Поиск - новости науки и техники

Надежда на кванты. Ученые ищут способы ускорения суперкомпьютеров.

Субатомные явления происходят где-то очень глубоко в недрах микрокосмоса. В деталях изучить этот мир и научиться применять его особенности на практике – задачи непростые. Их решению посвятил свою научную жизнь доцент физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова кандидат физико-математических наук Николай КЛЕНОВ. Выигранный им грант Президента РФ для молодых ученых помогает решить финансовые проблемы на тернистом научном пути.

– Николай Викторович, чем перспективны ваши исследования и в каких областях они могут быть востребованы? 
– Само существование современной цивилизации зависит от нашей способности передавать и обрабатывать все возрастающие объемы информации. Долгие годы с экспоненциальным ростом требований к производительности вычислительных комплексов нам помогал справиться закон Мураз”: количество транзисторов, размещаемых на стандартном кристалле интегральной схемы, удваивалось каждые 24 месяца в течение многих лет. Но, увы, вскоре неизбежна стагнация прогресса производительности полупроводниковых вычислительных схем. Это наглядно иллюстрируют следующие печальные факты. 
Во-первых, закон Мура перестанет действовать в 2020 году при достижении ключевыми элементами вычислительных схем размера 7 нанометров, что сравнимо с размерами крупных молекул. Поведение и само существование этих молекул определяются законами квантовой, а не привычной нам классической физики. Во-вторых, технология с характерным размером элементов в 11 нанометров на практике ничем не превосходит технологию “14 нм”. 
Скорость обработки информации в современных чипах ограничивает не столько частота переключения логических элементов (транзисторов), сколько скорость передачи сигнала в соединениях. Последняя снижается при значительном уменьшении размеров схемы, так как в этом случае в игру вступает явление рассеяния электронов на многочисленных близко расположенных границах.
Кроме того, при каждом переходе транзистора из одного состояния в другое выделяется некоторая энергия. Это создает фундаментальный предел для повышения быстродействия за счет увеличения плотности микросхемы, из-за перегрева, из чего, в частности, следует, что в будущем нам уже не поможет простое увеличение ядер в процессоре.
Добавлю, что скорость передачи информации в пространстве существенно ограничена сегодня невысокой частотой используемого излучения, а также недостатком доступных частотных диапазонов.
Наконец, не стоит забывать о том, что вся рассеиваемая на вычислительных мощностях энергия достается нам не даром: самый мощный суперкомпьютер 2016 года Sunway Taihulight, работающий с производительностью 93 петафлопс (1 петафлопc соответствует 10 в 15-й степени операций в секунду), потребляет примерно 15 мегаватт. Для вычислительных машин следующего, экзафлопсного, поколения (с производительностью 10 в 18-й степени операций в секунду) прогнозируют увеличение уровня энергопотребления до сотен мегаватт, что уже сравнимо с мощностью небольшой электростанции. 
В этом свете чрезвычайно привлекательной выглядит идея использовать макроскопические квантовые эффекты, которые мы исследуем, для создания новой элементной базы приемных и вычислительных систем будущего. 
– Что собой представляют эти эффекты?
– Один из самых важных – сверхпроводимость, это переход некоторых проводящих ток материалов в состояние со строго нулевым электрическим сопротивлением при температурах ниже определенного критического значения. Отсутствие электрического сопротивления на постоянном токе в сверхпроводниках позволяет существенно уменьшить общее энерговыделение при обработке информации. Кроме того, сверхпроводники дают уникальную возможность передавать сигналы без потерь и искажений с субсветовыми скоростями. 
Но и это еще не все. Типичное для сверхпроводников явление макроскопической квантовой интерференции приводит к тому, что в любом замкнутом сверхпроводящем контуре может находиться только целое число квантов магнитного потока. Создавая в сверхпроводящем контуре слабые места (так называемые джозефсоновские контакты), мы можем впускать в него кванты и выпускать их из него. Это фундаментальное явление на практике позволяет превращать даже крайне малое изменение величины приложенного к такому контуру (сверхпроводящему квантовому интерферометру) магнитного поля в импульсы напряжения. Эти импульсы помогают квантам пройти через слабое место, то есть осуществить аналогово-цифровое преобразование сигнала с беспрецедентной точностью. 
Движемся дальше. Принимая квант в сверхпроводящем контуре за логическую “единицу” (а отсутствие – за логический “ноль”), мы можем построить сверхбыстрые вычислительные устройства, радикально опережающие своих полупроводниковых конкурентов и по быстродействию, и по энергоэффективности.
Такая быстрота процессов в сверхпроводниковых джозефсоновских цепях (характерное время в таких случаях измеряется пикосекундами, а характерные частоты – десятками и даже сотнями гигагерц) позволяет использовать их для работы сразу в большом количестве частотных диапазонов. И это поможет смягчить проблему со скоростью передачи информации в пространстве. 
Наконец, создавая в сверхпроводящих контурах при определенных условиях квантовые суперпозиции состояний с разными направлениями круговых токов, мы можем реализовать на их основе квантовую логику, которая обещает решить ряд важных вычислительных задач.
– Расскажите подробнее о вашем проекте.
– Мы разрабатываем технологии нового поколения по приему и обработке информации на основе макроскопических (то есть в привычных нам пространственно-временных масштабах) квантовых явлений в сверхпроводниках.
Преимущество наших технологий – это высокая энергоэффективность (и, как следствие, экономичность), а также высокая скорость обработки данных. Сейчас работа сфокусирована на создании элементной базы для новых устройств: суперЭВМ и широкополосных цифровых приемных устройств для сотовой связи. Также мы занимаемся соответствующими этой новой базе принципами приема и обработки данных.
В перспективе полученные результаты можно будет использовать для работы супер­ЭВМ с высоким быстродействием и уникально низким потреблением энергии на одну операцию, а также для когнитивных радиосистем нового поколения, способных извлекать и анализировать информацию из окружающего “радиопространства” и оптимально подстраивать свои внутренние параметры, адаптируясь к изменениям этой “радиосреды”.
Одна из потенциально перспективных технологий будущего в этом направлении – квантовые вычисления для решения специального класса задач. Пример – активно проникающий в технику алгоритм Шора. Это разложение натурального числа на простые множители, основа процедуры подбора электронного ключа к закодированной информации. 
Также “горящая тема” – моделирование эволюции квантовых систем, основа современных нанотехнологий. Технологии детектирования слабых сигналов, перестраиваемые фазовые батареи (которые мы разрабатываем) – все это можно использовать в схемах квантового компьютера на базе твердотельных сверхпроводящих кубитов. 
Вполне вероятно, что исследуемые нами принципы реализации обратимых вычислений станут основой для оте­чественных сверхпроводниковых квантовых вычислительных систем. А разработанная нами элементная база цифровой сверхпроводниковой электроники и технологии передачи информации будет интерфейсом между квантовыми схемами и устройствами ввода-вывода информации.
– Насколько сопоставимы по значимости результаты ваших исследований с результатами других ученых в России и мире?
– В нашей группе под общим руководством профессора Михаила Юрьевича Куприянова и старшего научного сотрудника Игоря Игоревича Соловьева, в партнерстве с лабораторией профессора Валерия Владимировича Рязанова в Институте физики твердого тела РАН в Черноголовке последовательно развивается комплексный подход к разработке универсальной сверхпроводниковой энергоэффективной технологии. Такая технология нужна при создании сверхпроводниковых систем – для приема и последующей обработки сигналов с использованием классических, нейросетевых и квантовых алгоритмов. 
Этот подход позволил сначала выявить “слабые места” уже существующих методов, а затем предложить эффективные физические и технические решения для их последовательного устранения при сохранении имеющихся достижений. Например, мы впервые отработали и с теоретической, и с экспериментальной стороны самосогласованные методы исследования токового транспорта и плотности зарядовых состояний в отдельных джозефсоновских элементах. 
Специфика макроскопической квантовой интерференции в многоконтактных (многотерминальных) и многоконтурных сверхпроводящих квантовых интерферометрах с магнитными джозефсоновскими контактами впервые использована для разработки логических ячеек. Подобные ячейки применяются в сверхбыстрых и энергоэффективных адиабатических квантовых вычислениях. 
Также особенности сосуществования таких “антагонистичных” явлений, как сверхпроводимость и ферромагнетизм (“навязывающих” разные типы спиновых корреляций для коллективов носителей заряда), используются для создания компактных и сверхбыстрых элементов магнитной джозефсоновской памяти. 
Мы впервые радикально оптимизировали характеристики (размер, быстродействие, энергоэффективность, помехозащищенность) для разных элементов и систем. Здесь и компактный джозефсоновский элемент, и фазовая батарея, и элементы и ячейки постоянных сверхпроводниковых запоминающих устройств различных конструкций.
Также стоит упомянуть базовые ячейки нейросетевых и квантовых блоков обработки сигнала на основе джозефсоновских элементов, цепи задания сигнала в квантовые блоки его обработки, интерфейсные цепи, обеспечивающие связь между блоками обработки сигнала (в том числе и квантовыми). 
Все эти решения мы опубликовали в высокорейтинговых международных журналах.
Василий ЯНЧИЛИН
Фото с сайта sinp.msu.ru 
На изображении: Быстродействие (количество операций в секунду; горизонтальная ось) и энергоэффективность (потребляемая мощность; вертикальная ось) для полупроводниковых и сверхпроводниковых процессоров

Нет комментариев