Учёные НИИЯФ и физического факультета МГУ разработали для логических элементов суперкомпьютера новую микросхему биСКВИД из сверхпроводящего материала, электрическое сопротивление которого равно нулю. Возможно, что изобретение позволит уменьшить энергопотребление суперкомпьютеров на 6 порядков!

Ранее ими была создана микросхема с аналогичным наименованием для сверхпроводниковых высоколинейных детекторов магнитного поля и высоколинейных низкошумящих усилителей.

Новая сверхпроводниковая обратимая схема
для логических элементов суперкомпьютера биСКВИД.
J1, J2 – джозефсоновские контакты, J3 (голубым цветом)
– джозефсоновский контакт с ферромагнетиком

«Сам биСКВИД был предложен нами ранее совместно с профессором физического факультета Виктором Корневым и использовался в устройствах аналоговой сверхпроводниковой электроники. Новость в том, что в нём сейчас используется джозефсоновский контакт с ферромагнетиком, и схема применяется для обратимых вычислений», – пояснил старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ Игорь Соловьев.

Наименование «биСКВИД» произошло от аббревиатуры «СКВИД» (от английского SQUID – Superconducting Quantum Interference Device) – сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство, обладающее уникальной чувствительностью к магнитному полю. Приставка «би» в названии отражает объединение функций двух СКВИДов в одной схеме.

Известно, что высокое энергопотребление современных суперкомпьютеров является сложной проблемой на пути их дальнейшего развития. По оценкам учёных, дальнейшее увеличение производительности такими же темпами, как сегодня, приведёт к тому, что для работы одного суперкомпьютера следующего поколения потребуется персональный блок атомной электростанции.

«Энергопотребление зависит от ряда факторов, включая принципы реализации логических операций и выбор материалов, используемых для создания микросхем», – комментирует ситуацию доцент физического факультета МГУ Николай Кленов.

Процессы, протекающие во всех современных компьютерах – персональных и суперкомпьютерах, отличаются необратимостью. Это означает, что часть информации в процессе вычислений теряется, то есть по полученному результату мы не можем восстановить, что было на входе. Данная потеря информации сопровождается потерей энергии и увеличением температуры вычислительной машины, что было показано в 1961-м году в работе Р. Ландауэра. Использование полупроводниковых материалов, обладающих электрическим сопротивлением, также приводит к тому, что вычисления сопровождаются потерей энергии и разогревом ЭВМ. Для работы компьютера необходимо не только компенсировать потерю энергии, но и охлаждать микросхемы до рабочей температуры. Естественным выходом из сложившейся ситуации может стать использование обратимых логических операций, которые проходят без потери информации, и создание микросхем компьютера с использованием сверхпроводящих материалов, электрическое сопротивление которых равно нулю.

Кстати, недавно учёные США и Японии экспериментально показали, что энергопотребление сверхпроводниковых обратимых схем может быть более, чем на 6 порядков ниже энергопотребления существующих полупроводниковых аналогов, в то время как энергопотребление схем существующей цифровой сверхпроводниковой электроники ниже только на 3 порядка. Но исследуемые ими сверхпроводниковые схемы были достаточно громоздки по меркам современной нанотехнологии, что препятствует созданию на их основе суперкомпьютера.

Для решения проблемы сотрудники лаборатории физики наноструктур НИИЯФ МГУ, возглавляемой Михаилом Куприяновым, совместно с коллегами из физического факультета МГУ занялись созданием новых сверхпроводниковых обратимых схем. Недавно они разработали базовый элемент ячейки памяти суперкомпьютера – так называемый джозефсоновский контакт с ферромагнитным материалом. Это изобретение позволяет рассчитывать на создание компактной и энергоэффективной сверхпроводниковой памяти, отсутствие которой является существенным препятствием для практического применения существующей цифровой сверхпроводниковой технологии. Однако, логические операции, используемые в данной технологии, необратимы, а, следовательно, энергоэффективность схем невысока.

Чтобы добиться радикального уменьшения энергопотребления, на этот раз учёные НИИЯФ и физического факультета МГУ предложили новую сверхпроводниковую обратимую схему для логических элементов суперкомпьютера. В её состав входят три джозефсоновских контакта, один из них – ранее предложенный контакт с ферромагнетиком.

«Использование ферромагнетиков в сверхпроводниковых обратимых схемах позволяет значительно упростить их конструкцию, уменьшить размер и обеспечить адиабатическое протекание процесса обработки информации, – комментирует изобретение старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ Игорь Соловьев. – По степени интенсивности энерговыделения процессы, протекающие в современных компьютерах и в предлагаемой нами схеме, можно сравнить с бурным течением горной реки на многочисленных порогах и с тихим, почти незаметным с виду, течением широкой, полноводной реки на равнине».

Осталось учёным проверить своё изобретение экспериментально. В случае выделения финансирования, лабораторные испытания могут пройти уже в этом году. Вид постоянной составляющей профиля потенциала новой обратимой схемы биСКВИДа с джозефсоновским контактом с ферромагнетиком. Использование ферромагнетика обеспечивает существование эквипотенциальных траекторий эволюции системы в процессе передачи информации (показанных серыми стрелками), минимизирующих энерговыделение