Наближаючись до надпровідних напівпровідників

У 2023 році близько 4,4% (176 терават-годин) від загального споживання енергії в США припадало на дата-центри, які необхідні для обробки великих обсягів інформації. З цих 176 ТВт-год приблизно 100 ТВт-год (57%) було використано обладнанням CPU і GPU. За останнє десятиліття потреба в енергії значно зросла і буде тільки зростати, що робить розробку енергоефективних обчислювальних систем вкрай важливою.

Надпровідна електроніка стала перспективною альтернативою класичним і квантовим обчисленням, хоча для її повноцінного використання у високопродуктивних обчисленнях необхідно значно скоротити кількість проводів, що з'єднують електроніку, яка працює при кімнатній температурі, і низькотемпературні надпровідні ланцюги. Для створення більших і оптимізованих систем заміна звичайних компонентів, таких як напівпровідники, на надпровідні версії може мати величезне значення. Ця задача захопила старшого наукового співробітника Центру плазмової науки і термоядерного синтезу Массачусетського технологічного інституту Джагадеша Мудеру (Jagadeesh Moodera) і його колег, які описали значний прорив у недавній статті в Nature Electronics під назвою «Ефективні надпровідні діоди та випрямлячі для квантових схем».

Однією з важливих давніх вимог є необхідність ефективного перетворення змінного струму в постійний на чіпі при роботі в умовах вкрай низьких кріогенних температур, необхідних для ефективної роботи надпровідників. Наприклад, у надпровідних «енергоефективних швидких однопотокових квантових» (ERSFQ) схемах проблема перетворення змінного струму в постійний обмежує масштабованість ERSFQ і перешкоджає їх використанню в більших схемах з вищим ступенем складності. Щоб задовольнити цю потребу, Мудера і його команда створили надпровідні випрямлячі на основі надпровідних діодів (SD) — пристрої, які можуть перетворювати змінний струм в постійний на одному і тому ж чіпі. Ці випрямлячі дозволяють ефективно подавати постійний струм, необхідний для роботи класичних і квантових процесорів на основі надпровідності.

Квантові комп'ютерні схеми можуть працювати тільки при температурах, близьких до абсолютного нуля, і спосіб подачі живлення повинен ретельно контролюватися, щоб обмежити вплив перешкод, викликаних надмірним теплом або електромагнітними шумами. Більша частина небажаних перешкод і тепла походить від проводів, що з'єднують холодні квантові чіпи з електронікою, яка працює при кімнатній температурі. Натомість використання надпровідних випрямлячів для перетворення змінного струму в постійний у кріогенному середовищі дозволяє зменшити кількість проводів, скоротити тепловиділення і шуми та створити більші і стабільніші квантові системи.

В експерименті 2023 року Мудера і його співавтори розробили SD, що складаються з дуже тонких шарів надпровідного матеріалу, які демонструють нереципрокний (або односпрямований) потік струму і можуть бути надпровідним аналогом стандартних напівпровідників. Попри те, що SD привернули значну увагу, особливо з 2020 року, до цього моменту дослідження були зосереджені тільки на окремих SD для підтвердження концепції. У статті групи 2023 року описується, як вони створили і вдосконалили метод, за допомогою якого SD можна масштабувати для більш широкого застосування.

Тепер, побудувавши діодний мостовий контур, вони продемонстрували успішну інтеграцію чотирьох SD і реалізували випрямлення змінного струму в постійний при кріогенних температурах.

Новий підхід, описаний в їх недавній статті в Nature Electronics, значно скоротить тепловий і електромагнітний шум, що проникає з навколишнього середовища в кріогенні схеми, що забезпечить більш чисту роботу. SD також можуть потенційно служити як ізолятори/циркулятори, допомагаючи ізолювати сигнали кубітів від зовнішнього впливу. Успішна інтеграція декількох SD в першу інтегровану схему SD є ключовим кроком на шляху до комерційного впровадження надпровідних обчислень.

«Наша робота відкриває шлях до появи в найближчі кілька років високоенергоефективних, практичних суперкомп'ютерів на основі надпровідності», — каже Мудера. «Крім того, ми очікуємо, що наші дослідження підвищать стабільність кубітів і прискорять розвиток квантових обчислень, наблизивши їх реалізацію». З огляду на численні переваги цих компонентів, Мудера і його команда вже працюють над інтеграцією таких пристроїв в реальні надпровідні логічні схеми, в тому числі в схеми виявлення темної матерії, які необхідні для проведення експериментів в CERN і LUX-ZEPLIN в Берклійській національній лабораторії.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI