Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Премия за сверхпроводящую электронику

26.02.2010 Наука и жизнь

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

Лауреатами премии стали сотрудники кафедры ядерной физики, микроэлектроники и физики плазмы физического факультета московского университета доцент Николай Кленов и аспирант Сергей Бакурский, и научный сотрудник НИИЯФ МГУ Игорь Соловьев за проект «Разработка энергоэффективной сверхпроводниковой и полупроводниковой элементной базы для совокупностей детектирования сигнала, обработки и приёма информации».

Кленов Н. В. – доцент кафедры ядерной физики,и микроэлектроники и физики плазмы физического факультета московского университета. Соловьев И. И. – научный сотрудник НИИЯФ МГУ. Бакурский С. В. – аспирант кафедры ядерной физики, микроэлектроники и физики плазмы физического факультета московского университета. Установка для изготовления наноструктур «Нанофаб-100» в НИИ физических неприятностей им.

Ф.Премия за сверхпроводящую электронику В. Лукина (фото И.Соловьева). Экспериментальный чип.‹ ›

Ответ сложных научных и практических задач требует от компьютеров все объёмов памяти и большего быстродействия. Наряду с этим с одной стороны возрастает количество устройств, образующих вычислительную совокупность, с другой – происходит их сверхминиатюризация, сопровождающаяся высокой плотностью размещения. Еще одним методом расширить быстродействие есть увеличение рабочей частоты.

Но классические полупроводниковые разработки сейчас достигли собственного предела.

Основной проблемой на пути предстоящего развития суперкомпьютеров стало большое их энергопотребление. Это не просто затраты энергии на работу устройств, это еще и выделение огромного количества тепла при протекании токов. Наряду с этим дело не только в утрата уходящей в тепло большой части энергии. Нагрев полупроводниковых устройств ведет к их выходу из строя.

Потому замечательные компьютеры нуждаются в сильном охлаждении до рабочих температур.

Так что уже на данный момент в среднем любой из суперкомпьютеров топ-500 потребляет более 0,5 МВт, что сопоставимо с потреблением маленького района. Занимающий на конец 2014 года первое место китайский суперкомпьютер «Tianhe-2» («Тяньхэ-2») потребляет 17,8 МВт (вместе с совокупностью охлаждения 24 МВт), а идущий на втором месте американский «Titan» – 8,2 МВт.

В случае если предстоящее повышение производительности будет идти по той же технологии, то для работы суперкомпьютера нового поколения потребуется порядка 500 МВт, а, быть может, и пара гигаватт, что сравнимо с мощностью энергоблока АЭС. Это через чур дорого.

Вторая неприятность таких полупроводниковых устройств – неспособность трудиться на высоких частотах. 

Вопрос энергопотребления возможно решить, перейдя на сверхпроводящие устройства, каковые имеют фактически нулевое сопротивление и практически не нагреваются. самые перспективными выглядят разработке, основанные на применении джозефсоновского результата, заключающегося в протекании тока сверхпроводимости через узкий слой несверхпроводящего материала, расположенного между двумя сверхпроводниками. Данный материал возможно как проводником, так и диэлектриком.

Ток через него связан с туннельным эффектом. В один момент решается и вторая неприятность: замена транзисторов на туннельные переходы обязана заметно повысить рабочую частоту устройств.

Но на этом дороги имеются собственные подводные камни. Сверхпроводимость для большинства веществ наступает при низких температурах (в лучшем случае около –200 градусов по Цельсию), каковые тяжело создавать на практике. А из существующих высокотемпературных сверхпроводников, для которых достаточно около –100 градусов по Цельсию, до последнего времени не получалось создать сложных конструкций.

Так что у существующих сверхпроводниковых компьютеров память образовывает только пара килобайт. Тогда как уже упомянутый суперкомпьютер «Tianhe-2» лишь оперативной памяти имеет 1,4 ПБ (Петабайт = 1015 Байт). быстрота и Миниатюрность устройств, применяющих эффект Джозефсона, кроме этого были не на высоте.

 

Вторая особенность, которую нужно учитывать, содержится в «нелюбви» сверхпроводимости к магнитному полю. Как мы знаем, магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Но для памяти целесообразно применять как раз магнитные материалы, разрешающие хранить данные продолжительное время без затрат энергии

Группа исследователей, в которую входят лауреаты премии, внесла предложение путь ответа этих неприятностей на базе созданного джозефсоновского контакта с ферромагнитным материалом (SIsFS контакт), в котором между сверхпроводящими электродами S размещены узкие слои изолирующего I, сверхпроводящего s и ферромагнитного F материалов. Такое гибридное ответ применяет преимущества магнитных материалов для достоинства сверхпроводимости и запоминания состояния (высокие частоты более 100 ГГц, и малое, менее 1 мкВт, энергопотребление логических цепей).

Это разрешит создать компактную память, количества которой будут не хуже, чем у лучших современных компьютеров. Ожидается повышение быстродействия компьютеров нового поколения на 3-6 порядков. Создание материала в виде композитной узкой пленки из нескольких слоев разных диэлектриков и металлов толщиной в пара нанометров сможет обеспечить миниатюрность устройств и высокую плотность их размещения.

   

Подобный материал был в первый раз создан научным коллективом под управлением врача физико-математических наук Валерия Рязанова из Университета физики жёсткого тела РАН, о чем в 2001 году сказал издание «Nature». Но познание, как его применять, пришло не сходу, тем более, что эти работы не имели достаточного финансирования. Так что сперва новую разработку начали осваивать в Соединенных Штатах и Японии.

Трудиться с этими наноматериалами возможно лишь посредством особой дорогостоящей техники, а также электронного микроскопа, дающего возможность изучить материал на уровне атомов.

До тех пор пока технологические трудности не разрешают русским физикам создавать сложные «сэндвичи» из практически десятка сверхтонких слоев, как это удалось экспертам одной из американских компаний. Но они планируют благодаря тщательному теоретическому анализу верно подобрать материалы более простой пятислойной структуры и взять элементы, превосходящие по быстродействию мировые аналоги.

Но энергопотребление зависит не только от материалов, применяемых для микросхем, а от многих факторов, включая правила реализации логических операций. В данной 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» случилось от сокращения «СКВИД» – сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (по-английски SQUID — Superconducting Quantum Interference Device), владеющее неповторимой чувствительностью к магнитному полю. Приставка «би» отражает объединение функций двух СКВИДов в одной схеме.

Эти устройства отыщут и другие применения. Так высокая чувствительность джозефсоновского контакта разрешит создавать высокочувствительные сенсоры не сильный магнитных полей, каковые возможно применять в томографах нового поколения, микроскопах, магнетометрах и других правильных инструментах, что понадобится для изучений в самых различных научных областях, прежде всего в нанотехнологии, медицине, биологии, радиоастрономии и геофизике.

Планируется применять разрабатываемые устройства в современных информационно-телекоммуникационных совокупностей, а также сотовой связи, применяющих разработку «Программно-определяемой радиосистемы» (по англ. Software-defined radio, SDR). Она разрешает посредством ПО устанавливать либо изменять на протяжении работы радиочастотные параметры (динамическое управление спектром сигнала).

Это предоставит шанс более действенно применять частотные диапазоны шифрования и передачи информации. Создание таких устройств вероятно на базе созданных и запатентованных авторами базисных элементов сверхпроводниковых широкополосных активных электрически-малых антенн и обрисованной выше элементной базы вычислительных совокупностей.

Быть может, на базе созданных устройств удастся создать квантовые компьютеры. Сверхпроводящие микроволновые резонаторы из сверхпроводников и джозефсоновских переходов – это собственного рода неестественные «атомы», каковые возможно применять в качестве кубита (элемента для хранения информации).

Предполагается, что квантовые компьютеры смогут легко решить комбинаторные задачи, каковые сложны для классических компьютеров — такие как моделирование эволюции квантовой совокупности – базы современных нанотехнологий, последовательности задач криптографии, фильтрация по огромным базам данным, что сейчас требует от сравнения и компьютера проверки раздельно каждой записи. Тогда как квантовые компьютеры смогут проанализировать все записи в один момент, отыскав оптимальное ответ за один ход.

Фото НИИЯФ

 По данным НИИЯФ 

Создатель: Алексей Понятов

Источник: nkj.ru

Случайные записи:

ЦЕЛЫХ ТРИ МЕШКА компьютерного железа!😎Поход на свалку электроники в Германии.


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , , ,