La lógica superconductora se refiere a una clase de circuitos lógicos o puertas lógicas que utilizan las propiedades únicas de los superconductores , incluidos cables de resistencia cero, interruptores de unión Josephson ultrarrápidos y cuantificación del flujo magnético (fluxoide). A partir de 2023, la computación superconductora es una forma de computación criogénica , ya que los circuitos electrónicos superconductores requieren enfriamiento a temperaturas criogénicas para su funcionamiento, generalmente por debajo de 10 kelvin . A menudo, la computación superconductora se aplica a la computación cuántica , con una aplicación importante conocida como computación cuántica superconductora .
Los circuitos lógicos digitales superconductores utilizan cuantos de flujo único (SFQ), también conocidos como cuantos de flujo magnético , para codificar, procesar y transportar datos. Los circuitos SFQ se componen de uniones Josephson activas y elementos pasivos como inductores, resistencias, transformadores y líneas de transmisión. Mientras que los voltajes y los condensadores son importantes en los circuitos lógicos de semiconductores como CMOS , las corrientes y los inductores son más importantes en los circuitos lógicos SFQ. La alimentación puede ser suministrada mediante corriente continua o corriente alterna , dependiendo de la familia lógica SFQ.
La principal ventaja de la computación superconductora es la mejora de la eficiencia energética con respecto a la tecnología CMOS convencional . Gran parte de la energía consumida y del calor disipado por los procesadores convencionales proviene del movimiento de información entre elementos lógicos en lugar de las operaciones lógicas reales. Debido a que los superconductores tienen resistencia eléctrica cero , se requiere poca energía para mover bits dentro del procesador. Se espera que esto dé como resultado un ahorro en el consumo de energía de un factor de 500 para una computadora a exaescala . [1] A modo de comparación, en 2014 se estimó que una computadora de 1 exa FLOPS construida con lógica CMOS consumiría unos 500 megavatios de energía eléctrica. [2] La lógica superconductora puede ser una opción atractiva para CPU ultrarrápidas, donde los tiempos de conmutación se miden en picosegundos y las frecuencias operativas se acercan a los 770 GHz. [3] [4] Sin embargo, dado que la transferencia de información entre el procesador y el mundo exterior aún disipa energía, la computación superconductora se consideró adecuada para tareas de cálculo intensivo donde los datos permanecen en gran medida en el entorno criogénico, en lugar de big data. Aplicaciones en las que se transmiten grandes cantidades de información desde fuera del procesador. [1]
Dado que la lógica superconductora admite arquitecturas y algoritmos de máquinas digitales estándar, la base de conocimientos existente para la computación CMOS seguirá siendo útil para construir computadoras superconductoras. Sin embargo, dada la reducida disipación de calor, puede permitir innovaciones como el apilamiento tridimensional de componentes. Sin embargo, como requieren inductores , es más difícil reducir su tamaño. En 2014, los dispositivos que utilizaban niobio como material superconductor y funcionaban a 4 K se consideraban de última generación. Los desafíos importantes para este campo fueron la memoria criogénica confiable, así como el paso de la investigación sobre componentes individuales a la integración a gran escala. [1]
El recuento de uniones de Josephson es una medida de la complejidad del dispositivo o circuito superconductor, similar al recuento de transistores utilizado para los circuitos integrados de semiconductores.
La Agencia de Seguridad Nacional de Estados Unidos lleva investigando la informática superconductora desde mediados de los años cincuenta. Sin embargo, el progreso no pudo seguir el ritmo del creciente rendimiento de la tecnología CMOS estándar. En 2016 no existen computadoras superconductoras comerciales, aunque la investigación y el desarrollo continúan. [5]
Las investigaciones realizadas entre mediados de los años cincuenta y principios de los sesenta se centraron en el criotrón inventado por Dudley Allen Buck , pero las temperaturas del helio líquido y el lento tiempo de conmutación entre los estados superconductores y resistivos hicieron que se abandonara esta investigación. En 1962, Brian Josephson estableció la teoría detrás del efecto Josephson y, en unos pocos años, IBM había fabricado la primera unión Josephson. IBM invirtió mucho en esta tecnología desde mediados de la década de 1960 hasta 1983. [6] A mediados de la década de 1970, IBM había construido un dispositivo de interferencia cuántica superconductora utilizando estas uniones, trabajando principalmente con uniones basadas en plomo y luego cambiando a uniones de plomo/niobio. En 1980, IBM anunció la revolución informática de Josephson en la portada de la edición de mayo de Scientific American. Una de las razones que justificaron una inversión de tan gran escala radica en que se esperaba que la ley de Moore -enunciada en 1965- se desacelerara y alcanzara una meseta "pronto". Sin embargo, por un lado, la ley de Moore mantuvo su validez, mientras que los costes de mejorar los dispositivos superconductores recaían básicamente en su totalidad sobre IBM y esta última, por muy grande que fuera, no podía competir con todo el mundo de los semiconductores, que proporcionaban recursos casi ilimitados. [7] Por lo tanto, el programa se cerró en 1983 porque la tecnología no se consideraba competitiva con la tecnología de semiconductores estándar. El Ministerio japonés de Industria y Comercio Internacional financió una investigación sobre superconductores entre 1981 y 1989 que produjo el ETL-JC1, que era una máquina de 4 bits con 1.000 bits de RAM. [5]
En 1983, Bell Labs creó uniones Josephson de niobio/ óxido de aluminio que eran más confiables y fáciles de fabricar. En 1985, investigadores de la Universidad Estatal de Moscú desarrollaron el esquema lógico cuántico de flujo único rápido , que había mejorado la velocidad y la eficiencia energética . Estos avances llevaron al proyecto estadounidense de tecnología híbrida multiproceso, iniciado en 1997, que buscaba superar a los semiconductores convencionales a la escala de computación petaflop. Sin embargo, el proyecto se abandonó en 2000 y en 2008 se construyó la primera computadora petaflop convencional. Después de 2000, la atención se centró en la computación cuántica superconductora . La introducción en 2011 de la lógica cuántica recíproca por parte de Quentin Herr de Northrop Grumman , así como la tecnología cuántica de flujo único rápido y eficiente desde el punto de vista energético de Hypres, se consideraron avances importantes. [5]
El impulso hacia la computación a exaescala que comenzó a mediados de la década de 2010, codificado en la Iniciativa Nacional de Computación Estratégica , fue visto como una apertura para la investigación de la computación superconductora, ya que se esperaba que las computadoras a exaescala basadas en tecnología CMOS requirieran cantidades poco prácticas de energía eléctrica. La Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia , formada en 2006, actualmente coordina los esfuerzos de investigación y desarrollo de la Comunidad de Inteligencia de EE. UU. en computación superconductora. [5]
A pesar de que los nombres de muchas de estas técnicas contienen la palabra "cuántica", no son necesariamente plataformas para la computación cuántica . [ cita necesaria ]
La lógica superconductora cuántica rápida de flujo único (RSFQ) se desarrolló en la Unión Soviética en la década de 1980. [8] La información se transmite por la presencia o ausencia de un cuanto de flujo único (SFQ). Las uniones Josephson están críticamente amortiguadas , generalmente mediante la adición de una resistencia en derivación del tamaño adecuado, para que conmuten sin histéresis. Las señales de sincronización se proporcionan a las puertas lógicas mediante pulsos de voltaje SFQ distribuidos por separado.
La energía es proporcionada por corrientes de polarización distribuidas mediante resistencias que pueden consumir más de 10 veces más energía estática que la energía dinámica utilizada para el cálculo. La simplicidad de usar resistencias para distribuir corrientes puede ser una ventaja en circuitos pequeños y RSFQ continúa usándose para muchas aplicaciones donde la eficiencia energética no es de importancia crítica.
RSFQ se ha utilizado para construir circuitos especializados para aplicaciones numéricamente intensivas de alto rendimiento, como receptores de comunicaciones y procesamiento de señales digitales.
Las uniones Josephson en circuitos RSFQ están polarizadas en paralelo. Por lo tanto, la corriente de polarización total crece linealmente con el recuento de uniones de Josephson. Actualmente, esto presenta la principal limitación en la escala de integración de los circuitos RSFQ, que no excede unas pocas decenas de miles de uniones Josephson por circuito.
Reducir la resistencia (R) utilizada para distribuir corrientes en los circuitos RSFQ tradicionales y agregar un inductor (L) en serie puede reducir la disipación de energía estática y mejorar la eficiencia energética. [9] [10]
Reducir el voltaje de polarización en los circuitos RSFQ tradicionales puede reducir la disipación de energía estática y mejorar la eficiencia energética. [11] [12]
Se desarrolló una lógica cuántica de flujo único rápido y eficiente (ERSFQ) para eliminar las pérdidas de potencia estática del RSFQ mediante la sustitución de resistencias de polarización por conjuntos de inductores y uniones Josephson limitadoras de corriente. [13] [14]
La lógica cuántica de flujo único eficiente (eSFQ) también funciona con corriente continua, pero difiere de ERSFQ en el tamaño del inductor limitador de corriente de polarización y en cómo se regulan las uniones Josephson limitantes. [15]
La lógica cuántica recíproca (RQL) se desarrolló para solucionar algunos de los problemas de la lógica RSFQ. RQL utiliza pares recíprocos de pulsos SFQ para codificar un '1' lógico. Tanto la energía como el reloj son proporcionados por señales de corriente alterna multifásica . Las puertas RQL no utilizan resistencias para distribuir energía y, por lo tanto, disipar una energía estática insignificante. [dieciséis]
Las principales puertas RQL incluyen: AndOr, AnotB, Set/Reset (con lectura no destructiva), que juntas forman un conjunto lógico universal y proporcionan capacidades de memoria. [17]
La lógica del parámetro de flujo cuántico adiabático (AQFP) se desarrolló para un funcionamiento energéticamente eficiente y funciona con corriente alterna. [18] [19]
El 13 de enero de 2021, se anunció que un prototipo de procesador basado en AQFP de 2,5 GHz llamado MANA (Arquitectura de integración adiabática monolítica) había logrado una eficiencia energética 80 veces mayor que la de los procesadores semiconductores tradicionales, incluso teniendo en cuenta la refrigeración. [20]
La computación cuántica superconductora es una implementación prometedora de la tecnología de la información cuántica que involucra electrodos superconductores nanofabricados acoplados a través de uniones Josephson . Como en un electrodo superconductor, la fase y la carga son variables conjugadas . Existen tres familias de qubits superconductores, dependiendo de si la carga, la fase o ninguna de las dos son buenos números cuánticos. Estos se denominan respectivamente qubits de carga , qubits de flujo y qubits híbridos.
El prototipo de 2,5 GHz utiliza 80 veces menos energía que su homólogo semiconductor, incluso teniendo en cuenta la refrigeración... Si bien existen microprocesadores semiconductores adiabáticos, el nuevo prototipo de microprocesador, llamado MANA (Arquitectura de integración adiabática monolítica), es el primer microprocesador superconductor adiabático del mundo. Está compuesto de niobio superconductor y se basa en componentes de hardware llamados parámetros de flujo cuántico adiabático (AQFP). Cada AQFP se compone de unos pocos interruptores de unión Josephson de acción rápida, que requieren muy poca energía para soportar la electrónica superconductora. El microprocesador MANA consta de más de 20.000 uniones Josephson (o más de 10.000 AQFP) en total.