В 1000 раз меньше энергии: новая память совершила рывок в криогенной электронике

Мировая вычислительная инфраструктура приближается к физическому пределу своей эффективности. Современные дата-центры потребляют гигаватты электроэнергии, большая часть которой преобразуется в бесполезное тепло из-за электрического сопротивления полупроводников.

Фото: Александр Рощин is licensed under Pravda.Ru

Новая память MIT

Холодный расчет: новая нанопамять MIT

Решением этой проблемы считается переход к сверхпроводниковым вычислениям, где ток течет практически без потерь. Однако на пути к созданию полноценного "холодного" компьютера долгое время стояло препятствие — отсутствие компактной и надежной оперативной памяти, способной работать в тех же экстремальных условиях, что и сверхпроводящие процессоры.

Группа инженеров из Массачусетского технологического института (MIT) представила проект масштабируемой памяти на сверхпроводящих нанопроволоках. В работе описывается архитектура, которая позволяет хранить данные с функциональной плотностью 2,6 мегабита на квадратный сантиметр при энергопотреблении в десятки фемтоджоулей.

Кризис геометрического масштабирования

Проблема криогенных систем предыдущих поколений заключалась в самом способе хранения информации. Традиционные сверхпроводящие ячейки памяти строятся на базе так называемых джозефсоновских переходов и используют геометрическую индуктивность. В такой системе бит информации кодируется направлением незатухающего тока в замкнутой металлической петле. Физические законы диктуют жесткое условие: чтобы удерживать квантованное магнитное поле, площадь этой петли должна быть значительной.

Это создавало неразрешимое противоречие. Попытка уменьшить физический размер ячейки приводила к необходимости пропорционально увеличивать управляющий ток, чтобы компенсировать падение индуктивности. В итоге чип либо перегревался, выходя из состояния сверхпроводимости, либо требовал громоздких систем питания, что обнуляло все энергетические преимущества технологии.

Плотность записи в таких устройствах десятилетиями не превышала одного мегабита на квадратный сантиметр. Для сравнения: современные задачи искусственного интеллекта и молекулярного моделирования требуют массивов данных объемом в сотни гигабайт, что при старом подходе потребовало бы вычислительных модулей размером в несколько квадратных метров.

Кинетическая индуктивность: инерция против площади

Инженеры MIT полностью изменили физический принцип хранения данных, сделав ставку на кинетическую индуктивность. Это внутреннее свойство сверхпроводящего материала, возникающее из-за инерции носителей заряда. В сверхпроводнике электричество переносят куперовские пары электронов.

Несмотря на отсутствие сопротивления, эти частицы обладают массой. Чтобы привести их в движение или остановить, требуется определенное усилие. Эта инерция зарядов и создает индуктивный эффект, позволяющий запасать энергию внутри проводника.

Главное преимущество кинетической индуктивности заключается в том, что она не зависит от площади петли или объема занимаемого пространства. Она определяется химическим составом материала и толщиной напыляемого слоя.

Исследователи использовали сверхпроводящую пленку нитрида ниобия толщиной всего 23 нанометра. Это позволило сконцентрировать необходимую индуктивность в нанопроволоке минимальной площади. Так что инженерам удалось радикально уменьшить физический размер ячейки памяти, сохранив полный контроль над направлением тока и не повышая энергетический бюджет системы.

Механика управления: нагревательный криотрон

Для управления процессами записи и считывания информации в системе применили hTron (нагревательный криотрон) — компактный электротермический переключатель. Его работа основана на резком, скачкообразном изменении свойств материала при достижении критической температуры.

Ячейка памяти представляет собой петлю, состоящую из двух параллельных ветвей нанопроволоки. В одну из них интегрирован нагревательный элемент, изготовленный из золота и отделенный от основного сверхпроводника изолирующим слоем диоксида кремния толщиной 100 нанометров.

Когда на золотую дорожку подается короткий электрический импульс, она мгновенно нагревает прилегающий участок нанопроволоки. Как только температура превышает порог в 12,5 Кельвина, сверхпроводимость в этой точке разрушается. Материал переходит в нормальное состояние и приобретает электрическое сопротивление.

В этот момент ток, ранее протекавший через нагретую ветвь, вынужден перераспределиться во вторую ветвь, которая остается сверхпроводящей. После прекращения импульса нагретый участок остывает за считанные наносекунды и снова становится сверхпроводником.

Однако ток уже оказывается заперт в петле, продолжая циркулировать в заданном направлении неограниченно долго без внешней подпитки. Смена полярности входного сигнала позволяет менять направление циркуляции, кодируя логический ноль или единицу.

Решение проблемы масштабируемости и тепловых помех

Основным достижением команды MIT стало создание функционирующей матрицы размером 4 на 4 ячейки, способной работать в режиме селективной адресации. В архитектуре вычислительных систем это означает возможность выбрать конкретный бит информации на пересечении определенной строки и столбца, не затрагивая соседние данные.

Ранее подобные попытки в криогенной электронике сталкивались с критическим уровнем ошибок. Тепло, выделяемое при обращении к одной ячейке, неизбежно влияло на соседние, вызывая спонтанное разрушение их состояний.

Чтобы обеспечить стабильность в плотном массиве, инженеры внедрили в конструкцию каждой ячейки переменный кинетический индуктор. При активации конкретной строки памяти локальный нагрев неизбежно меняет индуктивность всех ячеек в этом ряду.

Новый компонент динамически компенсирует этот сдвиг, поддерживая необходимую разницу параметров между ветвями петли. Это позволило сохранить работоспособность даже при интенсивных операциях записи.

Результаты испытаний в закрытом криостате при температуре 1,3 Кельвина подтвердили надежность выбранного пути:

• Вероятность ошибки бита была снижена до значения 0,00001 на частоте один мегагерц. Это на два порядка превосходит результаты всех предыдущих разработок в области нанопроволочной памяти.
• Энергоэффективность системы достигла рекордных значений. Операция записи требует 46 фемтоджоулей, а чтения — 31 фемтоджоуль. Это в тысячи раз меньше энергии, затрачиваемой на перезарядку емкостей в современных полупроводниковых чипах памяти.
• Время удержания данных без внешнего питания составило более 20 секунд. В масштабах компьютерных циклов, измеряемых миллиардными долями секунды, это подтверждает абсолютную энергонезависимость памяти.

Архитектура будущего: плотность и системная интеграция

Текущий показатель плотности в 2,6 мегабита на квадратный сантиметр является лишь отправной точкой. Авторы исследования указывают, что представленный прототип был собран с использованием стандартных методов фотолитографии и имеет значительные зазоры между элементами, оставленные для удобства лабораторных измерений. Переход на более совершенные методы производства и уменьшение ширины проволок до 50 нанометров позволит увеличить плотность записи в десятки раз, приблизив ее к коммерческим стандартам памяти типа SRAM.

Технология hTron обладает важным преимуществом: она полностью совместима с существующими процессами производства микросхем на базе кремниевых подложек. Это значительно упрощает переход от лабораторных прототипов к промышленному выпуску.

Сфера применения этой разработки не ограничивается созданием энергоэффективных серверов. Она является особо важным звеном для развития квантовых компьютеров. Современные квантовые процессоры (кубиты) требуют экстремально низких температур для сохранения стабильности состояний. При этом управляющая электроника обычно выносится за пределы охлаждаемой зоны. Это создает проблему коммутационного барьера: огромное количество проводов, ведущих внутрь криостата, вносит тепловой шум и искажает сигналы. Память на нанопроволоках может быть размещена непосредственно в холодном контуре рядом с квантовым процессором. Это обеспечит быструю обработку данных и коррекцию ошибок без необходимости выводить сигнал во внешнюю среду.

Аналитический вывод

Работа исследователей из MIT показала качественный переход в области криогенной электроники. Инженерам удалось доказать, что использование фундаментальных свойств сверхпроводников, таких как кинетическая индуктивность, позволяет преодолеть ограничения, накладываемые классической геометрией электрических цепей. Создание функционирующей матрицы с низким уровнем ошибок подтверждает жизнеспособность этой концепции для построения крупномасштабных систем.

В долгосрочной перспективе это открывает путь к архитектурам, производительность которых больше не будет лимитирована возможностями систем охлаждения. Если полупроводниковая эпоха была борьбой за отвод тепла от транзистора, то эра сверхпроводящей нанопроволочной памяти обещает вычисления, в которых само тепло перестает быть неизбежным побочным продуктом. Мы наблюдаем формирование технологического фундамента, на котором будут построены самые мощные вычислительные системы следующего десятилетия.