ЭКОНОМИЧНАЯ «СВЕРХПАМЯТЬ» ДЛЯ СУПЕРКОМПЬЮТЕРОВ
В ближайшее десятилетие может быть сконструирован суперкомпьютер нового типа — сверхпроводниковый. Внешне он вряд ли будет отличаться от действующих сегодня моделей, однако при выросшей в тысячи раз производительности потребление энергии останется в разумных, по нынешним меркам, пределах, не увеличатся и размеры охлаждающей установки.
Специалисты признают, что эффективность ЭВМ на существующих полупроводниковых технологиях достигла потолка из-за энергетических ограничений: чтобы запустить машину, превосходящую современные аналоги, потребуется подвести к ней гигаватты электрической мощности. Это сравнимо с показателями работы блока современной АЭС, а потому запредельно дорого. Выход один: в современной электронике необходимо найти новые подходы.
Одна из перспективных альтернатив — использование сверхпроводниковых устройств. Сигналы в схемах сверхпроводниковой электроники могут передаваться практически без потерь, что выгодно отличает эту технологию от полупроводниковых конкурентов. Но чтобы из экспериментальных прототипов компьютеры на основе сверхпроводников превратились в серийные образцы, их нужно избавить от существенного недостатка — малых объемов памяти. Пока они не превышают нескольких килобайт, а ведь даже обычная флешка вмещает до десятков и даже сотен гигабайт. Специалисты ищут возможность «построить» для сверхпроводниковых компьютеров
принципиально новые ячейки памяти. В частности, с использованием магнитных материалов, позволяющих хранить информацию долгое время и вообще не требующих для этого вложения энергии.
Группа ученых Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына (НИИЯФ) МГУ им. М.В. Ломоносова предлагает при «строительстве» ячеек памяти применить так называемое гибридное решение. О его сути в интервью корреспонденту газеты «Поиск» Юрию Дризе рассказал старший научный сотрудник лаборатории физики наноструктур кандидат физико-математических наук Игорь Соловьев.
— Мы стремимся использовать преимущества магнитных материалов, обладающих способностью «запоминать» свое состояние, и достоинства сверхпроводимости — высокие, более 100 ГГц, характерные частоты и малое, менее 1 мкВт, энергопотребление логических цепей. Емкость памяти увеличится, но она станет очень компактной. Ее объемы сравнятся с показателями лучших современных компьютеров или даже превзойдут их. На такую память можно будет положиться. При этом быстродействие машин в ближайшей перспективе увеличится на три порядка, а в более отдаленной — даже на шесть.
По словам Соловьева, новые ЭВМ будут решать те же особо сложные задачи, требующие обработки колоссального объема данных, что и ныне действующие суперкомпьютеры, но на более высоком уровне. Например, анализ изменений поведения атмосферы для
Многокамерная установка для изготовления наноструктур Нанофаб-100, расположенная в чистой комнате центра коллективного пользования «Синхротрон» НИИ физических проблем им. Ф. В. Лукина.
составления долгосрочных прогнозов погоды или геномные исследования в биологии. В медицине — моделирование динамики распространения различных вирусов и их мутаций, произошедших на протяжении веков. Сверхпроводниковый компьютер обобщит информацию об эволюции тяжелых заболеваний, скажем, туберкулеза или рака, за все время, что медики с ними борются. И как знать, возможно, обработанные машиной данные подскажут новые способы лечения.
Как же предполагается добиться необыкновенных качеств нового устройства?
— Прорыву в этой области мы обязаны возможностью работать с конкурирующими явлениями — магнетизмом и сверхпроводимостью, — отметил Соловьев.— Раньше это сделать было невозможно, поскольку магнитные материалы буквально убивали сверхпроводимость. Но в последние годы удалось создать тончайшие магнитные пленки, не уничтожающие эффекты сверхпроводников, а лишь специфическим образом на них влияющие. Объединением в одной наноструктуре сверхпроводящих пленок с пленками магнитных материалов достигается необыкновенный эффект. В частности, емкость памяти может увеличиться в миллионы раз. Таковы возможности самой передовой на сегодняшний день технологии.
Ее появление связано с работами научной группы Института физики твердого тела РАН (Черноголовка, Московская область), возглавляемой доктором физико-математических наук Валерием Рязановым. В 2001 г. ими впервые в мире была получена гибридная нано-
структура, состоящая из сверхпроводников и ферромагнетиков, о чем сообщил журнал «Nature». Но понимание того, как использовать достижение, пришло не сразу, к тому же в нашей стране эти годы были тяжелыми для науки. Достаточно быстро новую технологию начали осваивать в США и Японии, в первую очередь благодаря государственным программам финансирования. В России же исследования велись фактически по личной инициативе разработчиков, а потому масштабные эксперименты были недоступны. Помимо Института физики твердого тела РАН и Института ядерной физики им. Д. В. Скобельцына этой тематикой активно занимаются специалисты под руководством доктора физико-математических наук Ленара Тагирова в Казанском (Приволжском) федеральном университете, получившем отличное технологическое оборудование. Сегодня ситуация стала меняться к лучшему — выделяются деньги на исследования и опыты. Но в отличие, скажем, от США у нас в стране нет специальной государственной программы финансирования этих работ, рассчитанной на несколько лет.
Данный вопрос обсуждался на семинаре «Новые решения для энергоэффективных высокопроизводительных вычислительных систем», проведенном Фондом перспективных исследований в августе 2014 г. Доклад о развитии сверхпроводниковой электроники для приемно-преобразовательных и вычислительных систем представил директор НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, кандидат физико-математи-
Камера магнетронного распыления многокамерной установки для нанесения ультратонких пленок металлов Казанского (Приволжского) федерального университета (а); внутренняя часть с магнетронами (Ь), горение плазмы смеси аргон-азот над магнетроном (с).
ческих наук Александр Гудков. По итогам встречи было заявлено, что Фонд перспективных исследований с 2015 г. начнет реализацию проекта по созданию российского сверхвысокопроизводительного суперкомпьютера, работающего на новых физических принципах.
— Заведующий нашей лабораторией доктор физико-математических наук Михаил Куприянов занимается изучением гибридных структур (сверхпроводниковых и магнитных материалов) уже много лет и именно он — идейный вдохновитель группы, — подчеркнул Соловьев. — Вместе с кандидатом физико-математических наук Николаем Кленовым, доцентом физического факультета МГУ, уже около семи лет мы ведем совместные теоретические исследования. Только основательный теоретический фундамент позволит реально продвинуться вперед. В частности, научиться экспериментально получать базовую составляющую перспективных элементов памяти — композитную тонкопленочную наноструктуру, состоящую из нескольких слоев различных металлов и диэлектриков. Толщина ее — несколько нанометров. Понятно, что работать с ней можно только с помощью специальной техники, в том числе электронного микроскопа, дающего возможность исследовать материал на уровне атомов.
Правда, технологические трудности пока не позволяют формировать очень сложные «сэндвичи», состоящие из почти десятка сверхтонких слоев, как это удалось специалистам одной из американских ком-
паний. Но благодаря тщательному теоретическому анализу, правильно подобрав материалы более простой (пятислойной) структуры, ученые планируют получить элементы, превосходящие по быстродействию мировые аналоги. Если удастся добиться еще и устойчивости к ошибкам, тогда появится возможность создать сверхпроводящую энергоэффективную плотную магнитную память с произвольным доступом. Над этим сейчас работают сотрудники лаборатории.
Композитные материалы найдут и другие применения. Традиционно на основе сверхпроводниковых технологий получают высокочувствительные сенсоры. Их используют при создании томографов нового поколения, микроскопов, магнетометров и других точных инструментов, необходимых для изучения тончайших материй. Эта техника подтолкнет исследования в самых разных научных областях, в первую очередь в нанотехнологиях, а также в медицине и биологии.
Дризе Ю. Будут помнить. Возможности суперкомпьютеров вырастут на порядки. — Газета «Поиск», 2014, № 33-34
Фото предоставлены И.Соловьевым
Материал подготовил Сергей МАКАРОВ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.