Премия за сверхпроводящую электронику

Премия Правительства Москвы молодым ученым за 2014 год присуждена авторам проекта по созданию сверхпроводящих устройств для нового поколения компьютеров и средств связи.

Лауреатами премии стали сотрудники кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ доцент Николай Кленов и аспирант Сергей Бакурский, а также старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ Игорь Соловьев за проект «Разработка энергоэффективной сверхпроводниковой и полупроводниковой элементной базы для систем детектирования сигнала, приема и обработки информации».

Решение сложных научных и практических задач требует от компьютеров все большего быстродействия и объемов памяти. При этом с одной стороны возрастает количество устройств, образующих вычислительную систему, с другой – происходит их сверхминиатюризация, сопровождающаяся высокой плотностью размещения. Еще одним способом увеличить быстродействие является повышение рабочей частоты. Однако традиционные полупроводниковые технологии на данный момент достигли своего предела.

Главной проблемой на пути дальнейшего развития суперкомпьютеров стало очень большое их энергопотребление. Это не просто затраты энергии на работу устройств, это еще и выделение огромного количества тепла при протекании токов. При этом дело не только в потере уходящей в тепло значительной части энергии. Нагрев полупроводниковых устройств приводит к их выходу из строя. Потому мощные компьютеры нуждаются в сильном охлаждении до рабочих температур.

Так что уже сейчас в среднем каждый из суперкомпьютеров топ-500 потребляет более 0,5 МВт, что сопоставимо с потреблением небольшого микрорайона. Занимающий на конец 2014 года первое место китайский суперкомпьютер «Tianhe-2» («Тяньхэ-2») потребляет 17,8 МВт (вместе с системой охлаждения 24 МВт), а идущий на втором месте американский «Titan» – 8,2 МВт. Если дальнейшее увеличение производительности будет идти по той же технологии, то для работы суперкомпьютера следующего поколения потребуется порядка 500 МВт, а, возможно, и несколько гигаватт, что сравнимо с мощностью энергоблока атомной электростанции. Это слишком дорого.

Другая проблема таких полупроводниковых устройств – неспособность работать на очень высоких частотах. 

Однако на этом пути имеются свои подводные камни. Сверхпроводимость для большинства веществ наступает при очень низких температурах (в лучшем случае около –200 градусов по шкале Цельсия), которые трудно создавать на практике. А из существующих высокотемпературных сверхпроводников, для которых достаточно около –100 градусов по шкале Цельсия, до последнего времени не удавалось создать сложных конструкций. Так что у существующих сверхпроводниковых компьютеров память составляет лишь несколько килобайт. В то время как уже упомянутый суперкомпьютер «Tianhe-2» только оперативной памяти имеет 1,4 ПБ (Петабайт = 10¹⁵ Байт). Миниатюрность и быстрота устройств, использующих эффект Джозефсона, также оставляли желать лучшего. 

Другая особенность, которую необходимо учитывать, заключается в «нелюбви» сверхпроводимости к магнитному полю. Как известно, магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Однако для создания памяти целесообразно использовать именно магнитные материалы, позволяющие хранить информацию долгое время без затрат энергии

Группа ученых, в которую входят лауреаты премии, предложила путь решения этих проблем на основе разработанного джозефсоновского контакта с ферромагнитным материалом (SIsFS контакт), в котором между сверхпроводящими электродами S размещены тонкие слои изолирующего I, сверхпроводящего s и ферромагнитного F материалов. Такое гибридное решение использует преимущества магнитных материалов для запоминания состояния и достоинства сверхпроводимости (высокие частоты более 100 ГГц, и малое, менее 1 мкВт, энергопотребление логических цепей). Это позволит создать компактную память, объемы которой будут не хуже, чем у лучших современных компьютеров. Ожидается увеличение быстродействия компьютеров нового поколения на 3-6 порядков. Создание материала в виде композитной тонкой пленки из нескольких слоев различных металлов и диэлектриков толщиной в несколько нанометров сможет обеспечить миниатюрность устройств и высокую плотность их размещения.   

Подобный материал был впервые разработан научным коллективом под руководством доктора физико-математических наук Валерия Рязанова из Института физики твердого тела РАН, о чем в 2001 году сообщил журнал «Nature». Но понимание, как его использовать, пришло не сразу, тем более, что эти работы не имели достаточного финансирования. Так что сначала новую технологию начали осваивать в США и Японии. Работать с такими наноматериалами можно только с помощью специальной дорогостоящей техники, в том числе электронного микроскопа, дающего возможность исследовать материал на уровне атомов.

Пока технологические трудности не позволяют российским физикам создавать сложные «сэндвичи» из почти десятка сверхтонких слоев, как это удалось специалистам одной из американских компаний. Но они планируют благодаря тщательному теоретическому анализу правильно подобрать материалы более простой пятислойной структуры и получить элементы, превосходящие по быстродействию мировые аналоги.

Однако энергопотребление зависит не только от материалов, используемых для создания микросхем, а от целого ряда факторов, включая принципы реализации логических операций. В этой области ученые 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.

Эти устройства найдут и другие применения. Так высокая чувствительность джозефсоновского контакта позволит создавать высокочувствительные сенсоры слабых магнитных полей, которые можно использовать в томографах нового поколения, микроскопах, магнетометрах и других точных инструментах, что пригодится для исследований в самых разных научных областях, в первую очередь в нанотехнологии, медицине, биологии, геофизике и радиоастрономии.

Планируется использовать разрабатываемые устройства в современных информационно-телекоммуникационных систем, в том числе сотовой связи, использующих технологию «Программно-определяемой радиосистемы» (по англ. Software-defined radio, SDR). Она позволяет с помощью программного обеспечения устанавливать или изменять в ходе работы радиочастотные параметры (динамическое управление спектром сигнала). Это даст возможность более эффективно использовать частотные диапазоны передачи и шифрования информации. Создание таких устройств возможно на основе разработанных и запатентованных авторами базовых элементов сверхпроводниковых широкополосных активных электрически-малых антенн и описанной выше элементной базы вычислительных систем.

Возможно, на основе разработанных устройств удастся создать квантовые компьютеры. Сверхпроводящие микроволновые резонаторы из сверхпроводников и джозефсоновских переходов – это своего рода искусственные «атомы», которые можно использовать в качестве кубита (элемента для хранения информации). Предполагается, что квантовые компьютеры смогут легко решить комбинаторные задачи, которые сложны для традиционных компьютеров - такие как моделирование эволюции квантовой системы – основы современных нанотехнологий, ряда задач криптографии, фильтрация по огромным базам данным, что сегодня требует от компьютера проверки и сравнения отдельно каждой записи. В то время как квантовые компьютеры могут проанализировать все записи одновременно, найдя оптимальное решение за один шаг.

Фото НИИЯФ

 По материалам НИИЯФ