Российская микросхема может уменьшить энергопотребление суперкомпьютеров в миллион раз

Учёные НИИЯФ и физического факультета московского университета создали для логических элементов суперкомпьютера новую сверхпроводниковую микросхему биСКВИД, которая разрешит уменьшить энергопотребление суперкомпьютеров.

Новая сверхпроводниковая обратимая схема для логических элементов суперкомпьютера биСКВИД. J1, J2 – джозефсоновские контакты, J3– джозефсоновский контакт с ферромагнетиком. Вид постоянной составляющей профиля потенциала биСКВИДа с SIsFS контактом.

Его применение снабжает существование эквипотенциальных траекторий эволюции совокупности в ходе передачи информации (серые стрелки), минимизирующих выделение энергии. Схема джозефсоновского контакта с ферромагнетиком SIsFS: сверхпроводник (S)-изолятор (I)-сверхпроводник (s)-ферромагнетик (F)-сверхпроводник (S). (http://arxiv.org/pdf/1305.0836v1.pdf) За 11 мин. возможно пожарить яйцо на трудящемся процессоре Athlon XP1500+ простого ПК (www.phys.ncku.edu.tw/~htsu/humor/fry_egg.html).‹ ›

Высокое энергопотребление современных суперкомпьютеров – непростая неприятность, стоящая на пути их предстоящего развития. Так как это не только затраты энергии, каковые необходимо компенсировать, это еще и выделение огромного количества тепла, что требует сильного охлаждения компьютеров до рабочих температур.

О количестве выделяемого тепла говорит забавный факт, что за 11 мин. возможно пожарить яйцо на трудящемся процессоре Athlon XP1500+ простого ПК. Уже на данный момент в среднем любой из суперкомпьютеров топ-500 потребляет около 0,5 МВт, что сопоставимо с потреблением маленького района. В случае если предстоящее повышение производительности отправится такими же темпами, как сейчас, то для работы одного суперкомпьютера нового поколения потребуется порядка 500 МВт.

Это мощность целого энергоблока ВВЭР-440 на Нововоронежской либо Кольской АЭС.  

Частично проблему может решить переход на сверхпроводящие элементы, потребляющие энергии на 3-4 порядка меньше, что и пробуют сделать уже полвека. Но классические разработки, основанные на применении джозефсоновского результата (протекание сверхпроводящего тока через узкий слой несверхпроводящего материала, соединяющий два сверхпроводника), не разрешают создать миниатюрные и стремительные устройства.  

Сравнительно не так давно эксперты НИИЯФ МГУ и Университета физики жёсткого тела РАН создали новый базисный элемент ячейки памяти суперкомпьютера – так называемый джозефсоновский контакт с ферромагнитным материалом (SIsFS контакт), в котором между сверхпроводящими электродами S размещены узкие слои изолирующего I, сверхпроводящего s и ферромагнитного F материалов. Наряду с этим им удалось решить ответственную проблему ферромагнетизма и несовместимости сверхпроводимости.

Дело в том, что ферромагнетики усиливают магнитное поле, а сверхпроводимость разрушается кроме того в довольно не сильный магнитном поле. Это изобретение разрешает рассчитывать на создание компактной и стремительной сверхпроводниковой памяти, отсутствие которой является серьёзным препятствием для использования на практике существующей цифровой сверхпроводниковой разработке.

Но энергопотребление зависит не только от материалов, применяемых для микросхем, а от многих факторов, включая правила реализации логических операций. Классический процесс вычислений необратим, потому, что по окончании срабатывания электронных схем мы по результату на  выходе уже не можем вернуть, что  было на входе.

Грубо говоря, транзистор имеет два входа и один выход и, имея данные о токе на выходе, нельзя сказать, какой был ток на каждом входе, что и свидетельствует утрату информации. Это соответствует повышению энтропии совокупности, утрата энергии и повышению температуры счётной автомобили, что было продемонстрировано в 1961-м году в работе Рольфа Ландауэра. Несложнее говоря, мы затрачиваем энергию на стирание каждого бита информации в компьютере.

Предел этих затрат W=k·T·ln 2 ≈ 10-21 Дж (k — постоянная Больцмана, Т — безотносительная температура) и отыскал Ландауэр на основании второго закона термодинамики.  

Естественным выходом из ситуацииможет стать применение обратимых логических операций, каковые проходят без утраты информации. Это по сути свидетельствует правильное отслеживание энергии, которая участвует в исполнении вычислительных операций, и создание устройств компьютера так, дабы большинство данной энергии имела возможность употребляться повторно для операций, вместо того дабы рассеиваться в виде тепла.

Сравнительно не так давно учёные США и Японии экспериментально продемонстрировали, что энергопотребление сверхпроводниковых обратимых схем возможно более чем на 6 порядков ниже энергопотребления существующих полупроводниковых аналогов а также ниже предела Ландауэра, тогда как энергопотребление схем существующей цифровой сверхпроводниковой электроники ниже лишь на 3 порядка.  

Дабы добиться радикального уменьшения энергопотребления, в этом случае учёные НИИЯФ, физического факультета московского университета и Университета физики микроструктур РАН 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.  

«Сам биСКВИД был предложен нами ранее совместно с доктором наук физического факультета Виктором Корневым и употреблялся в устройствах аналоговой сверхпроводниковой электроники. Новость в том, что в нём на данный момент употребляется джозефсоновский контакт с ферромагнетиком, и схема используется для обратимых вычислений», — пояснил научный сотрудник НИИЯФ МГУ Игорь Соловьев.
Быть может, что именно это изобретение разрешит уменьшить энергопотребление суперкомпьютеров на вышеупомянутые 6 порядков.

  По данным НИИЯФ

Иллюстрация 3  http://arxiv.org/pdf/1305.0836v1.pdf

Создатель: Алексей Понятов

Источник: www.nkj.ru

Случайные записи:

• Сердечные секреты раскроют издалека
• Нанотехнологии помогут справиться с малярией

Разведопрос: Сергей Марков об искусственном интеллекте

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Премьер таиланда: российские технологии может ожидать большое будущее

  Глава правительства Таиланда генерал Прают Чан-Оча в интервью РИА Новости поведал, какие конкретно российские разработки смогут быть увлекательны стране….

• Половинки молекул фуллерена могут стать элементами схем молекулярной электроники

  20010,0,3500, Что будет, если взять молекулу фуллерена C60 и разрезать ее пополам словно арбуз? То, что получится в результате такого действия, называется…

• Осколок стекла компании «hitachi» может сохранять информацию вечно

  Как утверждает Боб легендарная группа и Дилан «Роллинг Стоунз», хорошая музыка может продолжаться продолжительно. Сейчас же японский гигант больших…

• Российские ученые ускорили сверхпроводящую память всотни раз

  Схематическое изображение контакта. S — сверхпроводник, I — барьер, F — феромагнетик, N — обычный металл, заштрихованная область — потенциальный барьер,…