Сверхпроводящие вычисления - Superconducting computing

Сверхпроводящая логика относится к классу логические схемы или же логические ворота которые используют уникальные свойства сверхпроводники, включая провода нулевого сопротивления, сверхбыстрые Джозефсоновский переход переключатели, и квантование магнитного потока (флюксоид). Сверхпроводящие вычисления - это форма криогенные вычисления, поскольку сверхпроводящие электронные схемы требуют охлаждения для криогенный рабочие температуры, обычно ниже 10кельвин. Часто сверхпроводящие вычисления применяется к квантовые вычисления, с важным приложением, известным как сверхпроводящие квантовые вычисления.

В сверхпроводящих цифровых логических схемах используются кванты одиночного потока (SFQ), также известные как кванты магнитного потока, чтобы кодировать, обрабатывать и передавать данные. Цепи SFQ состоят из активных джозефсоновских переходов и пассивных элементов, таких как индукторы, резисторы, трансформаторы и линии передачи. Принимая во внимание, что напряжения и конденсаторы важны в полупроводниковых логических схемах, таких как CMOS, токи и индуктивности являются наиболее важными в логических схемах SFQ. Питание может подаваться от постоянный ток или же переменный ток, в зависимости от семейства логики SFQ.

Основные концепции

Основным преимуществом сверхпроводящих вычислений является повышенная энергоэффективность по сравнению с обычными. CMOS технологии. Большая часть потребляемой мощности и рассеиваемого тепла обычными процессорами происходит от перемещения информации между логическими элементами, а не от фактических логических операций. Поскольку сверхпроводники не имеют электрического сопротивление, для перемещения битов внутри процессора требуется мало энергии. Ожидается, что это приведет к экономии энергопотребления в 500 раз для компьютер exascale.[1] Для сравнения, в 2014 г. было оценено, чтоФЛОПЫ компьютер, построенный на логике CMOS, 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 по-прежнему рассеивает энергию, сверхпроводящие вычисления были сочтены хорошо подходящими для задач с интенсивным обменом данными, когда данные в основном остаются в криогенной среде, а не в большое количество данных приложения, в которых большие объемы информации передаются извне процессора.[1]

Поскольку сверхпроводящая логика поддерживает стандартные архитектуры и алгоритмы цифровых машин, существующая база знаний для КМОП-вычислений по-прежнему будет полезна при создании сверхпроводящих компьютеров. Однако, учитывая пониженное тепловыделение, это может позволить внедрить такие инновации, как трехмерная укладка компонентов. Однако по мере необходимости индукторы, уменьшить их размер сложнее. По состоянию на 2014 год устройства, использующие ниобий как сверхпроводящий материал, работающий при 4 K считались самыми современными. Важными задачами в этой области были надежная криогенная память, а также переход от исследования отдельных компонентов к крупномасштабной интеграции.[1]

Количество соединений Джозефсона является мерой сложности сверхпроводящей схемы или устройства, аналогично количество транзисторов используется для полупроводниковых интегральных схем.

История

Исследования в области сверхпроводящих вычислений проводились в США. Национальное Агенство Безопасности с середины 1950-х гг. Однако прогресс не успевал за повышение производительности стандартной технологии CMOS. По состоянию на 2016 год коммерческих сверхпроводящих компьютеров нет, хотя исследования и разработки продолжаются.[5]

Исследования в середине 1950-х - начале 1960-х годов были сосредоточены на криотрон изобретен Дадли Аллен Бак, но температуры жидкого гелия и медленное время переключения между сверхпроводящим и резистивным состояниями заставили отказаться от этого исследования. В 1962 г. Брайан Джозефсон установил теорию, лежащую в основе Эффект джозефсона, и в течение нескольких лет IBM изготовила первый переход Джозефсона. К середине 1970-х IBM построила сверхпроводящее устройство квантовой интерференции используя эти соединения, в основном работая с вести переходы на основе свинца с последующим переходом на переходы свинец / ниобий. Однако в 1983 году программа была закрыта, так как эта технология не считалась конкурентоспособной со стандартной полупроводниковой технологией. Японский Министерство международной торговли и промышленности финансировал сверхпроводящие исследования с 1981 по 1989 год, в результате которых был получен ETL-JC1, который представлял собой 4-битную машину с 1000 бит RAM.[5]

В 1983 г. Bell Labs создал ниобий /оксид алюминия Джозефсоновские переходы, которые были более надежными и простыми в изготовлении. В 1985 г. Быстрый квант одиночного потока логическая схема, улучшившая скорость и энергоэффективность, была разработана исследователями из Московский Государственный Университет. Эти достижения привели к осуществлению в Соединенных Штатах многопоточного проекта гибридной технологии, начатого в 1997 году, который стремился превзойти обычные полупроводники в петафлопсах. Однако в 2000 году от проекта отказались, и в 2008 году был построен первый обычный компьютер в петафлопсах. После 2000 года внимание переключилось на сверхпроводящие квантовые вычисления. Введение в 2011 г. взаимная квантовая логика Квентин Герр из Northrop Grumman, а также энергосберегающий быстрый квант одиночного потока от Hypres были замечены как важные достижения.[5]

Толчок для эксафлопсные вычисления начиная с середины 2010-х годов, как указано в Национальная стратегическая вычислительная инициатива, рассматривалось как открытие для исследований в области сверхпроводящих вычислений, поскольку эксафлопсные компьютеры, основанные на технологии CMOS, должны были потребовать непрактичного количества электроэнергии. В Деятельность в области перспективных исследовательских проектов разведки, образованная в 2006 году, в настоящее время координирует Разведывательное сообщество США исследования и разработки в области сверхпроводящих вычислений.[5]

Обычные вычислительные техники

Несмотря на то, что названия многих из этих методов содержат слово «квантовый», они не обязательно являются платформами для квантовые вычисления.[нужна цитата ]

Быстрый квант одиночного потока (RSFQ)

Основная статья: Быстрый квант одиночного потока

Быстрый квант одиночного потока (RSFQ) сверхпроводящая логика была разработана в Советском Союзе в 1980-х годах.[6] Информация передается наличием или отсутствием единичного кванта потока (SFQ). В Джозефсоновские переходы находятся критически затухающий обычно путем добавления шунтирующего резистора подходящего размера, чтобы переключить их без гистерезиса. Сигналы синхронизации подаются на логические вентили в виде отдельно распределенных импульсов напряжения SFQ.

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

RSFQ использовался для создания специализированных схем для высокопроизводительных приложений, требующих большого количества вычислений, таких как приемники связи и цифровая обработка сигналов.

Джозефсоновские переходы в цепях RSFQ смещены параллельно. Следовательно, полный ток смещения линейно растет с увеличением числа джозефсоновских переходов. В настоящее время это представляет собой главное ограничение масштаба интеграции схем RSFQ, которое не превышает нескольких десятков тысяч джозефсоновских переходов на цепь.

LR-RSFQ

Уменьшение резистора (R), используемого для распределения токов в традиционных схемах RSFQ, и последовательное добавление катушки индуктивности (L) может уменьшить статическое рассеивание мощности и повысить энергоэффективность.[7][8]

RSFQ низкого напряжения (LV-RSFQ)

Снижение напряжения смещения в традиционных схемах RSFQ может уменьшить рассеивание статической мощности и повысить энергоэффективность.[9][10]

Энергоэффективная квантовая технология с одним потоком (ERSFQ / eSFQ)

Для устранения статических потерь мощности RSFQ была разработана эффективная логика квантов быстрого одиночного потока (ERSFQ) путем замены резисторов смещения наборами индукторов и токоограничивающих джозефсоновских переходов.[11][12]

Эффективная логика кванта одиночного потока (eSFQ) также питается от постоянного тока, но отличается от ERSFQ размером индуктивности, ограничивающей ток смещения, и тем, как регулируются ограничивающие переходы Джозефсона.[13]

Взаимная квантовая логика (RQL)

Reciprocal Quantum Logic (RQL) был разработан для решения некоторых проблем логики RSFQ. RQL использует взаимные пары импульсов SFQ для кодирования логической «1». И питание, и часы обеспечиваются многофазным переменный ток сигналы. В затворах RQL не используются резисторы для распределения мощности и, таким образом, рассеивается незначительная статическая мощность.[14]

Основные ворота RQL включают: AndOr, AnotB, Set / Reset (с неразрушающим считыванием), которые вместе образуют универсальный логический набор и обеспечивают возможности памяти.[15]

Параметрон адиабатического квантового потока (AQFP)

Основная статья: Квантовый параметрон потока

Логика адиабатического квантового параметрона потока (AQFP) была разработана для энергоэффективной работы и питается от переменного тока.[16][17]

Квантовые вычислительные техники

Основная статья: Сверхпроводящие квантовые вычисления

Сверхпроводящие квантовые вычисления - многообещающая реализация квантовая информация технология, которая включает нанотехнологии сверхпроводящий электроды соединенный через Джозефсоновские переходы. Как и в сверхпроводящем электроде, фаза и заряд равны сопряженные переменные. Существует три семейства сверхпроводящих кубитов, в зависимости от того, являются ли заряд, фаза или ни один из двух хорошими квантовыми числами. Они соответственно называются заряжать кубиты, поток кубитов, и гибридные кубиты.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Йонекис, Лэнс; Кестер, Дэвид; Альспектор, Джошуа (01.01.2014). «Первый взгляд на альтернативные вычислительные технологии для разведывательного сообщества». Институт оборонного анализа. С. 15–16, 24–25, 47–50. Получено 2016-04-22.
  2. ^ Когге П. (2011). «Топы на шлепках», IEEE Spectrum, т. 48. С. 48–54, 2011.
  3. ^ Кортленд Р. (2011). «Сверхпроводниковая логика становится маломощной», Спектр IEEE, 22 июня 2011 г.
  4. ^ Холмс Д.С., Риппл А.Л., Манхеймер М.А. (2013). «Энергоэффективные сверхпроводящие вычисления - энергетические бюджеты и требования», IEEE Trans. Appl. Supercond., Т. 23, 1701610, июнь 2013 г.
  5. ^ а б c d Брок, Дэвид К. (2016-04-24). «Сможет ли АНБ построить наконец свой сверхпроводящий шпионский компьютер?». IEEE Spectrum. Получено 2016-04-21.
  6. ^ Лихарев К.К., Семенов В.К. (1991). "Семейство логики / памяти RSFQ: новая технология перехода Джозефсона для цифровых систем с тактовой частотой субтерагерцового диапазона", IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости, Vol. 1, No. 1, March 1991, pp. 3-28.
  7. ^ Яманаси Ю., Нишигай Т. и Йошикава Н. (2007). «Исследование техники LR-нагрузки для маломощных однопотоковых квантовых схем», IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.17, pp.150–153, июнь 2007.
  8. ^ Ортлепп Т., Ветцштейн О, Энгерт С., Кунерт Дж., Топфер Х. (2011). «Пониженное энергопотребление в сверхпроводящей электронике», Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости, том 21, номер 3, стр. 770-775, июнь 2011 г.
  9. ^ Танака М., Ито М., Китайма А., Кукэцу Т., Фудзимаки А. (2012). «18 ГГц, 4,0 мкДж / бит, работа однопоточных квантовых регистров сдвига со сверхнизким энергопотреблением», Jpn. J. Appl. Phys. 51 053102, май 2012 г.
  10. ^ Танака М., Китайма А., Кокецу Т., Ито М., Фудзимаки А. (2013). «Цепи RSFQ с низким энергопотреблением, управляемые низким напряжением», IEEE Trans. Appl. Supercond., Т. 23, нет. 3, с. 1701104, июнь 2013 г.
  11. ^ Муханов О.А. (2011). «Энергоэффективная квантовая технология с одним потоком», Протоколы IEEE по прикладной сверхпроводимости, том 21, номер 3, стр. 760-769, июнь 2011 г.
  12. ^ Кириченко Д.Е., Сарвана С., Кириченко А.Ф. (2011). "Нулевое смещение рассеяния статической мощности схем RSFQ", Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости, том 21, номер 3, стр. 776-779, июнь 2011 г.
  13. ^ Фолькманн М.Х., Саху А., Фурье С.Дж., Муханов О.А. (2013). «Реализация энергосберегающих цифровых схем с квантом одиночного потока (eSFQ) с операцией суб-aJ / бит», Сверхсекундный. Sci. Technol. 26 (2013) 015002.
  14. ^ Герр К.П., герр А.Ю., Оберг О.Т. и Иоаннидис А.Г. (2011). «Сверхнизкая сверхпроводниковая логика», J. Appl. Phys. т. 109, стр.103903-103910, 2011.
  15. ^ Оберг О.Т. (2011). Сверхпроводящие логические схемы, работающие с взаимным магнитным потоком Quanta, Университет Мэриленда, факультет физики, докторская диссертация.
  16. ^ Такеучи Н., Одзава Д., Яманаши И. и Йошикава Н. (2013). «Адиабатический параметрон квантового потока как логическое устройство со сверхмалым энергопотреблением», Сверхсекундный. Sci. Technol. 26 035010.
  17. ^ Такеучи Н., Яманаси Ю. и Йошикава Н. (2015). «Энергоэффективность адиабатической сверхпроводниковой логики», Сверхсекундный. Sci. Technol. 28 015003, январь 2015 г.

внешняя ссылка