Суперкомпьютерная микросхема нового поколения
На сегодняшний день достаточно высокое потребление энергии современными суперкомпьютерами — это сложная проблема, которая стоит на пути дальнейшей их модернизации и развития. Ведь кроме затрат энергии, которые необходимо компенсировать, происходит выделение большого количества тепла, для чего нужно устанавливать сильное охлаждение для данных компьютеров дабы нормализовать температуру до рабочей.
О колоссальном количестве тепла, выделяемого компьютером свидетельствует тот факт, что всего 11 минут достаточно для того, чтобы пожарить обыкновенное куриное яйцо на процессоре Athlon XP1500+, работающем в обычном ПК. Уже сегодня каждый из суперкомпьютеров топ-500 в среднем потребляет приблизительно 0,5 МВт электроэнергии, что можно сопоставить с потреблением маленького микрорайона города. В случае, когда дальнейшее увеличение производительности таких компьютеров будет продвигаться такими же темпами, как это происходит сейчас, то для полноценной работы одного суперкомпьютера ближайшего будущего будет необходимо порядка 500 МВт электроэнергии. Такую мощность дает 1 энергоблок типа ВВЭР-440, устанавливаемый на некоторых АЭС.
Частично возникшую проблему поможет решить полный переход на сверхпроводящие элементы, которые потребляют энергию в 3-4 раза меньше. Этим ученые заняты уже более чем полвека. Но известные традиционные технологии, которые основаны на использовании так называемого джозефсоновского эффекта, что подразумевает протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой несверхпроводящего материала, который соединяет 2 сверхпроводника, абсолютно не позволяют сделать достаточно быстрые и маленькие устройства.
Ученые НИИЯФ и физического факультета МГУ изобрели и разработали для суперкомпьютера и его логических элементов качественно новую микросхему биСКВИД, что состоит из сверхпроводящего материала, который обладает нулевым электрическим сопротивлением. Вполне возможно, что данное изобретение позволит уменьшить потребление энергии суперкомпьютерами в 6 раз!
Суперкомпьютер «СКИФ-Аврора»
Немного раньше этими же учеными была создана микросхема, имеющая аналогичное название и применяющаяся в низкошумящих высоколинейных усилителях и высоколинейных сверхпроводниковых детекторах магнитного поля.
Как сказал старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ Игорь Соловьев, сама микросхема биСКВИД была разработана ранее вместе с профессором физического факультета Виктором Корневым. Также ученый заявляет, что микросхема уже применялся в некоторых устройствах сверхпроводниковой аналоговой электроники. Новизна сегодняшнего их изобретения в том, что теперь в микросхеме используют джозефсоновский контакт, имеющий ферромагнетик и сама схема используется для обратимых вычислений. Если быть точным, то в её состав входят 3 джозефсоновских контакта, один из которых представляет из себя ранее предложенный и уже известный контакт с ферромагнетиком.
Само название «биСКВИД» происходит от английской аббревиатуры «SQUID» (Superconducting Quantum Interference Device). Это переводиться как «сверхпроводящее интерференционное квантовое устройство», которое обладает уникальной в своем роде чувствительностью к любому магнитному полю. «Би» в названии микросхемы значит то, что в ней объединены функций сразу двух идентичных микросхем. Николай Кленов, доцент физического факультета МГУ утверждает, что любое энергопотребление зависит от определенных факторов, которые включают как принципы реализации всех логических операций, так и выбор материалов, которые используются для создания такого типа микросхем. На рисунке ниже изображена новая сверхпроводниковая обратимая схема биСКВИД, которая используется в конструкции логических элементов суперкомпьютера: J1 и J2 — обыкновенные джозефсоновские контакты; J3 — джозефсоновский контакт с ферромагнетиком.
Стоит отметить, что процессы, которые протекают во всех современных компьютерах (как в персональных, так и в суперкомпьютерах), отличаются своей необратимостью. Это значит, что некоторая часть полученной в процессе вычислений информации теряется. Так, по полученному в ходе вычислений результату невозможно восстановить данные, которые были на входе. Такая потеря информации, конечно же, однозначно сопровождается как потерей большого количества энергии, так и увеличением температуры самой вычислительной машины, что доказал еще в 1961-м году Р. Ландауэр. Говоря проще, энергия затрачивается на стирание каждого очередного бита любой информации, находящейся на компьютере. Ландауэр вычислен даже предел таких затрат на основе 2-го закона термодинамики:
W=k·T·ln 2 ≈ 10-21 Дж,
где Т — абсолютная температура, k — постоянная Больцмана.
Использование любых полупроводниковых материалов, которые имеют электрическое сопротивление, также ведет к тому, что все логические вычисления сопровождаются неминуемыми разогревом ЭВМ и потерей энергии. Вот почему естественный выход из данной ситуации — это использование обратимых логических операций, проходящих без каких-либо потерь информации.
Кстати, совсем недавно ученые из Японии и США экспериментально доказали, что потребление энергии сверхпроводниковыми обратимыми схемами может быть больше, чем в 6 раз ниже потребления энергии существующих сегодня полупроводниковых аналогов. Также энергопотребление всех схем цифровой сверхпроводниковой электроники, которая есть сегодня, в 3 раза ниже. К сожалению, исследуемые данными учеными сверхпроводниковые схемы имели достаточно большие, по меркам современных нанотехнологий, размеры, вот почему создать на их основе суперкомпьютер не представляется возможным.
На рисунке ниже показана схема джозефсоновского контакта, имеющего ферромагнетик, под названием SISFS: сверхпроводник (S), изолятор (I), сверхпроводник (S), ферромагнетик (F), сверхпроводник (S).
Российскими учеными, для того чтобы добиться радикального уменьшения энергопотребления, была предложена совершенно новая сверхпроводниковая обратимая схема, аналогов которой не существует. Данное изобретение позволяет в самом близком будущем создавать компактную и энергетически эффективную сверхпроводниковую память, отсутствие которой на сегодняшний день является существенным препятствием для полного применения на практике существующих цифровых сверхпроводниковых технологий. Логические операции, которые используются в данной технологии, обратимы, и, следовательно, энергетическая эффективность такой схемы высока. Вот как выглядит постоянная составляющей профиля потенциала этой обратимой схемы биСКВИДа: использование ферромагнетика делает возможным существование эквипотенциальных траекторий всей эволюции системы минимизирующих выделение энергии тогда, когда происходит любая передачи информации (на рисунке это серые стрелки).
Старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ Игорь Соловьев утверждает, что использование ферромагнетиков в современных сверхпроводниковых обратимых схемах существенно упрощает их конструкцию, обеспечивает адиабатическое течение процесса всей обработки информации и значительно уменьшает размер схеме.
Сегодня ученым остается всего лишь экспериментально проверить свое уникальное изобретение. Если государством будет выделено необходимое финансирование, то лабораторные испытания вполне могут пройти в 2014-м году.
