Evaluering af ydeevnen af ​​computerkomponenter designet til at køre 100 gange hurtigere end top supercomputere

NIST-forskere har udviklet et nyt automatiseret sondesystem til at evaluere ydeevnen af ​​computerkomponenter designet til at køre 100 gange hurtigere end nutidens bedste supercomputere og forbruger så lidt som 1/1000 af energien.

Den række af ydeevne, som forudset i National Strategic Computing Initiative (NSCI), er det overordnede mål for mange private og føderale programmer, der studerer forskellige teknologier og platforme. En af dem er programmet Cryogenic Computing Complexity (C3), støttet af Intelligence Advanced Research Projects Activity Agency (IARPA). Dens mål er at muliggøre en ny generation af superledende supercomputere med lav effekt, der opererer ved væske-helium temperaturer og bruger ultrahurtig omskiftning af mikroskopiske kredsløbselementer kaldet Josephson junctions.

Ingen kender endnu den bedste måde (eller måder) at gøre det på. I henhold til vilkårene for C3-programmet, hver af tre forskellige branchedeltagere skaber prototypehukommelses- og logikenheder designet til at fungere inden for programparametre. Jobbet med at teste disse enheder uafhængigt falder hos NIST.

"Det, de ønsker, at NIST skal gøre, er at bekræfte, at disse enheder fungerer, som producenterne siger, de gør, " siger William Rippard, leder af NISTs Spin Electronics Group, som tester hukommelseskomponenter. "Det betyder, at vi skal være i stand til at måle ualmindeligt svage signaler på usædvanligt hurtige tidsskalaer. Begge dele har krævet, at vi udvikler nye målemuligheder. Det nye sondesystem er en stor del af den indsats."

NIST er ansvarlig for at karakterisere hver enkelt enhed (typisk 100 nm til 1 µm) i hver chip (typisk 5 mm til 10 mm i størrelse) og dens underkomponenter ved flydende heliumtemperatur (4 kelvin). Til dette bruger de en kryostat, der har en temperaturustabilitet på kun 50 millikelvin, indeni der er en NIST-designet tre-akset manipulator styret af et optisk feedback-system til at sondere specifikke punkter. Men forskerne tester også de samme enheder ved stuetemperatur for at se efter korrelationer i egenskaber over et spænd på omkring 300 K. Dette vil tillade rumtemperaturtest af enheder for at give kvantitativ forudsigelig adfærd ved 4 K.

Fordi et kredsløb kan indeholde store arrays på 10, 000 eller flere Josephson-kryds, at teste hver af dem individuelt er en skræmmende opgave. NIST-forskerne udviklede et fuldautomatisk system, der er i stand til nøjagtigt at placere sondespidsen ved hjælp af optisk feedback fra et kamera, der kigger ned på overfladen af ​​chippen ved 4 K. Dette arrangement gør det muligt for sondespidsen at bevæge sig hen over enheden i præcist inkrementerede trin.

En anden udfordring er hastigheden. De superledende kredsløb fungerer på tidsskalaer af picosekunder - en milliontedel af en milliontedel af et sekund. "I en typisk opsætning, du har måske to meter kabel, der løber mellem den enhed, du tester, og instrumenteringen, " siger Rippard. "Når en picosekund puls går gennem så meget kabel, det bliver dæmpet og spredt ud. Det, der startede som et rigtig skarpt signal, strækkes ud, indtil det ligner en klokkekurve."

For at omgå det problem, gruppen er ved at udtænke specialiserede kredsløb, der vil give dem mulighed for at forstærke signalet kun centimeter væk fra den chip, der producerede det. Omvendt at sende ultrakorte signaler til chippen, de bruger en femtosekund-laser (skyder ved en lyspuls på 0,2 picosekunders varighed) og konverterer det optiske signal til en elektrisk impuls i området af nogle få picosekunder.

Probeelektroderne kan udskiftes med meget responsive sensorer, der måler et 2-D mønster af magnetisk aktivitet på tværs af chippen. Gruppen byggede et system, der bruger et læse-skrivehoved fra en harddisk til at måle disse felter, og en meget mere følsom erstatning er under udvikling. Fordi hvert lille spor, der bærer bevægelige elektroner, genererer et magnetfelt, de magnetiske data udgør et kort over strømstrømmen, der afslører nedgravede elektriske lag.

De magnetiske målinger vil også lokalisere hvirvlerne - små strømhvirvler - der dannes under visse forhold i superledende materialer, og afgøre, om hvirvlerne er immobile ("fastgjort") på et enkelt sted eller kan bevæge sig rundt i det superledende kredsløb og derved generere modstand mod superstrøm.

NISTs rolle i C3 bidrager også til et bureaudækkende initiativ, der har til formål at udvikle de bredere målefunktioner, der er nødvendige for at teste og evaluere komponenter til fremtidig højtydende databehandling. NSCI navngiver NIST som et "grundlæggende forsknings- og udviklingsbureau" med missionen at fokusere på "målingsvidenskab til at understøtte fremtidige computerteknologier."

"Dette partnerskab med IARPA om C3 supercomputing-programmet, " siger Bob Hickernell, Chef for NIST's Quantum Electromagnetics Division, "kombinerer ekspertise fra brancheledere inden for udvikling af både kryogen hukommelse og logikkredsløb sammen med NISTs ekspertise i superledende elektronik- og magnetiske målinger ved ultralave temperaturer for at accelerere fremskridt, der lover stor effekt på områder, herunder biomedicinsk forståelse og behandlinger, avanceret materialeudvikling, og høj nøjagtig vejrudsigt."