الحوسبة فائقة التوصيل

📅 آخر تحديث: ٢١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
يُظهر معالج Sycamore خصائص فائقة التوصيل عند تبريده إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، ويستخدم لتحقيق الحوسبة الكمومية .

يشير المنطق فائق التوصيل إلى فئة من الدوائر المنطقية أو البوابات المنطقية التي تستخدم الخصائص الفريدة للموصلات الفائقة ، بما في ذلك الأسلاك عديمة المقاومة، ومفاتيح وصلة جوزيفسون فائقة السرعة ، وتكميم التدفق المغناطيسي (الفلكسويد). اعتبارًا من عام 2023، أصبح بالإمكان تحقيق الحوسبة فائقة التوصيل باستخدام معالجات مبردة ، حيث تصبح الدوائر الإلكترونية المصممة خصيصًا فائقة التوصيل عند درجات حرارة منخفضة للغاية ، عادةً ما تقل عن 10 كلفن . الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل هي تطبيق المنطق فائق التوصيل في الحوسبة الكمومية . 

تستخدم دوائر المنطق الرقمي فائقة التوصيل كميات التدفق المغناطيسي المفردة (SFQ)، المعروفة أيضًا باسم كميات التدفق المغناطيسي ، لترميز البيانات ومعالجتها ونقلها. تتكون دوائر SFQ من وصلات جوزيفسون النشطة وعناصر سلبية مثل المحاثات والمقاومات والمحولات وخطوط النقل. في حين أن الفولتية والمكثفات مهمة في دوائر المنطق شبه الموصلة مثل CMOS ، فإن التيارات والمحاثات هي الأكثر أهمية في دوائر منطق SFQ. يمكن تزويد الطاقة إما بتيار مستمر أو تيار متردد ، وذلك حسب عائلة منطق SFQ.

المفاهيم الأساسية

تتمثل الميزة الأساسية للحوسبة فائقة التوصيل في تحسين كفاءة استهلاك الطاقة مقارنةً بتقنية CMOS التقليدية . فمعظم الطاقة المستهلكة والحرارة المبددة في المعالجات التقليدية تأتي من نقل المعلومات بين عناصر المنطق، وليس من عمليات المنطق نفسها. ولأن الموصلات الفائقة تتميز بمقاومة كهربائية معدومة ، فإن نقل البتات داخل المعالج لا يتطلب سوى طاقة ضئيلة. ومن المتوقع أن يؤدي ذلك إلى توفير في استهلاك الطاقة يصل إلى 500 ضعف في أجهزة الكمبيوتر فائقة السرعة (إكسا سكيل) . [ 1 ] وللمقارنة، تشير التقديرات إلى أن جهاز كمبيوتر بقدرة 1  إكسا فلوبس، مبني بتقنية CMOS، يستهلك حوالي 500 ميغاواط من الطاقة الكهربائية في عام 2014. [ 2 ] ويمكن أن يكون منطق الموصلات الفائقة خيارًا جذابًا لوحدات المعالجة المركزية فائقة السرعة، حيث تُقاس أزمنة التبديل بالبيكو ثانية، وتقترب ترددات التشغيل من 770  غيغاهرتز. [ 3 ] [ 4 ] ومع ذلك، بما أن نقل المعلومات بين المعالج والعالم الخارجي لا يزال يستهلك الطاقة، فقد اعتُبرت الحوسبة فائقة التوصيل مناسبة تمامًا للمهام كثيفة الحساب حيث تبقى البيانات إلى حد كبير في البيئة المبردة، بدلاً من تطبيقات البيانات الضخمة حيث يتم تدفق كميات كبيرة من المعلومات من خارج المعالج. [ 1 ]

بما أن المنطق فائق التوصيل يدعم بنى وخوارزميات الآلات الرقمية القياسية، فإن قاعدة المعرفة الحالية لحوسبة CMOS ستظل مفيدة في بناء الحواسيب فائقة التوصيل. ومع ذلك، ونظرًا لانخفاض تبديد الحرارة، فقد يُتيح ذلك ابتكارات مثل التراص ثلاثي الأبعاد للمكونات. إلا أنه نظرًا لاحتياجها إلى محاثات ، يصعب تصغير حجمها. في عام 2014، كانت الأجهزة التي تستخدم النيوبيوم كمادة فائقة التوصيل وتعمل عند 4 كلفن تُعتبر من أحدث التقنيات. ومن التحديات المهمة في هذا المجال توفير ذاكرة تبريد موثوقة، بالإضافة إلى الانتقال من البحث في المكونات الفردية إلى التكامل واسع النطاق. [ 1 ]

عدد وصلات جوزيفسون هو مقياس لتعقيد الدائرة أو الجهاز فائق التوصيل، على غرار عدد الترانزستورات المستخدمة في الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات.

تاريخ

تُجري وكالة الأمن القومي الأمريكية أبحاثًا في مجال الحوسبة فائقة التوصيل منذ منتصف خمسينيات القرن الماضي. إلا أن التقدم لم يواكب الأداء المتزايد لتقنية CMOS القياسية. وحتى عام 2016، لم تكن هناك حواسيب فائقة التوصيل تجارية، على الرغم من استمرار البحث والتطوير. [ 5 ]

ركزت الأبحاث في منتصف الخمسينيات وحتى أوائل الستينيات على جهاز الكريوترون الذي اخترعه دادلي ألين باك ، إلا أن درجات حرارة الهيليوم السائل وبطء عملية التحويل بين حالتي التوصيل الفائق والمقاومة أديا إلى التخلي عن هذه الأبحاث. في عام 1962، وضع برايان جوزيفسون النظرية الكامنة وراء تأثير جوزيفسون ، وفي غضون سنوات قليلة، صنعت شركة IBM أول وصلة جوزيفسون. استثمرت IBM بكثافة في هذه التقنية من منتصف الستينيات وحتى عام 1983. [ 6 ] بحلول منتصف السبعينيات، كانت IBM قد أنشأت جهاز تداخل كمي فائق التوصيل باستخدام هذه الوصلات، حيث عملت بشكل أساسي مع وصلات مصنوعة من الرصاص ، ثم تحولت لاحقًا إلى وصلات الرصاص/النيوبيوم. في عام 1980، أعلنت IBM عن ثورة حاسوب جوزيفسون من خلال غلاف عدد مايو من مجلة ساينتفك أمريكان. أحد الأسباب التي بررت هذا الاستثمار الضخم يكمن في توقع تباطؤ قانون مور - الذي أُعلن عام ١٩٦٥ - ووصوله إلى مرحلة استقرار "قريبًا". مع ذلك، من جهة، ظل قانون مور ساريًا، بينما تحملت شركة IBM وحدها تكاليف تطوير الأجهزة فائقة التوصيل، ولم تستطع الأخيرة، مهما بلغ حجمها، منافسة عالم أشباه الموصلات الذي وفر موارد لا حدود لها تقريبًا. [ ٧ ] لذا، أُغلق البرنامج عام ١٩٨٣ لأن هذه التقنية لم تُعتبر منافسة لتقنية أشباه الموصلات التقليدية. قامت شركة HYPRES، التي أسسها باحثون من برنامج IBM، بتطوير وتسويق الدوائر المتكاملة فائقة التوصيل من مصنعها التجاري لأشباه الموصلات الفائقة في إلمسفورد، نيويورك. [ 8 ] مولت وزارة التجارة الدولية والصناعة اليابانية جهودًا بحثية في مجال الموصلات الفائقة من عام 1981 إلى عام 1989، والتي أنتجت جهاز ETL-JC1 ، وهو جهاز ذو 4 بتات مزود بذاكرة وصول عشوائي (RAM) سعتها 1000 بت. [ 5 ]

في عام 1983، ابتكرت مختبرات بيل وصلات جوزيفسون المصنوعة من أكسيد النيوبيوم/ الألومنيوم ، والتي تميزت بموثوقية أعلى وسهولة أكبر في التصنيع. وفي عام 1985، طوّر باحثون في جامعة موسكو الحكومية مخطط منطق الكم أحادي التدفق السريع ، الذي حسّن السرعة وكفاءة استهلاك الطاقة . أدت هذه التطورات إلى مشروع التكنولوجيا الهجينة متعددة الخيوط في الولايات المتحدة، الذي بدأ عام 1997، والذي سعى إلى التفوق على أشباه الموصلات التقليدية في الوصول إلى مستوى الحوسبة البيتافلوبية. إلا أن المشروع توقف عام 2000، وتم بناء أول حاسوب بيتافلوبي تقليدي عام 2008. بعد عام 2000، اتجه الاهتمام نحو الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل . واعتُبر تقديم كوينتين هير من شركة نورثروب غرومان لمنطق الكم التبادلي عام 2011 ، بالإضافة إلى تقنية منطق الكم أحادي التدفق السريع الموفرة للطاقة من شركة هايبريس، من أهم التطورات في هذا المجال. [ 5 ]

بدأ التوجه نحو الحوسبة فائقة السرعة (إكساسكيل) في منتصف العقد الثاني من الألفية الثانية، كما هو مُقنّن في المبادرة الوطنية للحوسبة الاستراتيجية ، واعتُبر بمثابة فرصة سانحة لأبحاث الحوسبة فائقة التوصيل، إذ كان من المتوقع أن تتطلب أجهزة الكمبيوتر فائقة السرعة القائمة على تقنية CMOS كميات هائلة من الطاقة الكهربائية. وتتولى حاليًا هيئة مشاريع البحوث المتقدمة للاستخبارات ، التي تأسست عام 2006، تنسيق جهود البحث والتطوير التي تبذلها مجتمعات الاستخبارات الأمريكية في مجال الحوسبة فائقة التوصيل. [ 5 ]

تقنيات الحوسبة التقليدية

على الرغم من أن أسماء العديد من هذه التقنيات تحتوي على كلمة "كمي"، إلا أنها ليست بالضرورة منصات للحوسبة الكمية .

الكم السريع للتدفق الأحادي (RSFQ)

طُوِّرت الدوائر المنطقية فائقة التوصيل ذات التدفق الكمي الأحادي السريع (RSFQ) في الاتحاد السوفيتي خلال ثمانينيات القرن العشرين. [ 9 ] تُنقل المعلومات عبر وجود أو غياب كمٍّ واحد من التدفق المغناطيسي (SFQ). تُخمَّد وصلات جوزيفسون تخميدًا حرجًا ، عادةً بإضافة مقاومة تحويلية ذات حجم مناسب، لجعلها تعمل دون تخلف مغناطيسي. تُزوَّد البوابات المنطقية بإشارات التوقيت عبر نبضات جهد SFQ موزعة بشكل منفصل.

يتم توفير الطاقة عن طريق تيارات انحياز موزعة باستخدام مقاومات قد تستهلك طاقة ثابتة تزيد عن عشرة أضعاف الطاقة الديناميكية المستخدمة في الحساب. وتُعدّ سهولة استخدام المقاومات لتوزيع التيارات ميزةً في الدوائر الصغيرة، ولا يزال نظام RSFQ يُستخدم في العديد من التطبيقات التي لا تُشكّل فيها كفاءة الطاقة أهميةً بالغة.

تم استخدام RSFQ لبناء دوائر متخصصة للتطبيقات ذات الإنتاجية العالية والتطبيقات كثيفة الحساب، مثل أجهزة استقبال الاتصالات ومعالجة الإشارات الرقمية.

تُشغَّل وصلات جوزيفسون في دوائر RSFQ بالتوازي. ولذلك، يزداد تيار الانحياز الكلي خطيًا مع عدد وصلات جوزيفسون. ويُمثل هذا حاليًا القيد الرئيسي على نطاق تكامل دوائر RSFQ، الذي لا يتجاوز بضعة عشرات الآلاف من وصلات جوزيفسون لكل دائرة.

LR-RSFQ

إن تقليل قيمة المقاومة (R) المستخدمة لتوزيع التيارات في دوائر RSFQ التقليدية وإضافة محث (L) على التوالي يمكن أن يقلل من تبديد الطاقة الساكنة ويحسن كفاءة الطاقة. [ 10 ] [ 11 ]

RSFQ ذو الجهد المنخفض (LV-RSFQ)

يمكن أن يؤدي خفض جهد الانحياز في دوائر RSFQ التقليدية إلى تقليل تبديد الطاقة الساكنة وتحسين كفاءة الطاقة. [ 12 ] [ 13 ]

تقنية التدفق الكمي أحادي التدفق الموفرة للطاقة (ERSFQ/eSFQ)

تم تطوير منطق التدفق الكمي الأحادي السريع والفعال (ERSFQ) للتخلص من فقد الطاقة الساكنة في منطق التدفق الكمي الأحادي السريع (RSFQ) عن طريق استبدال مقاومات الانحياز بمجموعات من المحاثات ووصلات جوزيفسون المحددة للتيار. [ 14 ] [ 15 ]

تعتمد منطق الكم أحادي التدفق الفعال (eSFQ) أيضًا على التيار المستمر، لكنها تختلف عن منطق الكم أحادي التدفق الفعال (ERSFQ) في حجم المحث المحدد لتيار الانحياز وكيفية تنظيم وصلات جوزيفسون المحددة. [ 16 ]

المنطق الكمي التبادلي (RQL)

طُوِّرت منطق الكم التبادلي (RQL) لمعالجة بعض مشاكل منطق الكم التبادلي ذي النبضات المتقطعة (RSFQ). يستخدم RQL أزواجًا تبادلية من نبضات SFQ لترميز القيمة المنطقية '1'. ويتم توفير كل من الطاقة والساعة بواسطة إشارات تيار متردد متعددة الأطوار . لا تستخدم بوابات RQL مقاومات لتوزيع الطاقة، وبالتالي فإنها تُبدد طاقة ساكنة ضئيلة للغاية. [ 17 ]

تشمل بوابات RQL الرئيسية ما يلي: AndOr و AnotB وSet/Reset (مع قراءة غير مدمرة)، والتي تشكل معًا مجموعة منطقية شاملة وتوفر إمكانيات الذاكرة. [ 18 ]

بارامترون التدفق الكمي الأديباتي (AQFP)

طُوِّرت تقنية المنطق الكمومي البارامتروني الأديباتي (AQFP) من أجل التشغيل الموفر للطاقة، وهي تعمل بالتيار المتردد. [ 19 ] [ 20 ]

في 13 يناير 2021، أُعلن أن معالجًا أوليًا بتردد 2.5 جيجاهرتز قائم على تقنية AQFP يُدعى MANA (معمارية التكامل الأديباتي المتجانسة) قد حقق كفاءة طاقة تفوق كفاءة معالجات أشباه الموصلات التقليدية بـ 80 ضعفًا، حتى مع الأخذ في الاعتبار التبريد. [ 21 ]

تقنيات الحوسبة الكمومية

الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل هي تطبيق واعد لتكنولوجيا المعلومات الكمومية ، وتعتمد على أقطاب كهربائية فائقة التوصيل مصنعة بتقنية النانو، وموصولة عبر وصلات جوزيفسون . وكما هو الحال في القطب الكهربائي فائق التوصيل، فإن الطور والشحنة متغيران مترافقان . توجد ثلاث عائلات من الكيوبتات فائقة التوصيل، وذلك بحسب ما إذا كانت الشحنة أو الطور أو أي منهما أعدادًا كمومية جيدة. وتُسمى هذه العائلات على التوالي: كيوبتات الشحنة ، وكيوبتات التدفق ، والكيوبتات الهجينة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 جونيكيس، لانس؛ كويستر، ديفيد؛ ألسبيكتور، جوشوا (1 يناير 2014). "نظرة أولية على تقنيات الحوسبة البديلة لمجتمع الاستخبارات" (ملف PDF) . معهد تحليلات الدفاع. الصفحات 15-16 ، 24-25 ، 47-50 . مؤرشف من الأصل في 4 يونيو 2016. تم الاطلاع عليه في 22 أبريل 2016 . 
  2. ↑ Kogge P (2011). "The tops in flops" , IEEE Spectrum, vol. 48, pp. 48–54, 2011.
  3. ↑ كورتلاند ر (2011). "منطق الموصلات الفائقة يتجه نحو استهلاك منخفض للطاقة" ، مجلة IEEE Spectrum، 22 يونيو 2011
  4. ↑ هولمز دي إس، ريبل إيه إل، مانهايمر إم إيه (2013). "الحوسبة فائقة التوصيل الموفرة للطاقة - ميزانيات الطاقة والمتطلبات" ، معاملات IEEE في التطبيقات فائقة التوصيل، المجلد 23، 1701610، يونيو 2013.
  5. 1 2 3 4 بروك، ديفيد سي. (24 أبريل 2016). "هل ستبني وكالة الأمن القومي أخيرًا حاسوبها التجسسي فائق التوصيل؟" . مجلة IEEE Spectrum . تاريخ الاسترجاع: 21 أبريل 2016 .
  6. ↑ غالاغر، ويليام جيه؛ هاريس، إريك بي؛ كيتشن، مارك بي (يوليو 2012). "الموصلية الفائقة في شركة آي بي إم - مراجعة مئوية: الجزء الأول - تطبيقات الحواسيب والأجهزة فائقة التوصيل، منتدى أخبار الموصلية الفائقة الأوروبي التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات/مجلس الموصلية الفائقة والجمعية الأوروبية لعلوم الموصلية الفائقة، العدد 21" (ملف PDF) . snf.ieeecsc.org . مجلس الموصلية الفائقة التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 24 ديسمبر 2022. تم الاطلاع عليه في 10 يونيو 2023 .
  7. ↑ ن. دي ليسو، ج. فيلاتريلا، د. غالياردي، س. نابولي (2020). "الأرقام الباردة: الحواسيب العملاقة فائقة التوصيل والشذوذ المفترض" ، التغيير الصناعي والشركاتي، المجلد 29، العدد 2، الصفحات 485-505، 2020.
  8. ↑ "نظرة عامة على برنامج هايبريس" .
  9. ↑ ليخاريف كيه كيه، سيمينوف في كيه (1991). "عائلة منطق/ذاكرة RSFQ: تقنية وصلة جوزيفسون جديدة للأنظمة الرقمية ذات تردد ساعة أقل من تيراهيرتز" ، معاملات IEEE في الموصلية الفائقة التطبيقية، المجلد 1، العدد 1، مارس 1991، الصفحات 3-28.
  10. ↑ ياماناشي واي، نيشيغاي تي، ويوشيكاوا إن (2007). "دراسة تقنية التحميل LR للدوائر الكمومية أحادية التدفق منخفضة الطاقة" ، IEEE Trans. Appl. Supercond.، المجلد 17، الصفحات 150-153، يونيو 2007.
  11. ↑ أورتليب تي، ويتزستين أو، إنجرت إس، كونرت جيه، توبفر إتش (2011). "خفض استهلاك الطاقة في الإلكترونيات فائقة التوصيل" ، معاملات IEEE في مجال التوصيل الفائق التطبيقي، المجلد 21، العدد 3، الصفحات 770-775، يونيو 2011.
  12. ↑ تاناكا م، إيتو م، كيتاياما أ، كوكيتسو ت، فوجيماكي أ (2012). "تشغيل مسجلات الإزاحة الكمومية أحادية التدفق السريع بتردد 18 جيجاهرتز وطاقة 4.0 أ جول/بت" ، المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية 51 053102، مايو 2012.
  13. ^ تاناكا م، كيتاياما أ، كوكيتسو تي، إيتو م، فوجيماكي أ (2013). "دوائر RSFQ ذات استهلاك منخفض للطاقة مدفوعة بجهد منخفض" ، IEEE Trans. تطبيق. سوبركوند، المجلد. 23، لا. 3، ص 1701104، يونيو 2013.
  14. ↑ موخانوف أو إيه (2011). "تقنية الكم أحادية التدفق الموفرة للطاقة" ، معاملات IEEE في مجال الموصلية الفائقة التطبيقية، المجلد 21، العدد 3، الصفحات 760-769، يونيو 2011.
  15. ↑ دي إي كيريتشينكو، إس ساروانا، إيه إف كيريتشينكو (2011). "انحياز تبديد الطاقة الساكنة الصفرية لدوائر RSFQ" ، معاملات IEEE في الموصلية الفائقة التطبيقية، المجلد 21، العدد 3، الصفحات 776-779، يونيو 2011.
  16. ↑ فولكمان إم إتش، ساهو إيه، فوري سي جيه، وموخانوف أو إيه (2013). "تنفيذ دوائر رقمية موفرة للطاقة أحادية التدفق الكمي (eSFQ) مع تشغيل أقل من aJ/bit" ، مجلة علوم وتكنولوجيا الموصلات الفائقة 26 (2013) 015002.
  17. ↑ هير كيو بي، هير إيه واي، أوبيرج أو تي، وإيوانيديس إيه جي (2011). "منطق الموصلات الفائقة منخفض الطاقة للغاية" ، مجلة الفيزياء التطبيقية، المجلد 109، الصفحات 103903-103910، 2011.
  18. ↑ أوبيرج أو تي (2011). دوائر المنطق فائقة التوصيل التي تعمل مع كميات التدفق المغناطيسي المتبادل ، جامعة ميريلاند، قسم الفيزياء، أطروحة دكتوراه.
  19. ↑ تاكيوتشي ن، أوزاوا د، ياماناشي ي، ويوشيكاوا ن (2013). "بارامترون التدفق الكمي الأديباتي كجهاز منطقي منخفض الطاقة للغاية" ، مجلة علوم وتكنولوجيا الموصلات الفائقة 26 035010.
  20. ↑ تاكيوتشي ن، ياماناشي ي، ويوشيكاوا ن (2015). "كفاءة الطاقة لمنطق الموصل الفائق الأديباتي" ، مجلة علوم وتكنولوجيا الموصلات الفائقة 28 015003، يناير 2015.
  21. ↑ "معالجات دقيقة فائقة التوصيل؟ اتضح أنها فائقة الكفاءة" . 13 يناير 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 مايو 2021. يستهلك النموذج الأولي بتردد 2.5 جيجاهرتز طاقة أقل بثمانين مرة من نظيره المصنوع من أشباه الموصلات، حتى مع الأخذ في الاعتبار التبريد... على الرغم من وجود معالجات دقيقة شبه موصلة ذات خاصية التبريد الأديباتي، فإن النموذج الأولي الجديد للمعالج الدقيق، المسمى MANA (معمارية التكامل الأديباتي المتجانسة)، هو أول معالج دقيق فائق التوصيل ذو خاصية التبريد الأديباتي في العالم. يتكون من النيوبيوم فائق التوصيل ويعتمد على مكونات مادية تسمى معلمات التدفق الكمي الأديباتية (AQFPs). تتكون كل معلمة AQFP من عدد قليل من مفاتيح وصلة جوزيفسون سريعة الاستجابة، والتي تتطلب طاقة ضئيلة جدًا لدعم الإلكترونيات فائقة التوصيل. يتكون المعالج الدقيق MANA من أكثر من 20000 وصلة جوزيفسون (أو أكثر من 10000 AQFP) إجمالاً.