超导技术节能高端计算

超导技术节能高端计算奥列格,伊普尔公司能源效率挑战性:互联网的爆炸式增长的数据中心转变成大工业规模的计算机设备相当高的能源需求。从谷歌和Facebook到银行、云计算和超级计算,平均数据中心已经使用相当于一个中型城市电力。在硅谷,数据中心也被列为由来自使用柴油补充能源产生污染尾气的最高空气污染源。到2012年,数据中心的能源成本估计超过原始成本的资本投资超过其使用寿命。到2020年，数据中心的碳排放量将超过航空公司[105]。2011年Facebook的碳排放量大约与相当28000吨二氧化碳。比2010年谷歌高出5倍即是1500000吨。能源因素正迫使新数据中心建设在气候有助于冷却和电力成本较低的地区。最新的Facebook120MW数据中心正在建设在瑞典以南的北极圈和在内华达州接近生产两倍水电站的胡佛大坝。随着世界能源已经受限，高能量食欲使数据低的能量效率复合中心成为一个问题，通过提高我们所有的人失去税金，费用，生产力损失是由于停电和恶化环境。除了刚才高能源成本和对环境的不利的影响，一个引人注目的技术是以提高计算的能源效率技术。该是下一代高端计算机的发展（例如，百亿亿次超级计算机外）成为可能除非在能量效率的显著改善实现了今天[107]。现有的技术，对于1Exaflops（每秒千兆109浮点运算）计算机，这就要求50亿次W。截至2012年11月，最好的TOP500超级计算机泰坦（克雷XK7）有～2-3GigaflopsW（17.6-27.1千万亿次的～8.2MW）。该功耗目标为未来的百亿亿次超级计算机是非常迫切的，不超过20兆瓦，这仅仅是2：4大于泰坦用～1/50Exaflops。问题的核心是当前计算机电路技术的能源利用效率比较低以致消耗太多功率的计算，存储和移动处理器和内存之间的数据。尽管摩尔定律继续让每个芯片有更多的晶体管，丹纳德比例（同时减少了CMOS阈值和偏置电压与器件尺寸相称还原）几年前结束。现在，新一代CMOS工艺有更高的功率密度和峰值功率要求的速度增加远远超过除去热量能力。就是这个原因，对大规模计算机，能源效率而不是切换速度或电路区域现在已经成为在计算性能常见的主导度量从手持便携式设备到高端。超导单磁通量子电路，凭借其固有的低功耗，高速和无损互连，提出了一个极好的机会，极大地提高了高端的能源效率计算应用[108]。这应该影响数据中心的能效，并启用新的一代的超级计算机。高效节能超导技术自从20世纪60年代后期，约瑟夫森超导结集成电路已经被认为是可能的候选高速计算。超导快速单磁通量子（RSFQ）技术发明于1980年代中期，启用的第一数字信号处理电路的发展由2000年代中期使用一个强大的现实意义即4铌层的约瑟夫逊结的制造过程。如今，更多操作低温RSFQ数字射频接收器超过30GHz的时钟可用于宽带卫星通信和信号智能应用[109]。各种高速处理器，以及数据和各种信号原型处理模块已被证明[110，111]（图25）。RSFQ逻辑是基于利用单量子磁通编码时钟和数据。当SFQ涡流横贯约瑟夫逊集成，在4K时，一个电压脉冲量化区V（t）dt=Φ0=h/2e-2:06_10-15Wb被产生。该切换过程中所消耗的能量事件是ICΦ0~10-19J的顺Ĵ假设IC0.1毫安由热噪声.确定。因此，栅极开关能量是直接关系到热能而不是设备CMOS的尺寸。皮秒量化SFQ电压脉冲被证明弹道传播片上，并通过低损失芯片[112]之间和没有分散超导微带线需要用于扩增和与速度的量级的光速。这是超导的关键优势技术以CMOS上，其中，所述数据移动能量正比于互相连接的长度和目前表示所消耗的能量展示主要份额。直到最近，传统RSFQ逻辑的固有低开关电源是不堪重负静态的偏置电阻用于在网络中的功率耗散分发所需量的直流偏置电流为RSFQ阈值。在本质上，这架空电力被消耗的所有时间无关的电路工作状态。近期一致各组的努力导致显著减少和甚至彻底消除了静态功耗的SFQ电路[113]。特别是，新的节能RSFQ代（eSFQ和ERSFQ逻辑）为零同时保留所有的优点静态功耗常规RSFQ逻辑。在这些电路中，电阻器被替换超导约瑟夫森结执行电流限制器的作用。迄今为止，一些成ESFQ和ERSFQ集成电路已证实[114，115]（图26）。进一步降低功耗是可能由于能量转化的降低。它表明这个可以由eSFQ电路[114]的优化设计完成。最终，可以使用电路达到下面的热力学极限EBITmin=kBT的Ln2，其中，所述下一代SFQ旋涡湮灭可以避免，SFQ能量作为比EBITmin高得多。超导基于参数quantrons（PQ），磁通量子电路参变（QFP）和nSQUIDs的探索已经实现这一目标。据兰道尔的原则，删除信息耗费的能源也可能是难免，因为这件事等于增加熵由于删除无用信息。在理论上，可逆电路在逻辑和物理上该信息被保存可以运行以甚至低于kBT的LN2每位操作能量。近日，nSQUIDs用于构建这样的可逆电路以每比特动态能量达到低于限制EBITmin[116]。多年来，高端计算的超导技术的前景已经阻碍了超导存储器相对低的容量。最近，新的记忆方法的在磁约瑟夫逊结（MJJs）基础上已经被提出，并且现在被广泛研究。在MJJs，临界电流可以改变并保留两个不同的地区相应的逻辑“0”和'1'根据强磁性层（多个）磁化。使用MJJs存储器电路可以与SFQ电路兼容。这使得一个的存储器和数字电路在相同的芯片制造导致显著处理器的内存架构相关的高端计算的优势[117]。现代数据中心的帐户的冷却基础设施需要平均总功率的25-50％。对于超导体系统，整个超导系统的能量效率是最重要的。提供4K的制冷机的效率达到400W/W的高容量单元（600-900W）相关高端计算系统，如林德LR280采用360W/W效率。未来的低温超级计算机将有一个更小的占位面积比本系统中，作为主运算部将占用一个（或几个，以备不时之需）制冷机（S）。除了在制冷机中，超导系统能量效率取决于最小化能量损失与在输入/输出数据链和电力输送网络热的泄漏。具有较小超导体电子系统实践经验[109]帮助混合温度杂交技术的发展.HT/2系统集成的方式最大限度地接近超导系统能源效率。第一代的高温超导（HTS）电缆的直流偏置电流输送成功地证明，以减少热量RSFQ泄漏电子超导系统。什么是下一个？急切的努力发展是需要的，为充分利用最新进展优势针对高端计算的寻址，使超导技术进入数据中心和超级计算机。第一，也是最要的问题是，目前，超导体集成电路的复杂性相对低，特别是相对于当前的CMOS技术。该可用Nb制造工艺通常限于到1um线宽这只有几个Nb层。它的一个优先发展高产量，高集成度平坦化的制造工艺与线宽90-250纳米，临界电流密度10kA/cm�和8-10个铌层。目前，先进的临界电流密度为100千安/cm-2，或使用不同的结势垒的材料是必要的，以实现自我分流约瑟夫森结，消除区域消费分流电阻器。新发展方向方向是超导，磁性约瑟夫森路口（MJJs）的磁存储器和项目允许的逻辑。这将使新的可编程功能不可用过去超导电子器件。它们是一个三维（3D）集成过程，存储电路在一个单一的过程中，导致在涨幅微处理器性能效率一个激动人心的收获，并启用新的微体系结构高度相关高端数据中心的计算。所有这些都可以实现同时更好地了解超导体材料问题，极大地去除半导体技术和设备。最近,创新节能SFQ数字电路消除了传统的静态功耗RSFQ逻辑是非常有前途的。进一步减少动态功耗可以放大SFQ在电路竞争的优势。下一个合乎逻辑的步骤是实施更多功能显著电路，例如一个微处理器。其中任何新的常见陷阱技术做出更好的版本存在的尝试,这是对现有的旧技术优化的解决方案。所述RSFQ型电路（eSFQ和ERSFQ）是顺序逻辑，他与CMOS组合逻辑不同，CMOS风格的处理器，因此实施微体系结构和算法可能不是最佳的，并会导致技术潜力的利用不足。极高的时钟速率（100千兆赫）实现的RSFQ型电路更适合于微架构与高度矢量化。为了保持传输途径完全畅通，应该有一个快速内存能够供给输入数据，并将结果存储用同样高数据率。这可以通过使用内部灵敏的方式来减轻栅存储器。基于MJJ存储器电路模块及时整合（例如，作为三维结构）可以是一个很好的解决方案。最近，MJJ结果器件的发展应遵循的发展功能快速，节能内存，包括非易失性随机存取存储器（RAM），以兼容高能效（例如，eSFQ）数字电路。综合MJJRAM和JJeSFQ处理模块的过高估量很困难。这也可能导致开发可编程数字逻辑阵列功能类似的半导体的FPGA。此外，该集成SFQ电路和非超导磁RAM器件是吸引力更高容量的存储器，例如主存储器。高能效，高带宽的数据接口，以室温模块和光域是不可避免的在任何高端计算系统。有必要对开发出的技术来转换一个低电压（0.3-1.0毫伏）电数字信号，以在高数据速率的光域。这一直是长期和极其困难问题，削弱了超低功耗的集成电子与传统的电子和光导纤维。为了满足严格受限的功率预算，能源的数据链接在百亿亿次系统的效率必须是对2PJ=位或更小的量级。放大程度在特定的温度阶段（热增益规则）可以是的指导原则，在能源效率优化跨越不同的温度阶段提供数据链路在一个cryosystem[113]。能够发射的低功率信号来对HTS多比特数据电缆从4K的较高温度放大器和电光器件（例如，垂直腔发射激光器，VCSEL的）可以忽略不计损失和分散是必需的。结束语。随着能源成本和技术上升路障，计算系统的能效成为主导地位的指标是口述未来技术的发展过程。超导单磁通量子增强与超导，磁性处理器内存技术能够最终闯入了突出针对高端计算的能源效率系统。刚刚过去的几年中，重要创新超导潜力有着显着增加为解决阻止了所有已知的关键问题，在过去使用超导高端计算上。旨在发展低够资助的项目温足超导计算演示系统，可能超导电性功能出现拐点导致高能效的数据中心和新一代超级计算机。