Поскольку закон мура не работает, и масштабы чипа с высокопроизводительными вычислительными чипами расширяются еще больше, огромные потери энергии в центрах обработки данных стали проблемой, с которой мы должны столкнуться. Согласно прогнозам SIA в 2015 году, запасы энергии для глобальных вычислительных ресурсов к 2040 году перестанут быть устойчивыми, а сегодня спрос на вычислительные ресурсы растет еще больше с появлением искусственного интеллекта. Возьмем, к примеру, вычислительные ресурсы, используемые для обучения больших моделей ии, скорость удвоения которых удваивается каждые шесть месяцев, уже значительно выше, чем скорость формирования кластеров с использованием сверхвысокой производительности. Не нужно ждать до 2040 года, когда ресурсы, необходимые для подготовки одной большой модели к 2030 году, превысят суммарную суммарную силу всех сверхрасчётных сумм TOP500, а необходимые для этого ресурсы также достигнут национального уровня. От решения проблемы устойчивости энергоносителей нет спасения, но до тех пор, пока мы не замедлим развитие или не свергнем расчеты, будет трудно достичь этой цели. Замедление темпов развития естественно нежелательно для искусственного интеллекта, который еще не достиг зрелой и полностью прибыльной бизнес-модели. Таким образом, остается только Один путь для подрыва вычислений, в то время как сверхпроводочные вычисления, значительно сократившие потребление энергии, естественно, становятся центральным направлением большинства исследований. Значительно сократив энергопотребление, максимальные расходы стали охлаждаться в 2020 году, группа исследователей в японском национальном университете иокогамы продемонстрировала суперпроводный процессор и успешно провела струйку. Процессор использует в основном архитектуру узлов джозефсона, классическую трёхслойную архитектуру сверхпроводника и базовый элемент, заменяющий транзистор в суперпроводной логической единицы. Из-за своих уникальных физических характеристик устройство работает только с 10-21J, что приводит к значительному снижению динамических энергозатрат по сравнению с традиционными CMOS-приборами, в то время как в суперпроводниках нет сопротивления, статическое потребление энергии стремится к нулю. Появление сверхпроводника обеспечивает наибольшую вероятность снижения энергопотребления, поскольку он не потребляет энергию при прохождении тока. Ни одна из самых больших расходов на энергоносители не требует электроснабжения в охлаждающих программах, которые должны работать при низких температурах, таких как блок обработки сверхпроводящих чипов, которые часто требуют низкой температуры охлаждения до 4к. Но даже в этом случае, взаимосвязь практически нулевого сопротивления, основанная на цифровой логике, основанной на сверхкоротких импульсах, дает достаточно преимущества для крупномасштабного расширения современных вычислительных ресурсов. Кроме того, по мере увеличения размера вычислительных ресурсов, маргиальные издержки на программы охлаждения также будут меньше, и согласно исследованиям imec, суперуправляемые компьютеры будут экономить энергию по сравнению с традиционными компьютерах, как только достигнут десятки петафлоп, что, согласно данным imec, уже можно сделать с помощью сверх-расчетных расчетов, составляющих топ — 30 из топс 500. В то время как Imec недавно выпустила свои суперпроводниковые вычислительные единицы, созданные по технологии CMOS, которые будут в 100 раз эффективнее, чем современные чипы с наиболее эффективными процессорами, могут даже поместить вычислительный ресурс на уровне центра данных в систему размером с обувную коробку. Метод вывода сверхпроводящего из лаборатории — совместимый с существующими технологиями производства CMOS, которые, несмотря на то, что сверхпроводящий может снизить потребление энергии и повысить плотность вычислений, для большинства исследований, проводимых в настоящее время, остается только на лабораторных этапах, и практически невозможно осуществить массовое производство. Например, на основе сверхпроводного процессора национального университета иокогамы, о котором говорилось выше, этот материал хорошо работает в предсказуемой лабораторной среде, однако его использование в процессе производства проблематично. Ниобий чувствителен к традиционной полупроводниковой температуре и окружающим материалам, поскольку при нагреве он теряет сверхпроводность, что несовместимо со стандартным технологическим процессом CMOS. В связи с этим imec заменил ниобий на основной сверхпроводящий материал. Нитронистый Титан может выдержать температуру, используемую в технологическом производстве CMOS, и реагирует меньше на окружающие слои. imec также выбрал новый материал для барьера барьера в узле джозефсона — аморфный кремний. Традиционные материалы, такие как окись алюминия, могут расти в контролируемых условиях, но для того, чтобы достичь плотности значительно выше, чем технологические чипы CMOS, их толщина должна быть еще более сжата, и такие тонкие окиси окиси уже не могут быть произведены. Появление аморфного кремния позволяет использовать более толстые барьеры барьеров для достижения критических размеров, таких как 210nm. На уровне схем, также необходимо перепроектировать логику и структуру памяти. Imec разработал новую логическую архитектуру под названием «логика сохранения импульсов», которая сохраняет одинаковое количество входов и выходов, а общее число SFQ (квант одного потока) остается неизменным. При помощи комбинаций различных узлов джозефсона и конденсаторов SFQ будет направляться на различные выходные данные, что создаст нашу общую логику или и. В дизайне Imec SRAM также был разработан на основе переработки узлов джозефсона, однако DRAM использует традиционные кремниевые технологии, но также необходимо снизить температуру тела с комнатной до 77K для повышения эффективности. Центры данных размером с обувные коробки также нуждаются в 3D-компоновке на цифровых чипах, созданных на основе технологии CMOS, и по мере того, как сужение транзисторов становится все сложнее, мы начали активно использовать технологию 3D-складки для улучшения производительности. Но из-за сверхбольшой мощности и тепла внутри чипа, программы композиции постепенно столкнулись с еще большими проблемами, и то, как правильно сделать рассеивание тепла, стало главной проблемой, которую необходимо решить большинством 3D-программ. Для разработки чипов, основанных на сверхпроводниках, также можно использовать 3D-компоновку для достижения более высокой плотности. В сочетании с передовыми технологиями инкапсуляции, такими как кремниевые посреднические слои и стеклянные пластины, суперпроводные процессоры складываются вместе с встроенными суперпроводами SRAM и DRAM. Большая часть чипа будет погружена в жидкий азот и охлаждена до 4к. В симуляторах imec они собрали 100 суперпроводниковых пластин, которые оставили очень маленькое пространство в середине, и вся система была размером с 20x20x12 см, приблизительно с обувной коробкой. Но именно такая система, размером с обувную коробку, с общим энергопотреблением в 500 КВТ, может обеспечить вычислительную силу почти 20exaflops (BF16). И это всего лишь первый набор программ в дорожной карте Imec, в последующих продуктах, которые еще больше уменьшают размеры узлов джозефсона и взаимосвязей. В будущем, увеличивая плотность чипа, число чипов будет уменьшаться вместе с ним, увеличивая производительность и снижая технологическую сложность и стоимость. Написанное в конце, несмотря на то, что сверхпроводные вычисления позволяют нам видеть жизнеспособные технические пути, даже imec не считает, что технологии сверхпроводника заменят традиционные вычисления CMOS в качестве дополнения к конкретному применению. Основные сценарии применения этой технологии также предоставляются в больших центрах обработки данных, где искусственный интеллект и машиностроение обучаются обучению на основе облаков, поскольку только в таких условиях могут быть созданы технологии охлаждения, необходимые для достижения сверхпроводника. Традиционная технология CMOS кремния по-прежнему не может быть заменена в сфере потребительской электроники. Стоит отметить, что эта технология также может быть легко интегрирована с технологией сверхпроводника квантового бита, основанной на технологии производства CMOS, которая является, так сказать, идеальным сочетанием электронных вычислений с квантовыми вычислениями. Но даже после того, как мы завершили разработку базовых материалов, а также архитектурных конструкций, были разработаны схемы для разработки кольца, которое в настоящее время не было завершено, и потребовало, чтобы производители EDA разработали для него специальные инструменты процесса.

350042-09-01