Разработчики рассчитывают, что их изобретение позволит уменьшить энергопотребление суперкомпьютеров на 6 порядков.
Ранее в НИИЯФ была создана микросхема с аналогичным наименованием для сверхпроводниковых высоколинейных детекторов магнитного поля и высоколинейных низкошумящих усилителей. биСКВИД использовался в устройствах аналоговой сверхпроводниковой электроники. Сейчас в нем применен джозефсоновский контакт с ферромагнетиком, и схема применяется для обратимых вычислений.
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, поясняют в институте. 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. В целом, энергопотребление зависит от ряда факторов, включая принципы реализации логических операций и выбор материалов, используемых для создания микросхем.
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 пользователи не могут восстановить то, что было на входе. Данная потеря информации сопровождается потерей энергии и увеличением температуры вычислительной машины, что было показано в 1961 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.
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 современных технологий, 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. 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. «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», — рассказывают ученые.
Сейчас изобретение ждет экспериментальной проверки. В случае выделения финансирования, лабораторные испытания могут пройти уже в 2014 году.
Иллюстрация: sinp.msu.ru (вид постоянной составляющей профиля потенциала новой обратимой схемы биСКВИДа)
