Учёные НИИЯФ и физического факультета МГУ разработали для логических элементов суперкомпьютера новую сверхпроводниковую микросхему биСКВИД, которая позволит уменьшить энергопотребление суперкомпьютеров.

Высокое энергопотребление современных суперкомпьютеров – сложная проблема, стоящая на пути их дальнейшего развития. Ведь это не только затраты энергии, которые нужно компенсировать, это еще и выделение огромного количества тепла, что требует сильного охлаждения компьютеров до рабочих температур.

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

Вид постоянной составляющей профиля потенциала биСКВИДа с SIsFS контактом. Его использование обеспечивает существование эквипотенциальных траекторий эволюции системы в процессе передачи информации (серые стрелки), минимизирующих энерговыделение.

Схема джозефсоновского контакта с ферромагнетиком SIsFS: сверхпроводник (S)-изолятор (I)-сверхпроводник (s)-ферромагнетик (F)-сверхпроводник (S). (http://arxiv.org/pdf/1305.0836v1.pdf)

За 11 минут можно пожарить яйцо на работающем процессоре Athlon XP1500+ обычного персонального компьютера (www.phys.ncku.edu.tw/~htsu/humor/fry_egg.html).

О количестве выделяемого тепла говорит забавный факт, что за 11 минут можно пожарить яйцо на работающем процессоре Athlon XP1500+ обычного персонального компьютера. Уже сейчас в среднем каждый из суперкомпьютеров топ-500 потребляет около 0,5 МВт, что сопоставимо с потреблением небольшого микрорайона. Если дальнейшее увеличение производительности пойдет такими же темпами, как сегодня, то для работы одного суперкомпьютера следующего поколения потребуется порядка 500 МВт. Это мощность целого энергоблока ВВЭР-440 на Нововоронежской или Кольской АЭС.  

Частично проблему может решить переход на сверхпроводящие элементы, потребляющие энергии на 3-4 порядка меньше, что и пытаются сделать уже полвека. Но традиционные технологии, основанные на использовании джозефсоновского эффекта (протекание сверхпроводящего тока сквозь тонкий слой несверхпроводящего материала, соединяющий два сверхпроводника), не позволяют создать миниатюрные и быстрые устройства.  

Недавно специалисты НИИЯФ МГУ и Института физики твердого тела РАН разработали новый базовый элемент ячейки памяти суперкомпьютера – так называемый джозефсоновский контакт с ферромагнитным материалом (SIsFS контакт), в котором между сверхпроводящими электродами S размещены тонкие слои изолирующего I, сверхпроводящего s и ферромагнитного F материалов. При этом им удалось решить важную проблему несовместимости сверхпроводимости и ферромагнетизма. Дело в том, что ферромагнетики усиливают магнитное поле, а сверхпроводимость разрушается даже в относительно слабом магнитном поле. Это изобретение позволяет рассчитывать на создание компактной и быстрой сверхпроводниковой памяти, отсутствие которой служит серьезным препятствием для практического применения существующей цифровой сверхпроводниковой технологии.

Однако энергопотребление зависит не только от материалов, используемых для создания микросхем, а от целого ряда факторов, включая принципы реализации логических операций. Традиционный процесс вычислений необратим, поскольку после срабатывания электронных схем мы по результату на  выходе уже не можем восстановить, что  было на входе. Грубо говоря, транзистор имеет два входа и один выход и, имея информацию о токе на выходе, нельзя сказать, какой был ток на каждом входе, что и означает потерю информации. Это соответствует увеличению энтропии системы, потере энергии и увеличению температуры вычислительной машины, что было показано в 1961-м году в работе Рольфа Ландауэра. Проще говоря, мы затрачиваем энергию на стирание каждого бита информации в компьютере. Предел этих затрат W=k·T·ln 2 ≈ 10^-21 Дж (k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура) и нашел Ландауэр на основании второго закона термодинамики.  

Естественным выходом из сложившейся ситуации может стать использование обратимых логических операций, которые проходят без потери информации. Это по сути означает точное отслеживание энергии, которая участвует в выполнении вычислительных операций, и создание устройств компьютера таким образом, чтобы большая часть этой энергии могла использоваться повторно для последующих операций, вместо того чтобы рассеиваться в виде тепла.

Недавно учёные США и Японии экспериментально показали, что энергопотребление сверхпроводниковых обратимых схем может быть более чем на 6 порядков ниже энергопотребления существующих полупроводниковых аналогов и даже ниже предела Ландауэра, в то время как энергопотребление схем существующей цифровой сверхпроводниковой электроники ниже только на 3 порядка.  

Чтобы добиться радикального уменьшения энергопотребления, на этот раз учёные НИИЯФ, физического факультета МГУ и Института физики микроструктур РАН предложили новую сверхпроводниковую обратимую схему для логических элементов суперкомпьютера. В её состав входят три джозефсоновских контакта, один из которых тот самый ранее предложенный контакт с ферромагнетиком (SIsFS).

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

«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.
Возможно, что именно это изобретение позволит уменьшить энергопотребление суперкомпьютеров на упомянутые выше 6 порядков.

  По материалам НИИЯФ

Иллюстрация 3  http://arxiv.org/pdf/1305.0836v1.pdf