Superledande datoranvändning

Supraledande logik hänvisar till en klass av logiska kretsar eller logiska grindar som använder de unika egenskaperna hos supraledare , inklusive nollresistanstrådar, ultrasnabba Josephson- övergångsomkopplare och kvantisering av magnetiskt flöde (fluxoid). Supraledande beräkning är en form av kryogen beräkning , eftersom supraledande elektroniska kretsar kräver kylning till kryogena temperaturer för drift, vanligtvis under 10 kelvin . Ofta används supraledande beräkningar på kvantberäkningar , med en viktig applikation som kallas supraledande kvantberäkning .

Supraledande digitala logiska kretsar använder single flux quanta (SFQ), även känd som magnetic flux quanta , för att koda, bearbeta och transportera data. SFQ-kretsar är uppbyggda av aktiva Josephson-övergångar och passiva element som induktorer, motstånd, transformatorer och transmissionsledningar. Medan spänningar och kondensatorer är viktiga i logiska halvledarkretsar som CMOS , är strömmar och induktorer viktigast i SFQ-logikkretsar. Ström kan levereras med antingen likström eller växelström , beroende på SFQ-logikfamiljen.

Fundamentala koncept

Den främsta fördelen med supraledande beräkningar är förbättrad energieffektivitet jämfört med konventionell CMOS -teknik. Mycket av den ström som förbrukas och värmen avleds av konventionella processorer kommer från att flytta information mellan logiska element snarare än de faktiska logiska operationerna. Eftersom supraledare har noll elektriskt motstånd krävs lite energi för att flytta bitar i processorn. Detta förväntas resultera i energiförbrukningsbesparingar på en faktor 500 för en exascale-dator . Som jämförelse uppskattades 2014 att en 1 exa FLOPS- dator inbyggd i CMOS-logik beräknas förbruka cirka 500 megawatt elektrisk kraft. Supraledande logik kan vara ett attraktivt alternativ för ultrasnabba processorer, där kopplingstider mäts i pikosekunder och driftsfrekvenser närmar sig 770 GHz. Men eftersom överföring av information mellan processorn och omvärlden fortfarande försvinner energi, sågs supraledande datorer som väl lämpade för beräkningsintensiva uppgifter där data till stor del stannar i den kryogena miljön, snarare än big data-applikationer där stora mängder information strömmas utifrån processorn.

Eftersom supraledande logik stöder standardiserade digitala maskinarkitekturer och algoritmer, kommer den befintliga kunskapsbasen för CMOS-beräkningar fortfarande att vara användbar för att konstruera supraledande datorer. Men med tanke på den minskade värmeavledningen kan det möjliggöra innovationer som tredimensionell stapling av komponenter. Men eftersom de kräver induktorer är det svårare att minska deras storlek. Från och med 2014 ansågs enheter som använder niob som supraledande material som arbetar vid 4 K som toppmoderna. Viktiga utmaningar för området var tillförlitligt kryogent minne, samt att gå från forskning om enskilda komponenter till storskalig integration.

Josephson junction count är ett mått på supraledande krets eller enhets komplexitet, liknande det transistorantal som används för integrerade halvledarkretsar.

Historia

Superledande datorforskning har bedrivits av US National Security Agency sedan mitten av 1950-talet. Men framstegen kunde inte hålla jämna steg med den ökande prestandan hos standard CMOS-teknik. Från och med 2016 finns det inga kommersiella supraledande datorer, även om forskning och utveckling fortsätter.

Forskning i mitten av 1950-talet till början av 1960-talet fokuserade på kryotronen som uppfanns av Dudley Allen Buck , men vätske-heliumtemperaturerna och den långsamma växlingstiden mellan supraledande och resistiva tillstånd gjorde att denna forskning övergavs. 1962 Brian Josephson teorin bakom Josephson-effekten , och inom några år hade IBM tillverkat den första Josephson-korsningen. IBM investerade kraftigt i denna teknik från mitten av 1960-talet till 1983. I mitten av 1970-talet hade IBM konstruerat en supraledande kvantinterferensenhet med dessa kopplingar, huvudsakligen arbetande med blybaserade kopplingar och senare bytt till bly/niob kopplingar. 1980 tillkännagavs Josephsons datorrevolution av IBM genom försättsbladet till majnumret av Scientific American. En av anledningarna som motiverade en sådan storskalig investering ligger i att Moores lag - som uttalades 1965 - förväntades sakta ner och nå en platå "snart". Men å ena sidan behöll Moores lag sin giltighet, medan kostnaderna för att förbättra supraledande enheter i princip helt och hållet bärs av IBM ensam och den senare, hur stor den än var, kunde inte konkurrera med hela världen av halvledare som gav nästan obegränsade resurser. Således lades programmet ner 1983 eftersom tekniken inte ansågs vara konkurrenskraftig med standardhalvledarteknik. Det japanska ministeriet för internationell handel och industri finansierade en supraledande forskningsinsats från 1981 till 1989 som producerade ETL-JC1, som var en 4-bitarsmaskin med 1 000 bitar RAM.

1983 skapade Bell Labs niob/ aluminiumoxid Josephson-kopplingar som var mer pålitliga och lättare att tillverka. 1985 kvantlogiksystemet Rapid single flux , som hade förbättrad hastighet och energieffektivitet, av forskare vid Moscow State University . Dessa framsteg ledde till USA:s Hybrid Technology Multi-Threaded-projekt, som startade 1997, som försökte slå konventionella halvledare till petaflop-beräkningsskalan. Projektet övergavs dock 2000 och den första konventionella petaflop-datorn konstruerades 2008. Efter 2000 vände uppmärksamheten mot supraledande kvantberäkningar . 2011 års introduktion av ömsesidig kvantlogik av Quentin Herr från Northrop Grumman , såväl som energieffektivt snabbt enkelflödeskvantum av Hypres, sågs som stora framsteg.

Strävan efter exascale computing som började i mitten av 2010-talet, som kodifierats i National Strategic Computing Initiative, sågs som en öppning för supraledande datorforskning eftersom exascale-datorer baserade på CMOS-teknik skulle förväntas kräva opraktiska mängder elektrisk kraft. Intelligence Advanced Research Projects Activity, som bildades 2006, samordnar för närvarande US Intelligence Communitys forsknings- och utvecklingsinsatser för supraledande datorer.

Konventionella datortekniker

Trots namnen på många av dessa tekniker som innehåller ordet "kvantum", är de inte nödvändigtvis plattformar för kvantberäkning . [ citat behövs ]

Snabbt enkelflödeskvantum (RSFQ)

Huvudartikel: Snabbt enkelflödeskvantum

för snabb enkelflödeskvantum (RSFQ) utvecklades i Sovjetunionen på 1980-talet. Information bärs av närvaron eller frånvaron av ett enda flödeskvantum (SFQ). Josephson -övergångarna är kritiskt dämpade , vanligtvis genom tillägg av ett shuntmotstånd av lämplig storlek, för att få dem att byta utan hysteres. Klockningssignaler tillhandahålls till logiska grindar genom separat distribuerade SFQ-spänningspulser.

Effekten tillhandahålls av förspänningsströmmar fördelade med hjälp av motstånd som kan förbruka mer än 10 gånger så mycket statisk effekt än den dynamiska effekt som används för beräkning. Enkelheten att använda resistorer för att fördela strömmar kan vara en fördel i små kretsar och RSFQ fortsätter att användas för många applikationer där energieffektivitet inte är av avgörande betydelse.

RSFQ har använts för att bygga specialiserade kretsar för hög genomströmning och numeriskt intensiva tillämpningar, såsom kommunikationsmottagare och digital signalbehandling.

Josephson-övergångar i RSFQ-kretsar är förspända parallellt. Därför växer den totala förspänningsströmmen linjärt med Josephson-övergångsräkningen. Detta utgör för närvarande den stora begränsningen på integrationsskalan för RSFQ-kretsar, som inte överstiger några tiotusentals Josephson-korsningar per krets.

LR-RSFQ

Att minska motståndet (R) som används för att fördela strömmar i traditionella RSFQ-kretsar och lägga till en induktor (L) i serie kan minska den statiska effektförlusten och förbättra energieffektiviteten.

Lågspänning RSFQ (LV-RSFQ)

Att minska förspänningen i traditionella RSFQ-kretsar kan minska den statiska effektförlusten och förbättra energieffektiviteten.

Energieffektiv Single Flux Quantum Technology (ERSFQ/eSFQ)

Effektiv snabb enkelflödeskvantum (ERSFQ) logik utvecklades för att eliminera de statiska effektförlusterna hos RSFQ genom att ersätta förspänningsmotstånd med uppsättningar av induktorer och strömbegränsande Josephson-övergångar.

Effektiv enkelflödeskvantum (eSFQ)-logik drivs också av likström, men skiljer sig från ERSFQ i storleken på förspänningsströmbegränsande induktor och hur de begränsande Josephson-övergångarna regleras.

Reciprocal Quantum Logic (RQL)

Reciprocal Quantum Logic (RQL) utvecklades för att fixa några av problemen med RSFQ-logik. RQL använder ömsesidiga par av SFQ-pulser för att koda en logisk '1'. Både effekt och klocka tillhandahålls av flerfasiga växelströmssignaler . RQL-grindar använder inte resistorer för att fördela effekt och därmed försvinner försumbar statisk effekt.

Större RQL-grindar inkluderar: AndOr, AnotB, Set/Reset (med oförstörande utläsning), som tillsammans bildar en universell logikuppsättning och ger minnesmöjligheter.

Adiabatisk kvantflödesparametron (AQFP)

Huvudartikel: Quantum flux parametron

Adiabatic Quantum Flux Parametron (AQFP) logik utvecklades för energieffektiv drift och drivs av växelström.

Den 13 januari 2021 tillkännagavs att en 2,5 GHz prototyp AQFP-baserad processor kallad MANA (Monolithic Adiabatic Integration Architecture) hade uppnått en energieffektivitet som var 80 gånger högre än traditionella halvledarprocessorer, till och med för kylningen.

Kvantberäkningstekniker

Huvudartikel: Superledande kvantberäkning

Supraledande kvantberäkning är en lovande implementering av kvantinformationsteknologi som involverar nanotillverkade supraledande elektroder kopplade genom Josephson-korsningar . Som i en supraledande elektrod är fasen och laddningen konjugerade variabler . Det finns tre familjer av supraledande kvantbitar, beroende på om laddningen, fasen eller ingen av de två är bra kvanttal. Dessa kallas respektive laddningsqubits , flödesqubits och hybridqubits.

Se även

  1. ^ a b c Joneckis, Lance; Koester, David; Alsspector, Joshua (2014-01-01). "En första titt på alternativa datortekniker för intelligensgemenskapen" ( PDF) . Institutet för försvarsanalyser. s. 15–16, 24–25, 47–50. Arkiverad från originalet den 4 juni 2016 . Hämtad 2016-04-22 .
  2. ^ Kogge P (2011). "The tops in flopps" , IEEE Spectrum, vol. 48, s. 48–54, 2011.
  3. ^ Courtland R (2011). "Superconductor Logic Goes Low-Power" , IEEE spectrum, 22 juni 2011
  4. ^ Holmes DS, Ripple AL, Manheimer MA (2013). "Energieffektiv supraledande datoranvändning—effektbudgetar och krav", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23, 1701610, juni 2013.
  5. ^ a b c d Brock, David C. (2016-04-24). "Kommer NSA äntligen att bygga sin superledande spiondator?" . IEEE spektrum . Hämtad 2016-04-21 .
  6. ^ N. De Liso, G. Filatrella, D. Gagliardi, C. Napoli (2020). "Kalla siffror: Superledande superdatorer och presumtiv anomali", Industrial and Corporate Change, vol. 29, nr. 2, s. 485-505, 2020.
  7. ^ Likharev KK, Semenov VK (1991). "RSFQ logic/memory family: a new Josephson-junction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 1, nr 1, mars 1991, sid. 3-28.
  8. ^ Yamanashi Y, Nishigai T och Yoshikawa N (2007). "Studie av LR-laddningsteknik för lågeffekts enkelflödeskvantumkretsar", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 17, s. 150–153, juni 2007.
  9. ^ Ortlepp T, Wetzstein O, Engert S, Kunert J, Toepfer H (2011). "Reduced Power Consumption in Superconducting Electronics" , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.21, nr.3, s.770-775, juni 2011.
  10. ^ Tanaka M, Ito M, Kitayama A, Kouketsu T, Fujimaki A (2012). "18-GHz, 4.0-aJ/bit drift av ultralågenergi snabba enkelflödes-kvantväxlingsregister" , Jpn. J. Appl. Phys. 51 053102, maj 2012.
  11. ^ Tanaka M, Kitayama A, Koketsu T, Ito M, Fujimaki A (2013). "Lågenergiförbrukning RSFQ-kretsar drivna av låga spänningar", IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23, nr. 3, s. 1701104, juni 2013.
  12. ^ Mukhanov OA (2011). "Energy-Efficient Single Flux Quantum Technology" , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.21, nr.3, s.760-769, juni 2011.
  13. ^ DE Kirichenko, S Sarwana, AF Kirichenko (2011). "Zero Static Power Dissipation Biasing of RSFQ Circuits" , IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.21, nr.3, s.776-779, juni 2011.
  14. ^ Volkmann MH, Sahu A, Fourie CJ och Mukhanov OA (2013). "Implementering av energieffektiva digitala kretsar med enkelflödeskvantum (eSFQ) med sub-aJ/bit-drift", Supercond. Sci. Technol. 26 (2013) 015002.
  15. ^ Herr QP, Herr AY, Oberg OT och Ioannidis AG (2011). "Ultra-lågeffekt supraledarelogik" , J. Appl. Phys. vol. 109, sid. 103903-103910, 2011.
  16. ^ Öberg OT (2011). Supraledande logiska kretsar som opererar med ömsesidigt magnetiskt flöde Quanta , University of Maryland, Institutionen för fysik, doktorsavhandling.
  17. ^ Takeuchi N, Ozawa D, Yamanashi Y och Yoshikawa N (2013). "En adiabatisk kvantflödesparametron som en logisk enhet med ultralåg effekt", Supercond. Sci. Technol. 26 035010.
  18. ^ Takeuchi N, Yamanashi Y och Yoshikawa N (2015). "Energieffektivitet för adiabatisk supraledarelogik", Supercond. Sci. Technol. 28 015003, januari 2015.
  19. ^ "Superledande mikroprocessorer? Visar sig att de är extremt effektiva" . 2021-01-13 . Hämtad 2021-05-25 . Prototypen på 2,5 GHz använder 80 gånger mindre energi än sin halvledarmotsvarighet, och står till och med för kylning... Medan adiabatiska halvledarmikroprocessorer finns, är den nya mikroprocessorprototypen, kallad MANA (Monolithic Adiabatic Integration Architecture), världens första adiabatiska supraledaremikroprocessor. Den är sammansatt av supraledande niob och är beroende av hårdvarukomponenter som kallas adiabatiska kvantflödesparametroner (AQFP). Varje AQFP består av ett fåtal snabbverkande Josephson junction switchar, som kräver mycket lite energi för att stödja supraledareelektronik. MANA-mikroprocessorn består av mer än 20 000 Josephson-korsningar (eller mer än 10 000 AQFP) totalt.

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Superconducting_computing&oldid=1130576506 "