В МГУ и НИИЯФ создают инновационную микросхему, использующую сверхпроводимость

Ученые НИИЯФ и физфака МГУ разработали новую микросхему биСКВИД, которая может быть использована для логических элементов суперкомпьютера. В микросхеме использован материал, электрическое сопротивление которого равняется нулю. Вполне вероятно, что изобретение даст возможность уменьшить на 6 порядков энергопотребление суперкомпьютеров.

Ранее теми же учеными была создана микросхема с аналогичным названием, предназначенная для высоколинейных низкошумящих усилителей и сверхпроводниковых высоколинейных детекторов магнитного поля.

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

Наименование «биСКВИД» было образовано от аббревиатуры «СКВИД» (от английского SQUID – Superconducting Quantum Interference Device) – то есть сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство, которое обладает уникальной чувствительностью к магнитному полю. Что касается приставки «би» в названии, то она отражает использование в одной схеме функций двух СКВИДов.

Как известно, значительное энергопотребление современных суперкомпьютеров считается большой проблемой на пути их развития. Согласно оценкам ученых, увеличение производительности суперкомпьютеров теми же темпами, что и сегодня, может привести к тому, что для работы всего лишь одного суперкомпьютера следующего поколения понадобится персональный блок АЭС.

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

Процессы, которые протекают во всех современных компьютерах, как персональных, так и суперкомпьютерах, отличаются необратимостью. На практике это значит, что часть информации пропадает в процессе вычислений, то есть мы не можем узнать, что было на входе, на основе полученных на выходе данных. Эта потеря информации сопровождается энергопотерями и увеличением температуры вычислительной машины, что было описано в работе Р. Ландауэра еще в 1961 г. Применение полупроводниковых материалов, имеющих электрическое сопротивление, приводит также к тому, что вычисления сопровождаются потерей электроэнергии и разогревом. Для работы компьютера нужно не только обеспечить компенсацию потери энергии, но и охладить до рабочей температуры микросхемы. Удачным выходом из этой ситуации может стать применение обратимых логических операций, проходящих без потери информации, а также создание микросхем компьютера с применением сверхпроводящих материалов.

Стоит упомянуть, что недавно ученые Японии и США экспериментально доказали, что энергопотребление обратимых сверхпроводниковых схем может быть ниже, чем потребление существующих полупроводниковых аналогов более чем на 6 порядков. При этом энергопотребление микросхем существующей сверхпроводниковой цифровой электроники ниже только на 3 порядка. Однако исследуемые учеными сверхпроводниковые схемы были, по сути, слишком громоздки по меркам современных нанотехнологий, что препятствует созданию суперкомпьютера на их основе.

В ходе решения этой проблемы сотрудники лаборатории физики наноструктур НИИЯФ МГУ под руководством Михаила Куприянова, совместно с коллегами из физфака МГУ приступили к созданию новых обратимых сверхпроводниковых схем. Недавно они создали базовый элемент ячейки памяти для суперкомпьютера – т.н. джозефсоновский контакт с ферромагнитным материалом. Благодаря этому изобретению можно рассчитывать на появление энергоэффективной и компактной сверхпроводниковой памяти, отсутствие которой стало существенным препятствием для практического применения имеющейся сегодня сверхпроводниковой цифровой технологии. Но логические операции, задействованные в этой технологии, необратимы, а, следовательно, схемы обладают невысокой энергоэффективностью.

Для того чтобы радикально уменьшить энергопотребление, ученые НИИЯФ и физического факультета МГУ на этот раз предложили новую обратимую сверхпроводниковую схему для логических элементов суперкомпьютера. В составе схемы имеются три джозефсоновских контакта, причем один из них – контакт с ферромагнетиком, предложенный ранее.

«Применение ферромагнетиков в сверхпроводниковых обратимых схемах дает возможность значительно упростить их конструкцию, уменьшить размер и обеспечить адиабатическое протекание процесса обработки информации, – говорит Игорь Соловьев, старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ. – 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».

Ученым осталось проверить свое изобретение экспериментально. Если будет выделено необходимое финансирование, лабораторные испытания могут пройти уже в текущем году.