Hukommelseslager til superkold computing

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har eksperimentelt demonstreret en ny kryogen, eller lav temperatur, hukommelsescellekredsløbsdesign baseret på koblede arrays af Josephson -kryds, en teknologi, der kan være hurtigere og mere energieffektiv end eksisterende hukommelsesenheder. Hvis det skaleres med succes, denne type kryogen hukommelsesarray kunne fremme en række forskellige applikationer, herunder kvante- og exascale -computing.

"I vores design, vi har forsøgt en helt anderledes vej, der anvender små, induktivt koblede arrays af Josephson -kryds, "sagde Yehuda Braiman fra ORNL's Computational Sciences and Engineering Division." Hvis skaleret, sådanne hukommelsescelle -arrays kan være størrelsesordener hurtigere end eksisterende minder, mens de bruger meget lidt strøm. "

Cellerne er designet til at fungere i superkolde temperaturer og blev testet ved kun 4 Kelvin over absolut nul, omkring minus 452 grader Fahrenheit. Under denne kulde, atomer bremser, og visse materialer mister modstand mod strømmen af ​​elektricitet, blive superledere. Fordi superledere ikke har nogen modstand mod elektrisk strøm, de mister en næsten ubetydelig mængde energi som varme.

Mens løftet om at bygge hurtigere, mere energieffektive computere baseret på disse kryogene teknologichefer har lokket forskere i årtier, opbygning af pålidelige kryogene "erindringer, "de dele af computere, der gemmer oplysninger til grundlæggende computerfunktioner, har længe været en hindring.

Et anderledes design

Det ORNL-udviklede design afviger fra eksisterende kryogene hukommelsesteknologier, fordi dets hukommelsesceller, de lokaliserede dele af kredsløbet, der indeholder et binært ciffer på et nul eller et, kendt som en "bit" information, drives ved hjælp af tre induktivt koblede Josephson -kryds.

Josephson-kryds er veletablerede kryogene elektriske enheder, der kan udnytte magnetisk flux til lagring af data. ORNL -designet, som beskæftiger et lille antal af disse kryds, kunne tilbyde fordele i forhold til nogle af de nyligt undersøgte lavtemperatur-hukommelsesceller. Mange af disse teknologier læner sig op ad en type digital logik kaldet single flux quantum, eller SFQ. Andre er baseret på magnetiske Josephson -kryds, som stadig udgør nogle fabrikationsudfordringer for kryogene hukommelsesapplikationer.

"Folk leder efter noget andet, "Braiman sagde." Vi bruger typiske kryds, som ikke kræver noget specielt fabrikationsdesign. Det er et i sig selv anderledes princip, der får cellen til at fungere. "

Unikt, deres ternære design tillader alle de grundlæggende hukommelsesoperationer - læs, skrive og nulstille-skal implementeres på den samme celle med tre Josephson-krydser. Denne kapacitet kan hjælpe med at tilføje stabilitet og samtidig spare plads og energi, da cellekredsløbene skaleres til større arrays, et trin, der har forårsaget problemer for eksisterende teknologier.

"Mekanismen, som alle disse [eksisterende] typer kryogene kredsløb er baseret på, er grundlæggende ustabil, "sagde Niketh Nair, en postdoktor ved ORNL, der arbejdede med designet. "Når du skalerer disse kredsløb, den ustabilitet, der findes i disse systemer, kan ramme et kritisk punkt. "

Designbekræftelse

For at bekræfte levedygtigheden af ​​deres nye design, ORNL -teamet testede i fællesskab cellekredsløbene med SeeQC, en superledende teknologivirksomhed. SeeQC -forskere fremstillede ORNL -designet på 5 millimeter ved 5 millimeter chips - omtrent diameteren på en standard blyantviskelæder - med kredsløb i hvert hjørne.

Chipsene blev monteret på en lang stang, kaldet en kryogen sonde, forbundet med ledninger til en stationær computer ved stuetemperatur. Forskere dyppede chipsene i en specialiseret beholder fyldt med flydende helium for at afkøle kredsløbet til en temperatur på 4 Kelvin. Ifølge ORNL-styrede testprocedurer, de sendte derefter elektriske impulser fra computeren ved stuetemperatur for at teste cellernes hukommelsesfunktion.

Test af fire cellekredsløbsdesign med lidt forskellige specifikationer viste ikke kun, at cellerne virker, men også at de fungerer robust og opererer i en bredere vifte af eksperimentelle parametre, end teamet oprindeligt havde forestillet sig.

Denne bekræftelse kommer tre år efter ORNL -teamet, som inkluderer Braiman, Nair og Neena Imam, analyserede og simulerede oprindeligt logikken i det kryogene hukommelsescelledesign i artikler udgivet i Superleder videnskab og teknologi og Fysisk gennemgang E .

Selvom forskerne var begejstrede for at bekræfte deres forudsigelser, de er forsigtige med at sige, at deres første resultater vil føre til et gennembrud. "Det, der er påvist, er på et enkelt celle -niveau, "sagde Braiman." Hvad folk bekymrer sig om, er meget store arrays af hukommelsesceller. "

Som et næste trin, ORNL -teamet vil arbejde med at implementere deres celler i stadig større arrays og testdesigner ved hjælp af kryogent testudstyr, som laboratoriet for nylig har købt. Det nye laboratorieopsætning vil muliggøre fremtidig onsite -forskning af kryogene teknologier.