Supravodivé výpočty - Superconducting computing - Wikipedia

Supravodivá logika odkazuje na třídu logické obvody nebo logické brány , které používají jedinečné vlastnosti supravodiče, včetně vodičů s nulovým odporem, ultrarychlé Josephson křižovatka spínače a kvantování magnetického toku (fluxoid). Supravodivé výpočty jsou formou kryogenní výpočty, protože supravodivé elektronické obvody vyžadují chlazení na kryogenní provozní teploty, obvykle pod 10kelvin. Často supravodivé výpočty se vztahuje na kvantové výpočty, s důležitou aplikací známou jako supravodivé kvantové výpočty.

Supravodivé digitální logické obvody používají single flux quanta (SFQ), také známé jako kvanta magnetického toku, pro kódování, zpracování a přenos dat. Obvody SFQ jsou tvořeny aktivními Josephsonovými spoji a pasivními prvky, jako jsou induktory, rezistory, transformátory a přenosová vedení. Zatímco napětí a kondenzátory jsou důležité v polovodičových logických obvodech, jako jsou CMOS jsou v logických obvodech SFQ nejdůležitější proudy a induktory. Napájení může být dodáváno oběma stejnosměrný proud nebo střídavý proud, v závislosti na logické rodině SFQ.

Základní koncepty

Hlavní výhodou supravodivých výpočtů je lepší energetická účinnost oproti konvenčním CMOS technologie. Velká část spotřebované energie a rozptýleného tepla běžnými procesory pochází spíše z pohybu informací mezi logickými prvky než ze skutečných logických operací. Protože supravodiče mají nulovou elektrickou energii odpor, k pohybu bitů v procesoru je zapotřebí málo energie. Očekává se, že to povede k úspoře energie o faktor 500 u AN exascale počítač.[1] Pro srovnání se v roce 2014 odhadovalo, že 1 exaFLOPS Odhaduje se, že počítač zabudovaný v logice CMOS spotřebuje přibližně 500 megawattů elektrické energie.[2] Supravodivá logika může být atraktivní volbou pro ultrarychlé CPU, kde se spínací časy měří v pikosekundách a provozní frekvence se blíží 770 GHz.[3][4] Protože však přenos informací mezi procesorem a vnějším světem stále rozptyluje energii, supravodivé výpočty byly považovány za vhodné pro úlohy náročné na komunikaci, kde data z velké části zůstávají v kryogenním prostředí, spíše než velká data aplikace, kde je velké množství informací streamováno z vnějšku procesoru.[1]

Jelikož supravodivá logika podporuje standardní architektury a algoritmy digitálních strojů, bude při konstrukci supravodivých počítačů stále užitečná stávající znalostní báze pro výpočet CMOS. Avšak vzhledem ke sníženému rozptylu tepla může umožnit inovace, jako je trojrozměrné stohování komponent. Jak však vyžadují induktory, je těžší zmenšit jejich velikost. Od roku 2014 používají zařízení niob jako supravodivý materiál pracující při 4 K. byly považovány za nejmodernější. Důležitými výzvami pro pole byla spolehlivá kryogenní paměť, stejně jako přechod od výzkumu jednotlivých komponent k rozsáhlé integraci.[1]

Počet křižovatek Josephson je míra složitosti supravodivého obvodu nebo zařízení, podobně jako počet tranzistorů používá se pro polovodičové integrované obvody.

Dějiny

USA se zabývaly výzkumem supravodivých výpočtů Národní bezpečnostní agentura od poloviny 50. let. Pokrok však nemohl držet krok s zvýšení výkonu standardní technologie CMOS. Od roku 2016 neexistují žádné komerční supravodivé počítače, ačkoli výzkum a vývoj pokračuje.[5]

Výzkum v polovině 50. až počátku 60. let se zaměřil na kryotron vynalezl Dudley Allen Buck, ale teploty kapalného helia a pomalá doba přepínání mezi supravodivými a odporovými stavy způsobily, že se od tohoto výzkumu upustilo. V roce 1962 Brian Josephson založil teorii za Josephsonův efekt a během několika let IBM vyrobila první křižovatku Josephson. V polovině 70. let IBM zkonstruovala a supravodivé kvantové interferenční zařízení pomocí těchto spojení, hlavně s Vést -založené křižovatky a později přepnutí na křižovatky olovo / niob. Program byl však ukončen v roce 1983, protože tato technologie nebyla považována za konkurenceschopnou se standardní polovodičovou technologií. Japonci Ministerstvo mezinárodního obchodu a průmyslu financovala supravodivé výzkumné úsilí v letech 1981 až 1989, které vedlo k vytvoření ETL-JC1, což byl 4bitový stroj s 1 000 bitů RAM.[5]

V roce 1983 Bell Labs vytvořil niob /oxid hlinitý Spolehlivější a snadněji vyrobitelné křižovatky Josephson. V roce 1985 Rychlý kvantový tok logické schéma, které zlepšilo rychlost a energetickou účinnost, vyvinuli vědci v Moskevská státní univerzita. Tyto pokroky vedly k americkému projektu Hybrid Technology Multi-Threaded, který byl zahájen v roce 1997 a jehož cílem bylo porazit konvenční polovodiče ve výpočetním měřítku petaflop. Od projektu však bylo upuštěno v roce 2000 a první konvenční počítač petaflop byl vyroben v roce 2008. Po roce 2000 se pozornost obrátila k supravodivé kvantové výpočty. Zavedení reciproční kvantová logika autor: Quentin Herr z Northrop Grumman, stejně jako energeticky efektivní rychlé kvantum jednoho toku od společnosti Hypres, byly považovány za hlavní pokroky.[5]

Tlak na exascale computing počínaje polovinou 2010, jak je kodifikováno v Národní iniciativa pro strategické výpočty, byl považován za otvor pro supravodivý výpočetní výzkum, protože u exascalových počítačů založených na technologii CMOS by se vyžadovalo nepraktické množství elektrické energie. The Činnost zpravodajských projektů pokročilého výzkumu, založená v roce 2006, v současné době koordinuje Americká zpravodajská komunita výzkumné a vývojové úsilí v oblasti supravodivých výpočtů.[5]

Konvenční výpočetní techniky

Navzdory názvům mnoha z těchto technik, které obsahují slovo „kvantová“, nemusí to nutně být platforma kvantové výpočty.[Citace je zapotřebí ]

Rapid single flux quantum (RSFQ)

Hlavní článek: Rychlý kvantový tok

Rychlý kvantový tok (RSFQ) supravodivá logika byla vyvinuta v Sovětském svazu v 80. letech.[6] Informace jsou přenášeny přítomností nebo nepřítomností jednoho kvantového toku (SFQ). The Josephson křižovatky jsou kriticky tlumeno, typicky přidáním vhodně dimenzovaného bočního rezistoru, aby se spínaly bez hystereze. Hodinové signály jsou logickým branám poskytovány samostatně distribuovanými napěťovými pulzy SFQ.

Napájení zajišťují zkreslené proudy distribuované pomocí rezistorů, které mohou spotřebovat více než 10krát více statického výkonu než dynamický výkon použitý pro výpočet. Jednoduchost použití odporů k distribuci proudů může být výhodou v malých obvodech a RSFQ se nadále používá pro mnoho aplikací, kde energetická účinnost nemá zásadní význam.

RSFQ se používá k vytváření specializovaných obvodů pro vysoce výkonné a numericky náročné aplikace, jako jsou komunikační přijímače a digitální zpracování signálu.

Spoje Josephson v obvodech RSFQ jsou předpjaté paralelně. Proto celkový zkreslený proud roste lineárně s počtem spojů Josephson. To v současné době představuje hlavní omezení rozsahu integrace obvodů RSFQ, které nepřesahuje několik desítek tisíc uzlů Josephson na obvod.

LR-RSFQ

Redukce odporu (R) používaného k distribuci proudů v tradičních obvodech RSFQ a přidání induktoru (L) do série může snížit rozptyl statického výkonu a zlepšit energetickou účinnost.[7][8]

Nízkonapěťové RSFQ (LV-RSFQ)

Snížení předpětí v tradičních obvodech RSFQ může snížit rozptyl statického výkonu a zlepšit energetickou účinnost.[9][10]

Energeticky efektivní kvantová technologie s jedním tokem (ERSFQ / eSFQ)

Byla vyvinuta efektivní rychlá kvantová kvantová (ERSFQ) logika, která eliminuje ztráty statického výkonu RSFQ nahrazením zkreslujících rezistorů sadami induktorů a Josephsonovými spoji omezujícími proud.[11][12]

Efektivní kvantová logika s jedním tokem (eSFQ) je také napájena stejnosměrným proudem, ale liší se od ERSFQ velikostí induktoru omezujícího zkreslení proudu a tím, jak jsou regulovány omezující Josephsonovy křižovatky.[13]

Reciproční kvantová logika (RQL)

Reciproční kvantová logika (RQL) byla vyvinuta k vyřešení některých problémů logiky RSFQ. RQL používá vzájemné páry pulzů SFQ pro kódování logické „1“. Napájení i hodiny jsou poskytovány vícefázově střídavý proud signály. Brány RQL nepoužívají rezistory k distribuci energie a tím k rozptýlení zanedbatelné statické energie.[14]

Mezi hlavní brány RQL patří: Nebo, AnotB, Set / Reset (s nedestruktivním odečtem), které společně tvoří univerzální logickou sadu a poskytují možnosti paměti.[15]

Adiabatický parametr kvantového toku (AQFP)

Hlavní článek: Parametron kvantového toku

Logika Adiabatic Quantum flux parametron (AQFP) byla vyvinuta pro energeticky efektivní provoz a je napájena střídavým proudem.[16][17]

Kvantové výpočetní techniky

Hlavní článek: Supravodivé kvantové výpočty

Supravodivé kvantové výpočty jsou slibnou implementací kvantová informace technologie, která zahrnuje nanovlákna supravodivé elektrody spojený přes Josephson křižovatky. Stejně jako v supravodivé elektrodě jsou fáze a náboj sdružovat proměnné. Existují tři rodiny supravodivých qubitů, v závislosti na tom, zda náboj, fáze nebo ani jedna z nich nejsou dobrá kvantová čísla. Tito jsou příslušně nazvaní poplatek qubits, tok qubits a hybridní qubits.

Viz také

Reference

  1. ^ A b C Joneckis, Lance; Koester, David; Alspector, Joshua (01.01.2014). „Počáteční pohled na alternativní výpočetní technologie pro zpravodajskou komunitu“. Institut pro obranné analýzy. str. 15–16, 24–25, 47–50. Citováno 2016-04-22.
  2. ^ Kogge P (2011). „Vrcholy v propadácích“, IEEE Spectrum, roč. 48, s. 48–54, 2011.
  3. ^ Courtland R (2011). „Supravodičová logika má nízkou spotřebu“, Spektrum IEEE, 22. června 2011
  4. ^ Holmes DS, Ripple AL, Manheimer MA (2013). „Energeticky efektivní supravodivé výpočty - energetické rozpočty a požadavky“, IEEE Trans. Appl. Supercond., Sv. 23, 1701610, červen 2013.
  5. ^ A b C d Brock, David C. (2016-04-24). „Postaví NSA konečně svůj supravodivý špionážní počítač?“. IEEE Spectrum. Citováno 2016-04-21.
  6. ^ Likharev KK, Semenov VK (1991). „Rodina logiky / paměti RSFQ: nová technologie spojení Josephson pro digitální systémy se subterahertzovými hodinami“, IEEE Transactions on Applied Supravodivost, sv. 1, č. 1, březen 1991, s. 3-28.
  7. ^ Yamanashi Y, Nishigai T a Yoshikawa N (2007). „Studie techniky LR-zatížení pro kvantové obvody s jedním tokem nízkého výkonu“, IEEE Trans. Appl. Supercond., Sv. 17, s. 150–153, červen 2007.
  8. ^ Ortlepp T, Wetzstein O, Engert S, Kunert J, Toepfer H (2011). „Snížená spotřeba energie v supravodivé elektronice“, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.21, no.3, pp.770-775, červen 2011.
  9. ^ Tanaka M, Ito M, Kitayama A, Kouketsu T, Fujimaki A (2012). „18 GHz, 4,0 aJ / bit provoz registrů rychlého jednofázového a kvantového posunu s ultra nízkou spotřebou energie“, Jpn. J. Appl. Phys. 51 053102, květen 2012.
  10. ^ Tanaka M, Kitayama A, Koketsu T, Ito M, Fujimaki A (2013). „Obvody RSFQ s nízkou spotřebou energie poháněné nízkým napětím“, IEEE Trans. Appl. Supercond., Sv. 23, č. 3, s. 1701104, červen 2013.
  11. ^ Mukhanov OA (2011). „Energeticky efektivní kvantová technologie s jediným tokem“, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.21, no.3, pp.760-769, červen 2011.
  12. ^ DE Kirichenko, S Sarwana, AF Kirichenko (2011). „Předpětí nulové statické ztráty energie obvodů RSFQ“, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.21, no.3, pp.776-779, červen 2011.
  13. ^ Volkmann MH, Sahu A, Fourie CJ a Mukhanov OA (2013). „Implementace energeticky účinných digitálních obvodů s jediným tokem (eSFQ) s provozem sub-aJ / bit“, Supercond. Sci. Technol. 26 (2013) 015002.
  14. ^ Herr QP, Herr AY, Oberg OT a Ioannidis AG (2011). „Supravodičová logika s velmi nízkým výkonem“ J. Appl. Phys. sv. 109, str. 103903-103910, 2011.
  15. ^ Oberg OT (2011). Supravodivé logické obvody pracující s kvantami vzájemného magnetického toku, University of Maryland, Katedra fyziky, disertační práce.
  16. ^ Takeuchi N, Ozawa D, Yamanashi Y a Yoshikawa N (2013). „Adiabatický parametr kvantového toku jako logické zařízení s velmi nízkou spotřebou energie“, Supercond. Sci. Technol. 26 035010.
  17. ^ Takeuchi N, Yamanashi Y a Yoshikawa N (2015). „Energetická účinnost adiabatické logiky supravodiče“, Supercond. Sci. Technol. 28 015003, leden 2015.

externí odkazy