La lógica superconductora se refiere a una clase de circuitos lógicos o puertas lógicas que utilizan las propiedades únicas de los superconductores , incluidos cables de resistencia cero, interruptores de unión Josephson ultrarrápidos y cuantificación del flujo magnético (fluxoide). La computación superconductora es una forma de computación criogénica , ya que los circuitos electrónicos superconductores requieren enfriamiento a temperaturas criogénicas para su funcionamiento, típicamente por debajo de 10 kelvin . A menudo, la computación superconductora se aplica a la computación cuántica , con una aplicación importante conocida como computación cuántica superconductora .
Los circuitos lógicos digitales superconductores utilizan cuantos de flujo único (SFQ), también conocidos como cuantos de flujo magnético , para codificar, procesar y transportar datos. Los circuitos SFQ están formados por uniones Josephson activas y elementos pasivos como inductores, resistencias, transformadores y líneas de transmisión. Mientras que los voltajes y los condensadores son importantes en los circuitos lógicos de semiconductores como CMOS , las corrientes y los inductores son los más importantes en los circuitos lógicos SFQ. La energía puede ser suministrada por corriente continua o corriente alterna , dependiendo de la familia lógica SFQ.
Conceptos fundamentales
La principal ventaja de la computación superconductora es la eficiencia energética mejorada sobre la tecnología CMOS convencional . Gran parte de la energía consumida y el calor disipado por los procesadores convencionales proviene del movimiento de información entre elementos lógicos en lugar de las operaciones lógicas reales. Debido a que los superconductores tienen cero resistencia eléctrica , se requiere poca energía para mover bits dentro del procesador. Se espera que esto resulte en ahorros en el consumo de energía de un factor de 500 para una computadora a exaescala . [1] A modo de comparación, en 2014 se estimó que una computadora FLOPS de 1 exa construida con lógica CMOS consumía unos 500 megavatios de energía eléctrica. [2] La lógica superconductora puede ser una opción atractiva para las CPU ultrarrápidas, donde los tiempos de conmutación se miden en picosegundos y las frecuencias de operación se acercan a los 770 GHz. [3] [4] Sin embargo, dado que la transferencia de información entre el procesador y el mundo exterior aún disipa energía, la computación superconductora se consideró adecuada para tareas de comunicaciones intensivas donde los datos permanecen en gran medida en el entorno criogénico, en lugar de big data. Aplicaciones en las que se transmiten grandes cantidades de información desde fuera del procesador. [1]
Dado que la lógica superconductora admite arquitecturas y algoritmos de máquinas digitales estándar, la base de conocimientos existente para la computación CMOS seguirá siendo útil para construir computadoras superconductoras. Sin embargo, dada la disipación de calor reducida, puede permitir innovaciones como el apilamiento tridimensional de componentes. Sin embargo, como requieren inductores , es más difícil reducir su tamaño. A partir de 2014, los dispositivos que utilizan niobio como material superconductor que operan a 4 K se consideraron de última generación. Los desafíos importantes para el campo fueron la memoria criogénica confiable, así como el paso de la investigación sobre componentes individuales a la integración a gran escala. [1]
El recuento de uniones de Josephson es una medida de la complejidad del dispositivo o circuito superconductor, similar al recuento de transistores utilizado para los circuitos integrados de semiconductores.
Historia
La Agencia de Seguridad Nacional de EE. UU. Ha realizado investigaciones sobre computación superconductora desde mediados de la década de 1950. Sin embargo, el progreso no pudo seguir el ritmo del rendimiento cada vez mayor de la tecnología CMOS estándar. A partir de 2016 no hay computadoras superconductoras comerciales, aunque la investigación y el desarrollo continúan. [5]
La investigación a mediados de la década de 1950 y principios de la de 1960 se centró en el criotrón inventado por Dudley Allen Buck , pero las temperaturas del helio líquido y el lento tiempo de cambio entre los estados superconductores y resistivos hicieron que se abandonara esta investigación. En 1962, Brian Josephson estableció la teoría detrás del efecto Josephson , y en pocos años IBM había fabricado la primera unión Josephson. IBM invirtió mucho en esta tecnología desde mediados de la década de 1960 hasta 1983. A mediados de la década de 1970, IBM había construido un dispositivo de interferencia cuántica superconductora utilizando estas uniones, trabajando principalmente con uniones basadas en plomo y luego cambiando a uniones de plomo / niobio. En 1980, IBM anunció la revolución informática de Josephson a través de la portada del número de mayo de Scientific American. Una de las razones que justificaron una inversión a tan gran escala radica en que se esperaba que la ley de Moore, enunciada en 1965, se ralentizara y alcanzara una meseta "pronto". Sin embargo, por un lado, la ley de Moore mantuvo su validez, mientras que los costos de mejorar los dispositivos superconductores fueron básicamente asumidos por IBM solo y este último, por grande que sea, no podía competir con todo el mundo de los semiconductores que proporcionaban recursos casi ilimitados. [6] Por lo tanto, el programa se cerró en 1983 porque la tecnología no se consideró competitiva con la tecnología de semiconductores estándar. El Ministerio de Industria y Comercio Internacional de Japón financió un esfuerzo de investigación de superconductores de 1981 a 1989 que produjo el ETL-JC1 , que era una máquina de 4 bits con 1000 bits de RAM. [5]
En 1983, Bell Labs creó uniones Josephson de niobio / óxido de aluminio que eran más confiables y fáciles de fabricar. En 1985, investigadores de la Universidad Estatal de Moscú desarrollaron el esquema de lógica cuántica de flujo único Rapid , que había mejorado la velocidad y la eficiencia energética . Estos avances llevaron al proyecto de tecnología híbrida multiproceso de los Estados Unidos, iniciado en 1997, que buscaba superar a los semiconductores convencionales a la escala de computación petaflop. Sin embargo, el proyecto fue abandonado en 2000, y la primera computadora petaflop convencional se construyó en 2008. Después de 2000, la atención se centró en la computación cuántica superconductora . La introducción en 2011 de la lógica cuántica recíproca por Quentin Herr de Northrop Grumman , así como el cuanto de flujo único rápido y eficiente en energía de Hypres, se consideraron avances importantes. [5]
El impulso por la computación a exaescala que comenzó a mediados de la década de 2010, según lo codificado en la Iniciativa de Computación Estratégica Nacional , se consideró una oportunidad para la investigación de la computación superconductora, ya que se esperaba que las computadoras a exaescala basadas en tecnología CMOS requirieran cantidades poco prácticas de energía eléctrica. La Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia , formada en 2006, actualmente coordina los esfuerzos de investigación y desarrollo de la Comunidad de Inteligencia de Estados Unidos en computación superconductora. [5]
Técnicas de computación convencional
A pesar de los nombres de muchas de estas técnicas que contienen la palabra "cuántica", no son necesariamente plataformas para la computación cuántica . [ cita requerida ]
Quantum de flujo único rápido (RSFQ)
La lógica superconductora cuántica de flujo único rápido (RSFQ) se desarrolló en la Unión Soviética en la década de 1980. [7] La información es transportada por la presencia o ausencia de un cuanto de flujo único (SFQ). Las uniones de Josephson están críticamente amortiguadas , generalmente mediante la adición de una resistencia de derivación del tamaño adecuado, para hacer que cambien sin histéresis. Las señales de reloj se envían a las puertas lógicas mediante pulsos de tensión SFQ distribuidos por separado.
La energía es proporcionada por corrientes de polarización distribuidas utilizando resistencias que pueden consumir más de 10 veces más energía estática que la energía dinámica utilizada para el cálculo. La simplicidad de usar resistencias para distribuir corrientes puede ser una ventaja en circuitos pequeños y RSFQ continúa usándose para muchas aplicaciones donde la eficiencia energética no es de importancia crítica.
RSFQ se ha utilizado para construir circuitos especializados para aplicaciones de alto rendimiento y numéricamente intensivas, como receptores de comunicaciones y procesamiento de señales digitales.
Las uniones de Josephson en los circuitos RSFQ están polarizadas en paralelo. Por lo tanto, la corriente de polarización total crece linealmente con el recuento de uniones de Josephson. Esto presenta actualmente la mayor limitación en la escala de integración de los circuitos RSFQ, que no excede algunas decenas de miles de uniones Josephson por circuito.
LR-RSFQ
Reducir la resistencia (R) utilizada para distribuir corrientes en circuitos RSFQ tradicionales y agregar un inductor (L) en serie puede reducir la disipación de potencia estática y mejorar la eficiencia energética. [8] [9]
RSFQ de bajo voltaje (LV-RSFQ)
Reducir el voltaje de polarización en los circuitos RSFQ tradicionales puede reducir la disipación de energía estática y mejorar la eficiencia energética. [10] [11]
Tecnología cuántica de flujo único de bajo consumo energético (ERSFQ / eSFQ)
Se desarrolló una lógica eficiente y rápida cuántica de flujo único (ERSFQ) para eliminar las pérdidas de potencia estática de RSFQ al reemplazar las resistencias de polarización con conjuntos de inductores y uniones Josephson de limitación de corriente. [12] [13]
La lógica cuántica de flujo único eficiente (eSFQ) también funciona con corriente continua, pero difiere de ERSFQ en el tamaño del inductor limitador de corriente de polarización y en cómo se regulan las uniones limitantes de Josephson. [14]
Lógica cuántica recíproca (RQL)
La lógica cuántica recíproca (RQL) se desarrolló para solucionar algunos de los problemas de la lógica RSFQ. RQL utiliza pares recíprocos de pulsos SFQ para codificar un '1' lógico. Tanto la energía como el reloj son proporcionados por señales de corriente alterna multifase. Las puertas RQL no utilizan resistencias para distribuir la energía y, por lo tanto, disipan una energía estática insignificante. [15]
Las principales puertas de RQL incluyen: AndOr , AnotB , Set / Reset (con lectura no destructiva), que juntas forman un conjunto lógico universal y proporcionan capacidades de memoria. [dieciséis]
Parametrón de flujo cuántico adiabático (AQFP)
La lógica del parametrón de flujo cuántico adiabático (AQFP) se desarrolló para un funcionamiento energéticamente eficiente y funciona con corriente alterna. [17] [18]
El 13 de enero de 2021, se anunció que un prototipo de procesador basado en AQFP de 2.5 GHz llamado MANA (Arquitectura de integración adiabática monolítica) había logrado una eficiencia energética 80 veces mayor que la de los procesadores de semiconductores tradicionales, incluso teniendo en cuenta el enfriamiento. [19]
Técnicas de computación cuántica
La computación cuántica superconductora es una implementación prometedora de la tecnología de la información cuántica que involucra electrodos superconductores nanofabricados acoplados a través de uniones Josephson . Como en un electrodo superconductor, la fase y la carga son variables conjugadas . Existen tres familias de qubits superconductores, dependiendo de si la carga, la fase o ninguno de los dos son buenos números cuánticos. Estos se denominan respectivamente qubits de carga , qubits de flujo y qubits híbridos.
Ver también
- Lógica digital
- Superconductividad
Referencias
- ^ a b c Joneckis, Lance; Koester, David; Alspector, Joshua (1 de enero de 2014). "Una mirada inicial a las tecnologías informáticas alternativas para la comunidad de inteligencia" . Instituto de Análisis de Defensa. págs. 15-16, 24-25, 47-50 . Consultado el 22 de abril de 2016 .
- ^ Kogge P (2011). "Los tops en flops" , IEEE Spectrum, vol. 48, págs. 48–54, 2011.
- ^ Courtland R (2011). "Superconductor Logic Goes Low-Power" , espectro IEEE, 22 de junio de 2011
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- ^ a b c d Brock, David C. (24 de abril de 2016). "¿La NSA finalmente construirá su computadora espía superconductora?" . Espectro IEEE . Consultado el 21 de abril de 2016 .
- ↑ N. De Liso, G. Filatrella, D. Gagliardi, C. Napoli (2020). "Números fríos: supercomputadoras superconductoras y presunta anomalía" , Industrial and Corporate Change, vol. 29, no. 2, páginas 485-505, 2020.
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- ↑ Tanaka M, Kitayama A, Koketsu T, Ito M, Fujimaki A (2013). "Circuitos RSFQ de bajo consumo de energía impulsados por voltajes bajos" , IEEE Trans. Apl. Supercond., Vol. 23, no. 3, págs.1701104, junio de 2013.
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- ^ Takeuchi N, Ozawa D, Yamanashi Y y Yoshikawa N (2013). "Un parametrón de flujo cuántico adiabático como dispositivo lógico de potencia ultrabaja" , Supercond. Sci. Technol. 26 035010.
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- ^ "¿Microprocesadores superconductores? Resulta que son ultraeficientes" . 2021-01-13 . Consultado el 25 de mayo de 2021 .
El prototipo de 2,5 GHz utiliza 80 veces menos energía que su homólogo semiconductor, incluso teniendo en cuenta el enfriamiento ... Si bien existen microprocesadores semiconductores adiabáticos, el nuevo prototipo de microprocesador, llamado MANA (Arquitectura de integración adiabática monolítica), es el primer microprocesador superconductor adiabático del mundo. Está compuesto de niobio superconductor y se basa en componentes de hardware llamados parametrones de flujo cuántico adiabáticos (AQFP). Cada AQFP está compuesto por unos pocos interruptores de unión Josephson de acción rápida, que requieren muy poca energía para soportar la electrónica superconductora. El microprocesador MANA consta de más de 20.000 uniones Josephson (o más de 10.000 AQFP) en total.
enlaces externos
- Evaluación de tecnologías superconductoras , NSA, 2005 - Promoción de proyectos de I + D RSFQ.
- Estudio de Computación ExaScale: Desafíos tecnológicos para lograr ... Informe 2008 , "6.2.4 Lógica superconductora"