Перспективы сверхпроводящей электроники10.12.2015 15:36

Физик Валерий Рязанов о недостатках полупроводниковой электроники, квантовании магнитного потока и принципах охлаждения компьютеров

Моя тема, моя область исследований — это сверхпроводящая электроника. Она менее известна, чем полупроводниковая электроника, и прежде всего задают вопрос, а чем же плоха полупроводниковая электроника, зачем нужно придумывать какие-то новые. А новых придумано уже много: есть молекулярная электроника, есть пентроника, есть одноэлектроника. Наша электроника — сверхпроводящая.

Какие же проблемы возникают с полупроводниковой электроникой? Почему физики из разных областей пытаются придумать что-то новое? Есть два предела, которые полупроводниковая электроника уже достигла. Во-первых, это фактически невозможность дальнейшего уменьшения элементов, то есть увеличения интеграции этих полупроводниковых структур, которые, как каждый из нас по крайней мере знает, присутствуют в каждом компьютере, телевизоре и так далее. Во-вторых, это очень значительное тепловыделение, происходящее в этих элементах. Собственно, эти две проблемы связаны отчасти потому, что нельзя далее уменьшать элементы, так как они уже друг друга сильно греют. А кроме того, дальнейшее уменьшение полупроводниковой электроники приводит к тому, что наряду с теми классическими явлениями, на которых она основана, появляются уже квантовые эффекты, и они мешают тому обычному функционированию.

До какого-то времени казалось, что нет проблем, какая разница, что там потребляет наш телевизор или компьютер. Например, еще одно, чем мы все пользуемся, — это дата-центры. Каждая большая интернет-система, например Google, «Яндекс» и так далее, имеет огромные дата-центры, куда мы, обращаясь в интернете к своей почте и так далее, сбрасываем очень много своих данных. Это мегаватты, гигаватты, если говорить о целом дата-центре. Вплоть до того, что одна из последних компаний свой дата-центр вынесла в Швецию, за полярный круг, для того чтобы не охлаждать дополнительно все свои компьютеры, чтобы сама природа, сама температура в районе нуля градусов по Кельвину помогала не тратить дополнительную энергию.

Собственно, теперь ближе к нашей электронике, сверхпроводящей. Само слово «сверхпроводимость» говорит о том, что ток в сверхпроводящих элементах течет без сопротивления, и вопрос о тепловыделении, потреблении энергии тут, конечно, значительно проще решить.

Что такое бинарная, обычная цифровая электроника? Это фактически закодированный набор нулей и единиц (нуль, скажем, значит «выключено», один — «включено»). То есть нужны переключатели, энергия потребляется при каждом переключении из нуля в единицу. Это тот минимальный расход энергии, который умножается во много раз для совершения любой операции, и таким образом определяет это потребление энергии. Рассчитан некий теоретический предел для такого переключения — где-то порядка 10–21 Дж. Сверхпроводящая электроника обеспечивает 10–19 Дж на одно переключение, то есть всего на 2 порядка, в 100 раз выше, чем этот теоретический предел. Если говорить о полупроводниковой электронике, то обычная электроника, основанная на полевых транзисторах, которые все сейчас используют, так называемая CMOS-логика, на одно переключение использует на 5 порядков, то есть в 100 000 раз, больше энергии, чем в сверхпроводящей электронике.

Самое простое, конечно, если в сверхпроводящей электронике сделать некий сверхпроводящий элемент, который в состоянии «нуль» находится в сверхпроводящем состоянии, то есть без сопротивления, а в состоянии «единица» происходит переключение в состояние резистивное, где есть какое-то сопротивление. И такие переключатели существуют. В 1983 году IBM пыталась сделать компьютеры на таком принципе. Сейчас придумана, и мы этим занимаемся, гораздо более изящная сверхпроводящая электроника — это так называемая одноквантовая логика, или по-английски Rapid Single Flux Quantum, которая оперирует не переключениями, а манипулированием квантами магнитного потока.

Здесь, наверное, надо остановиться и сказать, что это уже квантовая механика — не бог весть какая для тех, кто ее изучает, но уже квантовая. В квантовой механике существует дуализм «частица — волна», каждый школьник, наверное, это знает. Здесь уже надо говорить о волне. Если представить некое колечко сверхпроводника, то можно считать, что, когда ток течет по колечку, у вас движутся такие одиночные электроны. А можно представить, что это волна с периодом, с фазой, и о волне уже нельзя сказать, находится она в этой точке кольца или в другой. То есть она должна быть однозначно при обходе по этому кольцу. Это означает, что на длине этого кольца должно быть целое число длин волн этой волны. Это обязательство иметь целое число длин волн (то есть увеличить можно, только добавив еще одну волну) приводит к квантованию. Не только в нашем случае, но в нашем случае это особо интересно.

Сверхпроводимость — макроскопическое квантовое явление. Там все электроны в довольно больших кусках сверхпроводника описываются единой волной, поэтому даже если вы сделаете сантиметровое колечко, то в нем тоже возникнет квантование. Нас интересует квантование магнитного потока (поле, умноженное на площадь кольца, — это магнитный поток). Таких магнитных потоков в этом кольце должно быть целое число. Это очень удобное свойство: если сделать кольцо не очень массивным, потому что в массивном кольце поток будет сохраняться и не меняться, а нам нужно еще устроить некие слабые звенья в этом колечке, через которые этот поток будет проникать, «пробулькивать» этими квантами магнитного потока, то теперь, если эти колечки представить в виде некой лестницы, представить, что это «квадратные колечки», которые связаны в некую цепь, можно этот квантовый поток передавать из ячейки в ячейку, создавать логические структуры. И они созданы.

Впервые о такой электронике заговорили в 80-х годах, и заговорили у нас. В Советском Союзе это был Московский университет, физический факультет и профессор Лихарев, который, к сожалению, уехал в Америку и там, в Университете Стоуни-Брук, продолжал исследования. В России тоже осталось несколько групп, которые этим занимаются, и, собственно, все вместе это уже мировое комьюнити не потеряно, все решают проблемы, которые есть у этой электроники.

Но сначала я скажу о преимуществах, а потом о проблемах. Преимущество — то, что, во-первых, она очень низко, как говорят, диссипативная, то есть потребляет мало энергии. Она очень быстрая. Фактически такой стандартный сверхпроводящий элемент ниобий, который приходит в сверхпроводящее состояние ниже 9 градусов Кельвина, на нем можно организовывать электронику с тактовой частотой в сотни гигагерц. Если вы смотрите на переднюю панель своего компьютера, то самые лучшие компьютеры — это единицы гигагерц (гига — это 109 герц). Таким образом, можно значительно увеличить тактовую частоту, то есть производительность компьютера, что фактически уже невозможно в обычной полупроводниковой логике. Это всё — преимущества, и поэтому сверхпроводящая электроника привлекает большое внимание. В 2012 году была объявлена программа по реализации сверхпроводящего квантового компьютера. Там две проблемы: достаточно небольшой процессор и память, которая соответствует этой электронике.

Вот, собственно, чем занимаемся мы в наших институтах. Основное мое место работы — лаборатория, которая находится в Черноголовке, в Институте физики твердого тела РАН. Я также веду проект в МИСиС. Все вместе мы решаем проблемы той электроники, о которой я сказал, — цифровой сверхпроводящей электроники, сверхбыстрой, сверхэнергоэффективной. Кроме того, также занимаемся и квантовой электроникой, сверхпроводящими кубитами, которые основа будущего квантового компьютера.

Валерий Рязанов