В ближайшие лет десять на свет может появиться суперкомпьютер нового типа — сверхпроводниковый. Внешне он вряд ли будет отличаться от действующих сегодня моделей, однако при выросшей в тысячи раз производительности потребление энергии останется в разумных, по нынешним меркам, пределах, не увеличатся и размеры охлаждающей установки.
Без безумного роста энергопотребления для существующих на сегодняшний день суперкомпьютеров такой рост производительности просто невозможен. По сути дела, эффективность ЭВМ на отработанных полупроводниковых технологиях достигла потолка из-за энергетики: чтобы запустить машину, превосходящую современные аналоги, потребуется подвести к ней гигаватты электрической мощности. Это сравнимо с показателями работы блока современной АЭС, а потому запредельно дорого. Выход один: в современной электронике необходимо найти новые подходы.
Одно из перспективных альтернативных решений — использование сверхпроводниковых устройств. Малые токи, протекающие через сверхпроводящие пленки, практически их не нагревают, что выгодно отличает этот класс материалов от полупроводниковых конкурентов. Но чтобы из экспериментальных прототипов сверхпроводящие компьютеры превратились в серийные машины, их нужно избавить от очень существенного недостатка — малых объемов памяти. Это слабое место всех действующих сегодня сверхпроводниковых цифровых устройств.
Разрабатывает суперкомпьютер нового поколения группа ученых Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В.Скобельцына МГУ им. М.В.Ломоносова. Рассказывает старший научный сотрудник кандидат физико-математических наук Игорь Соловьев:
— Начну с памяти. У современных сверхпроводниковых “вычислителей” она составляет всего несколько килобайт. По современным меркам, это ничтожно мало. Ведь даже обычная флэшка вмещает сотни гигабайт. И сейчас научный мир ищет возможность “построить” для сверхпроводниковых компьютеров принципиально новые ячейки памяти. В частности, с использованием магнитных материалов, позволяющих хранить информацию долгое время и вообще не требующих для этого вложения энергии.
Наша группа предлагает применить так называемое гибридное решение. Мы стремимся использовать преимущества магнитных материалов (обладающих способностью “запоминать” свое состояние) и достоинства сверхпроводимости (высокие, более 100 ГГц, характерные частоты и малое, менее 1 мкВт, энергопотребление логических цепей). Это позволит увеличить емкость памяти, сделав ее очень компактной. Ее объемы сравнятся с показателями лучших современных компьютеров или даже превзойдут их. На такую память можно будет положиться. При этом быстродействие компьютеров нового поколения в ближайшей перспективе увеличится на три порядка, а в более отдаленной — даже на шесть.
— Но найдется ли для них работа, соответствующая таким необыкновенным возможностям?
— Фактически они будут решать те же особо сложные задачи, требующие обработки колоссального объема данных, что и ныне действующие суперкомпьютеры, но на более высоком уровне. Такие задачи есть всегда. Например, анализ изменений поведения атмосферы для составления долгосрочных прогнозов погоды или геномные исследования в биологии. В медицине — моделирование динамики распространения различных вирусов и их мутаций, произошедших на протяжении веков. Сверхпроводниковый компьютер обобщит информацию об эволюции тяжелых заболеваний, скажем, туберкулеза или рака, за все время, что медики с ними борются. И как знать, возможно, обработанные машиной данные подскажут новые способы лечения.
— Как вы добиваетесь необыкновенных качеств нового компьютера?
— Прорыву в этой области мы обязаны возможностью работать с конкурирующими явлениями — магнетизмом и сверхпроводимостью. Раньше это сделать было невозможно, поскольку магнитные материалы буквально убивали сверхпроводимость. Но в последние годы удалось создать сверхтонкие пленки толщиной всего в несколько нанометров, не уничтожающие эффекты сверхпроводников, а лишь специфическим образом на них влияющие. И тонкие сверхпроводящие пленки, и тонкие пленки магнитных материалов сами по себе перспективны, если же их соединить в одной наноструктуре, достигается необыкновенный эффект. В частности, емкость сверхпроводниковой памяти увеличится в миллионы раз. Таковы возможности самой передовой на сегодняшний день технологии.
— Как давно она известна?
— В 2001 году в Институте физики твердого тела в Черноголовке впервые в мире был получен сверхпроводящий магнетический материал, о чем сообщил журнал “Nature”. Но понимание того, как использовать это достижение, пришло не сразу, к тому же в нашей стране эти годы были тяжелыми для науки. Достаточно быстро новую технологию начали осваивать в США и Японии, в первую очередь благодаря государственным программам финансирования. У нас же исследования велись фактически по личной инициативе разработчиков, а потому масштабные эксперименты нам были недоступны. Помимо Черноголовки и нашего института этой тематикой активно занимаются в Казанском (Приволжском) федеральном университете, получившем отличное технологическое оборудование. Сегодня ситуация стала меняться к лучшему: нам начали выделять деньги на исследования и опыты. Но в отличие, скажем, от США у нас нет специальной государственной программы финансирования этих работ, рассчитанной на несколько лет.
Идейный вдохновитель нашей группы профессор Михаил Куприянов занимается сверхпроводимостью уже много лет. Его докторская диссертация была посвящена изучению гибридных структур (сверхпроводниковых и магнитных материалов). Вместе с доцентом физического факультета МГУ Николаем Кленовым уже лет семь мы ведем глубокие фундаментальные исследования. Только основательный теоретический фундамент позволит нам реально продвинуться вперед. В частности, научиться получать базовую составляющую перспективных элементов памяти — композитную тонкопленочную наноструктуру, состоящую из нескольких слоев различных металлов и диэлектриков. Толщина ее — всего несколько нанометров. Понятно, что работать с ней можно только с помощью специальной техники, в том числе с помощью электронного микроскопа, который дает возможность исследовать материал на уровне атомов.
— Отличается ли разрабатываемый вашей группой элемент памяти от американского или японского?
— Отличия есть. Технологические трудности не позволяют нам создавать очень сложные “сэндвичи”, состоящие из почти десятка сверхтонких слоев, как это делают американцы (компания Northrop Grumman, например). Зато благодаря тщательному теоретическому анализу, правильно подобрав материалы более простой (пятислойной) структуры, мы сможем получить элементы, превосходящие по быстродействию все мировые аналоги. В перспективе хотелось бы объединить быстродействие нашего элемента памяти и устойчивость к ошибкам, типичную для разработки американцев. Тогда у нас, наконец, появится возможность создать сверхпроводящую энергоэффективную плотную магнитную память с произвольным доступом (SPEED-MRAM Cache). Над этим мы сейчас и работаем.
— Можно ли применить ваш суперматериал в других областях?
— Да, традиционно на основе сверхпроводниковых технологий получают высокочувствительные сенсоры. Их используют при создании томографов нового поколения, микроскопов, магнетометров — других точных инструментов, необходимых для изучения тончайших материй. Эта техника подтолкнет исследования в самых разных научных областях, в первую очередь в нанотехнологиях, а также в медицине, биологии и др. Мы рассчитываем, что данное крайне перспективное направление не будет обойдено вниманием властей, тем более что сейчас взят курс на замещение импортной техники. А потому надеемся, что наши разработки войдут в государственные программы и получат финансирование.
Юрий ДРИЗЕ
Фото предоставлено И.Соловьевым
Нет комментариев