초전도 컴퓨팅

Superconducting computing

초전도 논리란 무저항 전선, 초고속 조셉슨 접속 스위치, 자속(플룩시이드)의 정량화 등 초전도체의 고유 특성을 이용하는 논리 회로나 논리 관문을 말한다. 초전도 컴퓨팅은 극저온 컴퓨팅의 한 형태인데, 초전도 전자 회로는 작동을 위해 극저온에서 극저온까지 냉각이 필요하기 때문에, 일반적으로 10켈빈 미만이다. 종종 초전도 컴퓨팅은 초전도 양자 컴퓨팅이라고 알려진 중요한 응용 프로그램과 함께 양자 컴퓨팅에 적용된다.

초전도 디지털 로직 회로는 자속 퀀텀이라고도 알려진 단일 플럭스 퀀텀(SFQ)을 사용하여 데이터를 인코딩, 처리 및 전송한다. SFQ 회로는 액티브 조셉슨 접합부와 인덕터, 저항기, 변압기, 전송선 등의 패시브 소자로 구성된다. CMOS와 같은 반도체 로직 회로에서는 전압과 콘덴서가 중요한 반면 SFQ 로직 회로에서는 전류와 인덕터가 가장 중요하다. 전력은 SFQ 로직 패밀리에 따라 직류 또는 교류로 공급할 수 있다.

기본 개념

초전도 컴퓨팅의 일차적인 이점은 기존의 CMOS 기술에 비해 전력 효율이 향상된다는 것이다. 재래식 프로세서에 의해 소비되고 열 방출되는 전력의 대부분은 실제 논리 연산보다는 로직 요소들 사이에서 정보를 이동시키는 데서 나온다. 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 프로세서 내에서 비트를 이동시키는 데 필요한 에너지가 거의 없다. 이로 인해 엑사스케일 컴퓨터의 전력 소비량이 500배 절감될 것으로 예상된다.[1] 비교를 위해, 2014년에는 CMOS 로직으로 제작된 1대의 exaFLOPS 컴퓨터가 약 500메가와트의 전력을 소비하는 것으로 추정되었다.[2] 초전도 로직은 전환 시간을 피코초 단위로 측정하고 작동 주파수가 770GHz에 근접하는 초고속 CPU에 매력적인 옵션이 될 수 있다.[3][4] 그러나 프로세서와 외부 세계 간의 정보 전송은 여전히 에너지를 낭비하므로 초전도 컴퓨팅은 많은 양의 정보가 외부로부터 스트리밍되는 빅데이터 애플리케이션보다는 데이터가 극저온 환경에 주로 머무르는 계산 집약적인 작업에 적합하다고 판단되었다.프로세서의 [1]e

초전도 로직은 표준 디지털 머신 아키텍처와 알고리즘을 지원하므로, CMOS 컴퓨팅에 대한 기존의 지식 기반은 초전도 컴퓨터 구축에 여전히 유용할 것이다. 단, 열 방출 감소에 따라 부품의 3차원 적층 등과 같은 혁신을 가능하게 할 수 있다. 다만 인덕터가 필요한 만큼 크기를 줄이기는 더 어렵다. 2014년 현재 4K에서 작동하는 초전도 물질로 니오비움을 사용하는 기기는 최첨단 기기로 평가됐다. 현장에서 중요한 과제는 신뢰성이 높은 극저온 기억력뿐 아니라 개별 부품에 대한 연구에서 대규모 통합으로 옮겨가는 것이었다.[1]

조셉슨 접속수는 반도체 집적회로에 사용되는 트랜지스터 카운트와 유사한 초전도 회로 또는 소자 복잡도의 측도다.

역사

초전도 컴퓨팅 연구는 1950년대 중반부터 미국 국가안보국에 의해 추진되어 왔다. 그러나, 발전은 표준 CMOS 기술의 증가하는 성능을 따라가지 못했다. 2016년 현재 상업용 초전도 컴퓨터는 없지만 연구개발은 계속되고 있다.[5]

1950년대 중반에서 1960년대 초까지의 연구는 더들리 앨런 벅이 발명한 극저온에 초점을 맞췄지만, 액체-헬륨 온도와 초전도성과 저항성 상태 사이의 느린 전환 시간이 이 연구를 포기하게 만들었다. 1962년 브라이언 조셉슨은 조셉슨 효과의 이면에 있는 이론을 확립했고, 몇 년 안에 IBM은 최초의 조셉슨 접합부를 조작했다. IBM은 1960년대 중반부터 1983년까지 이 기술에 많은 투자를 했다. 1970년대 중반까지 IBM은 이러한 결합을 이용하여 초전도 양자 간섭 장치를 구축했으며, 주로 납 기반 결합과 함께 작업하고 나중에 납/니오비움 결합으로 전환했다. 1980년 IBM은 사이언티픽 아메리칸 5월호 표지를 통해 조셉슨 컴퓨터 혁명을 발표했다. 이러한 대규모 투자를 정당화한 이유 중 하나는 1965년에 발표된 무어의 법이 속도를 늦추고 '곧' 고원에 이를 것으로 예상되었기 때문이다. 그러나 한편으로 무어의 법칙은 그 타당성을 유지한 반면 초전도 장치 개선 비용은 기본적으로 전적으로 IBM만이 부담하고 후자는 아무리 크더라도 거의 무제한에 가까운 자원을 제공하는 반도체의 전 세계와 경쟁할 수 없었다.[6] 따라서 이 기술은 표준 반도체 기술과의 경쟁력으로 간주되지 않았기 때문에 1983년에 프로그램이 중단되었다. 일본 국제무역산업성은 1981년부터 1989년까지 RAM 1000비트를 탑재한 4비트 기계인 ETL-JC1을 생산하는 초전도 연구 노력에 자금을 지원했다.[5]

1983년 벨 연구소는 보다 신뢰성이 높고 조작하기 쉬운 니오비움/알루미늄 조셉슨 접합부를 만들었다. 1985년 속도와 에너지 효율을 향상시킨 Rapid 1 플럭스 양자 논리 체계는 모스크바 주립대학교 연구진에 의해 개발되었다. 이러한 발전은 1997년에 시작된 미국의 하이브리드 기술 멀티스레드 프로젝트로 이어졌는데, 이 프로젝트는 기존의 반도체를 제치고 페타플롭 컴퓨팅 규모에 도달하려 했다. 그러나 이 프로젝트는 2000년에 중단되었고, 최초의 전통적인 페타플롭 컴퓨터가 2008년에 건설되었다. 2000년 이후 초전도 양자컴퓨팅에 관심이 쏠렸다. 2011년 노스롭 그루먼의 쿠엔틴 허(Quentin Herr)의 상호 양자 논리 도입은 물론 하이프레스의 에너지 효율이 높은 단량 양자 도입이 주요 진전으로 평가됐다.[5]

국가전략컴퓨팅 이니셔티브(National Strategic Computing Initiative)에서 성문화된 대로 2010년대 중반부터 시작된 엑사스케일 컴퓨팅의 추진은 CMOS 기술에 기초한 엑사스케일 컴퓨터는 비실용적인 양의 전력을 필요로 할 것으로 예상되기 때문에 초전도 컴퓨팅 연구를 위한 개방으로 보였다. 2006년에 결성된 인텔리전스 어드밴스드 리서치 프로젝트 활동은 현재 초전도 컴퓨팅 분야에서 미국 인텔리전스 커뮤니티의 연구개발 노력을 조율하고 있다.[5]

기존 컴퓨팅 기술

"양자"라는 단어를 포함하는 이러한 많은 기술들의 이름에도 불구하고, 그것들이 반드시 양자 컴퓨팅을 위한 플랫폼은 아니다.[citation needed]

RSFQ(Rapid Single flux Quantum)

주요기사 : 급속단속양자

급속단속 양자(RSFQ) 초전도 논리는 1980년대 소련에서 개발됐다.[7] 정보는 단일 플럭스 양자(SFQ)의 유무에 의해 전달된다. 조셉슨 접합부는 일반적으로 적절한 크기의 분로 저항기를 추가하여 이력 없이 전환되도록 심각하게 축축하게 된다. 클럭링 신호는 별도로 분산된 SFQ 전압 펄스에 의해 로직 게이트에 제공된다.

전력은 계산에 사용되는 동적 전력보다 10배 이상 많은 정력을 소비할 수 있는 저항기를 사용하여 분산된 바이어스 전류에 의해 공급된다. 저항기를 사용하여 전류를 분배하는 단순성은 소형 회로에 장점이 될 수 있으며, 에너지 효율이 중요하지 않은 많은 애플리케이션에 RSFQ를 계속 사용하고 있다.

RSFQ는 통신 수신기와 디지털 신호 처리와 같은 고투과 및 수치 집약적 응용을 위한 전용 회로를 구축하는 데 사용되어 왔다.

RSFQ 회로의 Josephson 접합부는 병렬로 치우쳐 있다. 따라서 총 바이어스 전류는 조셉슨 접속수와 함께 선형적으로 증가한다. 이는 현재 회로당 수만 개의 조셉슨 접합부를 초과하지 않는 RSFQ 회로의 통합 규모에 대한 주요 한계를 제시한다.

LR-RSFQ

기존 RSFQ 회로에서 전류를 분배하는 데 사용되는 저항기(R)를 줄이고 인덕터(L)를 직렬로 추가하면 정전기 방전을 줄이고 에너지 효율을 개선할 수 있다.[8][9]

저전압 RSFQ(LV-RSFQ)

기존 RSFQ 회로의 바이어스 전압을 줄이면 정전기 방전을 줄이고 에너지 효율을 개선할 수 있다.[10][11]

에너지 효율적인 단일 플럭스 양자 기술(ERSFQ/eSFQ)

효율적인 고속단속 양자(ERSFQ) 논리는 바이어스 저항기를 인덕터 세트와 전류 제한 조셉슨 접합부로 교체하여 RSFQ의 정전기 손실을 제거하기 위해 개발되었다.[12][13]

효율적인 단일 플럭스 양자(eSFQ) 논리도 직류로 구동되지만, 편향 전류 제한 인덕터의 크기 및 제한 조셉슨 결합을 규제하는 방법에서는 ERSFQ와 다르다.[14]

역수 양자 논리(RQL)

역수 양자 논리(RQL)는 RSFQ 논리의 일부 문제를 해결하기 위해 개발되었다. RQL은 논리 '1'을 인코딩하기 위해 SFQ 펄스의 상호 쌍을 사용한다. 전원과 시계 모두 다상 교류 신호에 의해 제공된다. RQL 게이트는 저항을 사용하여 전력을 분배하지 않으므로 무시할 수 있는 정전력을 소멸시킨다.[15]

주요 RQL 게이트는 다음을 포함한다. AndOr, AnotB, Set/Reset(비파괴 판독값 포함)은 함께 범용 논리 세트를 형성하고 메모리 기능을 제공한다.[16]

단열 양자 플럭스 파라메트론(AQFP)

주요 기사: 양자 플럭스 파라메트론

단열 양자 플럭스 파라메트론(AQFP) 논리는 에너지 효율적인 작동을 위해 개발됐으며 교류로 구동된다.[17][18]

2021년 1월 13일, 2.5GHz 시제품 AQFP 기반 프로세서 MANA(Monolitic Adiabatic INtegration Architecture)는 냉각까지 고려하면서 기존 반도체 프로세서의 80배에 달하는 에너지 효율을 달성했다고 발표했다.[19]

양자 계산 기법

주요 기사: 초전도 양자 컴퓨팅

초전도 양자컴퓨팅은 조셉슨 접합부를 통해 결합되는 나노입체 초전도 전극을 포함하는 양자정보기술의 유망한 구현이다. 초전도 전극에서와 마찬가지로 위상과 전하가 결합 변수다. 전하, 위상, 혹은 둘 중 어느 것도 좋은 양자수가 아닌가에 따라 초전도 큐빗의 세 집단이 존재한다. 이것들은 각각 전하 쿼빗, 플럭스 쿼빗, 하이브리드 쿼빗이라고 불린다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b c Joneckis, Lance; Koester, David; Alspector, Joshua (2014-01-01). "An Initial Look at Alternative Computing Technologies for the Intelligence Community". Institute for Defense Analyses. pp. 15–16, 24–25, 47–50. Retrieved 2016-04-22.
  2. ^ 코게 P(2011). "탑인 플롭", IEEE 스펙트럼, vol. 48, 페이지 48–54, 2011.
  3. ^ 코트랜드 R(2011). "초전도체 로직 저전력" IEEE 스펙트럼, 2011년 6월 22일
  4. ^ 홈즈 DS, 리플 AL, 만하이머 MA(2013). "에너지 효율적인 초전도 컴퓨팅—전력 예산 및 요구사항", IEEE Trans. 2013년 6월 초순, 23권, 1701610.
  5. ^ a b c d Brock, David C. (2016-04-24). "Will the NSA Finally Build Its Superconducting Spy Computer?". IEEE Spectrum. Retrieved 2016-04-21.
  6. ^ N. De Liso, G. Filatrella, D. Gagliardi, C. 나폴리(2020년). "콜드 숫자: 초전도 슈퍼컴퓨터 및 추정 이상", 산업 및 기업 변화, 제29권, 제2권, 제2권, pp.485-505, 2020.
  7. ^ 리카레프 KK, 세메노프 VK (1991) "RSFQ 로직/메모리 제품군: 하위 테라헤르츠 클록 주파수 디지털 시스템을 위한 새로운 조셉슨 결합 기술", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 1, 1991년 3월 28일자 페이지.
  8. ^ 야마나시 Y, 니시가이 T, 요시카와 N(2007). "저전력 단일 플럭스 양자회로를 위한 LR 로딩 기법 연구", IEEE Trans. Appl. 2007년 6월 초초, vol.17, pp.150–153.
  9. ^ 오르틀롭 T, 웨츠슈타인 O, Engert S, Kunert J, Toepfer H(2011년). "초전도 전자에서의 전력 소비 감소", IEEE 적용 초전도성 거래, vol.21, No.3, pp.770-775, 2011년 6월.
  10. ^ 다나카 M, 이토 M, 기타야마 A, 코우케츠 T, 후지마키 A(2012년) "18-GHz, 4.0-aJ/비트 작동 초저 에너지 단일 플룩스-퀀텀 시프트 레지스터", Jpn. J. Appl. 체육 51 053102, 2012년 5월.
  11. ^ 다나카 M, 기타야마 A, 고케쓰 T, 이토 M, 후지마키 A(2013). "저전압에 의해 구동되는 저에너지 소비 RSFQ 회로", IEEE 트랜스. Appl. 초초, 23권, 3권, 페이지 1701104, 2013년 6월.
  12. ^ 무카노프 OA(2011년). "에너지 효율적 단일 플럭스 양자 기술", IEEE 적용 초전도성 거래, vol.21, No.3, pp.760-769, 2011년 6월.
  13. ^ DE 키리첸코, S 사르와나, AF 키리첸코(2011년). "RSFQ 회로의 정전기 방전 제로 바이어싱", IEEE 적용 초전도성 거래, vol.21, No.3, pp.776-779, 2011년 6월.
  14. ^ 볼크만 MH, 사후 A, 푸리 CJ, 무카노프 OA(2013년) 등이 대표적이다. "sub-aJ/bit 작동을 통한 에너지 효율 단일 플럭스 퀀텀(eSFQ) 디지털 회로 구현", Supercond. Sci. Technol. 26 (2013) 015002.
  15. ^ Herr QP, Herr AY, Oberg OT, Ioannidis AG(2011년). "초저전력 초전도체 논리", J. Appl. 제109권, 페이지 103903-103910, 2011.
  16. ^ 오버그 OT(2011년). Maryland University of Maryland, University of Physics, PhD 논문으로 작동하는 초전도 논리 회로
  17. ^ 타케우치 N, 오자와 D, 야마나시 Y, 요시카와 N(2013). "초저전력 논리 소자로서의 단극 양자 플럭스 파라메트론", 슈퍼초록. Sci. Technol. 26 035010.
  18. ^ 타케우치 N, 야마나시 Y, 요시카와 N(2015). "단열 초전도체 로직의 에너지 효율", 슈퍼컨드. Sci. Technol. 2015년 1월 28일 015003.
  19. ^ "Superconducting Microprocessors? Turns Out They're Ultra-Efficient". 2021-01-13. Retrieved 2021-05-25. The 2.5 GHz prototype uses 80 times less energy than its semiconductor counterpart, even accounting for cooling … While adiabatic semiconductor microprocessors exist, the new microprocessor prototype, called MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture), is the world’s first adiabatic superconductor microprocessor. It’s composed of superconducting niobium and relies on hardware components called adiabatic quantum-flux-parametrons (AQFPs). Each AQFP is composed of a few fast-acting Josephson junction switches, which require very little energy to support superconductor electronics. The MANA microprocessor consists of more than 20,000 Josephson junctions (or more than 10,000 AQFPs) in total.

외부 링크