Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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

Сверхпроводящие цифровые логические схемы используют кванты одиночного потока (SFQ), также известные как кванты магнитного потока , для кодирования, обработки и передачи данных. Цепи 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 CMOS , токи и индукторы наиболее важны в логических схемах SFQ. Питание может подаваться как постоянным, так и переменным током , в зависимости от семейства логики SFQ.

Основные концепции [ править ]

Основным преимуществом сверхпроводящих вычислений является повышенная энергоэффективность по сравнению с традиционной технологией CMOS . Большая часть потребляемой мощности и рассеиваемого тепла традиционными процессорами происходит за счет перемещения информации между логическими элементами, а не за счет 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 с коэффициентом пропускания в секунду с точностью 1 экз. В секунду, построенный на КМОП-логике, 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 больших 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 использовать такие инновации, как трехмерное наложение компонентов. Однако, поскольку для них требуются индукторы , уменьшить их размер труднее. По состоянию на 2014 год устройства, использующие ниобий в качестве сверхпроводящего материала, работающие при 4 К, считались современными. Важными задачами в этой области были надежная криогенная память, а также переход от исследования отдельных компонентов к крупномасштабной интеграции. [1]

Число джозефсоновских переходов - это мера сложности сверхпроводящей схемы или устройства, аналогичная числу транзисторов, используемых в полупроводниковых интегральных схемах.

История [ править ]

Агентство национальной безопасности США занимается исследованиями в области сверхпроводящих вычислений с середины 1950-х годов. Однако прогресс не мог угнаться за растущими характеристиками 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 криотроне, изобретенном Дадли Алленом Баком , но температура жидкого гелия и медленное время переключения между сверхпроводящим и резистивным состояниями заставили отказаться от этого исследования. В 1962 году Брайан Джозефсон установил теорию, лежащую в основе эффекта Джозефсона , и через несколько лет IBM изготовила первый переход Джозефсона. IBM вложила значительные средства в эту технологию с середины 1960-х по 1983 год. К середине 1970-х годов IBM сконструировала сверхпроводящее устройство квантовой интерференции с использованием этих переходов, в основном работая со свинцом.переходы на основе свинца с последующим переходом на переходы свинец / ниобий. В 1980 году IBM объявила о компьютерной революции Джозефсона на титульном листе майского номера Scientific American. Одна из причин, оправдывающих такие крупномасштабные инвестиции, заключается в том, что закон Мура, провозглашенный в 1965 году, должен был замедлиться и «скоро» выйти на плато. Однако, с одной стороны, закон Мура оставался в силе, в то время как затраты на улучшение сверхпроводящих устройств в основном полностью ложились на одну IBM, а последняя, ​​какой бы крупной она ни была, не могла конкурировать со всем миром полупроводников, который предоставлял почти безграничные ресурсы. [6] Таким образом, программа была закрыта в 1983 году, потому что технология не считалась конкурентоспособной со стандартной полупроводниковой технологией. ЯпонскийМинистерство международной торговли и промышленности финансировало сверхпроводящие исследования с 1981 по 1989 год, в результате которых был получен ETL-JC1 , который представлял собой 4-битную машину с 1000 бит ОЗУ. [5]

В 1983 году Bell Labs создала джозефсоновские переходы ниобий / оксид алюминия, которые были более надежными и простыми в изготовлении. В 1985 году исследователи из МГУ разработали схему квантовой логики Rapid с одним потоком , которая улучшила быстродействие и энергоэффективность . Эти достижения привели к осуществлению в Соединенных Штатах многопоточного проекта гибридной технологии, начатого в 1997 году, который стремился превзойти обычные полупроводники до петафлопсных вычислительных масштабов. Однако в 2000 году от этого 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 году взаимной квантовой логикиКвентин Герр из Northrop Grumman , а также энергоэффективный быстрый квант одиночного потока от Hypres были замечены как важные достижения. [5]

Стремление к эксафлопсным вычислениям, начавшееся в середине 2010-х годов, как это зафиксировано в Национальной стратегической вычислительной инициативе , рассматривалось как открытие для исследований в области сверхпроводящих вычислений, поскольку эксафлопсные компьютеры, основанные на технологии КМОП, должны были потребовать непрактичного количества электроэнергии. Группа разведывательных перспективных исследовательских проектов , созданная в 2006 году, в настоящее время координирует исследования и разработки разведывательного сообщества США в области сверхпроводящих вычислений. [5]

Обычные вычислительные техники [ править ]

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

Быстрый квант одиночного потока (RSFQ) [ править ]

Основная статья: Быстрый квант одиночного потока

Сверхпроводящая логика на основе быстрых квантов одиночного потока (RSFQ) была разработана в Советском Союзе в 1980-х годах. [7] Информация передается наличием или отсутствием единичного кванта потока (SFQ). В джозефсоновских имеют критическое затухание , как правило , путем добавления соответствующего размера шунтирующего резистора, чтобы сделать их переключения 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 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 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 является основным ограничением масштаба интеграции схем RSFQ, который не превышает нескольких десятков тысяч джозефсоновских переходов на цепь.

LR-RSFQ [ править ]

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. [8] [9]

RSFQ низкого напряжения (LV-RSFQ) [ править ]

Снижение напряжения смещения в традиционных схемах RSFQ может уменьшить рассеиваемую статическую мощность и повысить энергоэффективность. [10] [11]

Энергоэффективная квантовая технология с одним потоком (ERSFQ / eSFQ) [ править ]

Для устранения статических потерь мощности RSFQ была разработана эффективная логика быстрого квантования одиночного потока (ERSFQ) путем замены резисторов смещения наборами катушек индуктивности и токоограничивающими джозефсоновскими переходами. [12] [13]

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. [14]

Взаимная квантовая логика (RQL) [ править ]

Reciprocal Quantum Logic (RQL) был разработан для решения некоторых проблем логики RSFQ. RQL использует обратные пары импульсов SFQ для кодирования логической «1». И питание, и часы обеспечиваются многофазными сигналами переменного тока . В затворах RQL не используются резисторы для распределения мощности и, таким образом, рассеивается незначительная статическая мощность. [15]

Основные шлюзы RQL включают: AndOr , AnotB , Set / Reset (с неразрушающим считыванием), которые вместе образуют универсальный логический набор и обеспечивают возможности памяти. [16]

Параметрон адиабатического квантового потока (AQFP) [ править ]

Основная статья: Квантовый параметрон потока

Логика адиабатического квантового параметрона потока (AQFP) была разработана для энергоэффективной работы и работает от переменного тока. [17] [18]

Методы квантовых вычислений [ править ]

Основная статья: Сверхпроводящие квантовые вычисления

Сверхпроводящие квантовые вычисления - многообещающая реализация квантовой информационной технологии, в которой используются сверхпроводящие электроды, изготовленные из нанотехнологий, соединенные через джозефсоновские переходы . Как и в сверхпроводящем электроде, фаза и заряд - 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 зарядовыми кубитами , потоковыми кубитами и гибридными кубитами.

См. Также [ править ]

  • Цифровая логика
  • Сверхпроводимость

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Joneckis, Лэнс; Кестер, Дэвид; Альспектор, Джошуа (01.01.2014). «Первый взгляд на альтернативные вычислительные технологии для разведывательного сообщества» . Институт оборонных анализов. С. 15–16, 24–25, 47–50 . Проверено 22 апреля 2016 .
  2. ^ Kogge P (2011). «Вершины во флопе» , IEEE Spectrum, vol. 48. С. 48–54, 2011.
  3. ^ Courtland R (2011). "Superconductor Logic Goes Low-Power" , спектр IEEE, 22 июня 2011 г.
  4. ^ Холмс DS, Ripple AL, Manheimer MA (2013). «Энергоэффективные сверхпроводящие вычисления - бюджеты мощности и требования» , IEEE Trans. Прил. Supercond., Т. 23, 1701610, июнь 2013 г.
  5. ^ a b c d Брок, Дэвид К. (24 апреля 2016 г.). «Сможет ли АНБ построить наконец свой сверхпроводящий шпионский компьютер?» . IEEE Spectrum . Проверено 21 апреля 2016 .
  6. ^ Н. Де Лисо, Г. Филатрелла, Д. Гальярди, К. Наполи (2020). «Холодные числа: сверхпроводящие суперкомпьютеры и предполагаемая аномалия» , Industrial and Corporate Change, vol. 29, нет. 2. С. 485-505, 2020.
  7. ↑ 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 on Applied Superconductivity, Vol. 1, No. 1, March 1991, pp. 3-28.
  8. ^ Яманаси Y, Nishigai Т и Ёшикава Н (2007). «Исследование техники LR-нагрузки для маломощных однопотоковых квантовых схем» , IEEE Trans. Прил. Supercond., Vol.17, pp.150–153, июнь 2007.
  9. ^ Ortlepp Т, Wetzstein О, S Энгерт, Kunert Дж, Топфер Н (2011). «Пониженное энергопотребление в сверхпроводящей электронике» , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.21, No. 3, pp.770-775, июнь 2011.
  10. ^ Танака М, Ито М, Китаяма А, Kouketsu Т, Fujimaki А (2012). "18 ГГц, 4,0 мкДж / бит Работа быстродействующих однопотоковых квантовых регистров сдвига со сверхнизким энергопотреблением" , Jpn. J. Appl. Phys. 51 053102, май 2012 г.
  11. ^ Танака М, Китаям А, Кокетс Т, Ито М, Fujimaki А (2013). «Цепи RSFQ с низким энергопотреблением, управляемые низким напряжением» , IEEE Trans. Прил. Supercond., Т. 23, нет. 3, с. 1701104, июнь 2013 г.
  12. ↑ Муханов О.А. (2011). «Energy-Efficient Single Flux Quantum Technology» , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.21, No. 3, pp.760-769, июнь 2011.
  13. ^ DE Кириченко, S Sarwana, AF Кириченко (2011). «Смещение нулевого рассеяния статической мощности в схемах RSFQ» , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.21, No. 3, pp.776-779, июнь 2011.
  14. ^ Фолькмана MH, Sahu A, Фури CJ и Муханов OA (2013). «Внедрение энергоэффективных цифровых схем с квантом одиночного потока (eSFQ) с операцией суб-aJ / бит» , Supercond. Sci. Technol. 26 (2013) 015002.
  15. ↑ Herr QP, Herr AY, Oberg OT и Ioannidis AG (2011). «Логика сверхмалых сверхпроводников» , J. Appl. Phys. т. 109, стр.103903-103910, 2011.
  16. ^ Оберг OT (2011). Сверхпроводящие логические схемы, работающие с взаимным магнитным потоком Quanta , Мэрилендский университет, факультет физики, докторская диссертация.
  17. Перейти ↑ Takeuchi N, Ozawa D, Yamanashi Y и Yoshikawa N (2013). «Адиабатический параметрон квантового потока как логическое устройство со сверхмалым энергопотреблением» , Supercond. Sci. Technol. 26 035010.
  18. Перейти ↑ Takeuchi N, Yamanashi Y и Yoshikawa N (2015). «Энергоэффективность адиабатической сверхпроводниковой логики» , Supercond. Sci. Technol. 28 015003, январь 2015 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • Оценка сверхпроводящих технологий , Агентство национальной безопасности США, 2005 г. - продвижение проектов исследований и разработок RSFQ.
  • Исследование ExaScale Computing: Технологические проблемы в достижении ... Отчет 2008 г. , «6.2.4 Сверхпроводящая логика»