pojedynczego strumienia (eSFQ) jest również zasilana prądem stałym, ale różni się od ERSFQ rozmiarem cewki ograniczającej prąd polaryzacji i sposobem regulacji ograniczających złączy Josephsona.

Odwrotna logika kwantowa (RQL)

Wzajemna logika kwantowa (RQL) została opracowana w celu rozwiązania niektórych problemów logiki RSFQ. RQL wykorzystuje odwrotność par impulsów SFQ do kodowania logicznej „1”. Zarówno zasilanie, jak i zegar są dostarczane przez wielofazowe prądu przemiennego . Bramki RQL nie wykorzystują rezystorów do dystrybucji mocy, a tym samym rozpraszają znikomą moc statyczną.

Główne bramki RQL to: AndOr, AnotB, Set/Reset (z nieniszczącym odczytem), które razem tworzą uniwersalny zestaw logiczny i zapewniają możliwości pamięci.

Adiabatyczny parametr strumienia kwantowego (AQFP)

Główny artykuł: Parametr strumienia kwantowego

Logika adiabatycznego strumienia kwantowego (AQFP) została opracowana z myślą o energooszczędnej pracy i jest zasilana prądem przemiennym.

13 stycznia 2021 roku ogłoszono, że prototypowy procesor oparty na AQFP 2,5 GHz o nazwie MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture) osiągnął efektywność energetyczną 80 razy większą niż w przypadku tradycyjnych procesorów półprzewodnikowych, uwzględniając nawet chłodzenie.

Techniki obliczeń kwantowych

Główny artykuł: Nadprzewodzące obliczenia kwantowe

Nadprzewodnikowe obliczenia kwantowe to obiecująca implementacja kwantowej technologii informacyjnej , która obejmuje nadprzewodzące elektrody nanofabrykowane połączone za pomocą złączy Josephsona . Podobnie jak w przypadku elektrody nadprzewodzącej, faza i ładunek są zmiennymi sprzężonymi . Istnieją trzy rodziny kubitów nadprzewodzących, w zależności od tego, czy ładunek, faza czy żadna z nich nie są dobrymi liczbami kwantowymi. Są to odpowiednio określane jako kubity ładunkowe , kubity strumieniowe i kubity hybrydowe.

Zobacz też

  1. ^ abc Joneckis , Lance; Koester, Dawid; Alspector, Joshua (2014-01-01). „Wstępne spojrzenie na alternatywne technologie komputerowe dla społeczności wywiadowczej” (PDF) . Instytut Analiz Obronnych. s. 15–16, 24–25, 47–50. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 4 czerwca 2016 r . Źródło 2016-04-22 .
  2. ^ Kogge P (2011). „Szczyty w japonkach” , IEEE Spectrum, tom. 48, s. 48–54, 2011.
  3. ^ Courtland R. (2011). „Superconductor Logic Goes Low-Power” , widmo IEEE, 22 czerwca 2011 r
  4. ^ Holmes DS, Ripple AL, Manheimer MA (2013). „Energooszczędne obliczenia nadprzewodnikowe - budżety i wymagania dotyczące mocy” , IEEE Trans. Aplikacja Supercond., tom. 23, 1701610, czerwiec 2013.
  5. ^ a b c d Brock, David C. (24.04.2016). „Czy NSA w końcu zbuduje swój nadprzewodzący komputer szpiegowski?” . widmo IEEE . Źródło 2016-04-21 .
  6. ^ N. De Liso, G. Filatrella, D. Gagliardi, C. Napoli (2020). „Zimne liczby: superkomputery nadprzewodzące i przypuszczalna anomalia” , Industrial and Corporate Change, tom. 29, nie. 2, s. 485-505, 2020.
  7. ^ Likharev KK, Semenov VK (1991). „Rodzina logiki / pamięci RSFQ: nowa technologia złącza Josephsona dla systemów cyfrowych o częstotliwości zegara poniżej teraherca” , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, tom. 1, nr 1, marzec 1991, s. 3-28.
  8. ^ Yamanashi Y, Nishigai T i Yoshikawa N (2007). „Badanie techniki ładowania LR dla obwodów kwantowych o pojedynczym strumieniu małej mocy” , IEEE Trans. Aplikacja Supercond., tom 17, s. 150–153, czerwiec 2007.
  9. ^ Ortlepp T, Wetzstein O, Engert S, Kunert J, Toepfer H (2011). „Zmniejszone zużycie energii w elektronice nadprzewodzącej” , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.21, no.3, pp.770-775, czerwiec 2011.
  10. ^ Tanaka M, Ito M, Kitayama A, Kouketsu T, Fujimaki A (2012). „18-GHz, 4,0-aJ/bit Działanie ultra-niskoenergetycznych, szybkich rejestrów przesuwnych kwantowych z pojedynczym strumieniem” , Jpn. J. Appl. fizyka 51 053102, maj 2012.
  11. ^ Tanaka M, Kitayama A, Koketsu T, Ito M, Fujimaki A (2013). „Obwody RSFQ o niskim zużyciu energii napędzane niskimi napięciami” , IEEE Trans. Aplikacja Supercond., tom. 23, nie. 3, s. 1701104, czerwiec 2013 r.
  12. ^ Muchanow OA (2011). „Energy-Efficient Single Flux Quantum Technology” , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, tom 21, nr 3, s. 760-769, czerwiec 2011.
  13. ^ DE Kirichenko, S Sarwana, AF Kirichenko (2011). „Zero Static Power Dissipation Biasing of RSFQ Circuits” , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, tom 21, nr 3, pp.776-779, czerwiec 2011.
  14. ^ Volkmann MH, Sahu A, Fourie CJ i Muchanow OA (2013). „Implementacja energooszczędnych obwodów cyfrowych kwantowych z pojedynczym strumieniem (eSFQ) z operacją sub-aJ/bit” , Supercond. nauka Techno. 26 (2013) 015002.
  15. ^ Herr QP, Herr AY, Oberg OT i Ioannidis AG (2011). „Logika nadprzewodników o bardzo małej mocy” , J. Appl. fizyka tom. 109, s. 103903-103910, 2011.
  16. ^ Oberg OT (2011). Nadprzewodzące obwody logiczne działające z odwrotnym strumieniem magnetycznym Quanta , University of Maryland, Wydział Fizyki, rozprawa doktorska.
  17. ^ Takeuchi N, Ozawa D, Yamanashi Y i Yoshikawa N (2013). „Adiabatyczny parametr strumienia kwantowego jako urządzenie logiczne o bardzo małej mocy” , Supercond. nauka Techno. 26 035010.
  18. ^ Takeuchi N, Yamanashi Y i Yoshikawa N (2015). „Efektywność energetyczna logiki nadprzewodników adiabatycznych” , Supercond. nauka Techno. 28 015003, styczeń 2015.
  19. ^ „Mikroprocesory nadprzewodzące? Okazuje się, że są ultrawydajne” . 2021-01-13 . Źródło 2021-05-25 . Prototyp 2,5 GHz zużywa 80 razy mniej energii niż jego półprzewodnikowy odpowiednik, nawet biorąc pod uwagę chłodzenie… Chociaż istnieją adiabatyczne mikroprocesory półprzewodnikowe, nowy prototyp mikroprocesora, nazwany MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture), jest pierwszym na świecie adiabatycznym mikroprocesorem nadprzewodnikowym. Składa się z nadprzewodzącego niobu i opiera się na komponentach sprzętowych zwanych adiabatycznymi parametrami strumienia kwantowego (AQFP). Każdy AQFP składa się z kilku szybko działających przełączników połączeniowych Josephsona, które wymagają bardzo mało energii do obsługi elektroniki nadprzewodnikowej. Mikroprocesor MANA składa się łącznie z ponad 20 000 złączy Josephsona (lub ponad 10 000 AQFP).

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Superconducting_computing&oldid=1130576506 ”