![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Создание систем обработки больших объемов данных и искусственного интеллекта следующих поколений требует исследования путей перехода к новым материалам и способам конструирования. Данная задача, сформулированная в НТР РФ, обусловлена как невозможностью дальнейшего долговременного прогресса вычислительных устройств на традиционном пути масштабирования кремниевых транзисторов, так и новыми возможностями, открывающимися в решении некоторых классов задач с применением устройств на базе не фон неймановской архитектуры, таких как нейроморфные процессоры и квантовые компьютеры. В данных устройствах использование стандартной компонентной базы часто оказывается неоптимальным или невозможным. Увеличение производительности и энергоэффективности вычислительных устройств может быть получено на предлагаемом в данном проекте пути использования сверхпроводящих материалов и новых физических принципов, позволяющих реализовать энергоэффективные вычисления при высоком быстродействии. Ключевой задачей проекта является решение основной проблемы сверхпроводниковых электронных цепей – низкой степени интеграции. Новизной подхода будет являться изначальный ориентир на конструирование схем на базе наноразмерных джозефсоновских контактов и минимизация размеров активных компонент логических устройств за счет создания компактных «безындуктивных» схем. Разработанная компонентная база будет применена как для создания компонент логических устройств, включая и устройства новой «фазовой» логики, так и устройств нейроморфной обработки информации и интерфейсов к квантовым сверхпроводящим цепям. Выполнение данного проекта обеспечит базу для создания полноценной цифровой посткремниевой технологии и обеспечит сохранение имеющегося приоритета РФ в этой динамично развивающейся области.
The development of artificial intelligence and big data processing systems requires the research and application of new materials and design methods. This is formulated in the NTR of the Russian Federation. This problem arises due both to the Заявка № 20-12-00130 Страница 2 из 81 impossibility of further long-term progress of computing devices on the traditional way of silicon transistors scaling and to new opportunities that open up in solving some classes of problems using devices based on non-Neumann architecture, such as neuromorphic processors and quantum computers. The use of a standard component base is often not optimal or impossible in these devices. An increase in the performance and energy-efficiency of computing devices can be obtained by the use of superconducting materials and new physical principles proposed in this project, which makes it possible to implement energy-efficient calculations with high speed. The key objective of the project is to solve the main problem of superconducting electronic circuits - a low integration density. The novelty of the approach is the focus on the circuits design based on nanoscale Josephson junctions and minimizing the size of the active components of logic devices by creating compact "inductanceless" circuits. The developed component base will be used both for the synthesis of components of logical devices, including devices of a new superconducting “phase” logic, as well as devices for neuromorphic information processing and interfaces to quantum superconducting circuits. The implementation of this project will provide the basis for the development of a digital post-silicon technology and will ensure the preservation of the existing priority of the Russian Federation in this dynamically developing field.
В ходе проекта планируется поэтапная разработка основ пост-кремниевой сверхпроводниковой технологии для создания высокопроизводительных энергоэффективных систем обработки данных. Полученные результаты будут включать в себя схемотехнические решения для реализации компактных, в том числе «безындуктивных», логических схем, нейроморфных цепей и интерфейсов к сверхпроводниковым квантовым схемам. Будут разработаны алгоритмы и специальные программы моделирования и проектирования сверхпроводниковых цепей, предложены и отработаны методики их тестирования, разработаны технологические карты их изготовления на базе наноразмерных джозефсоновских контактов. На конечном этапе проекта будут изготовлены и протестированы компоненты «безындуктивных» схем, выполняющих логические операции, прототипа нейросети типа персептрон, а также схемы контроля регистра сверхпроводящих потоковых кубитов. Планируемые работы находятся на переднем крае исследований в обозначенной области и в части использования наноразмерных джозефсоновских контактов в качестве элементной базы будут, по сути, определять мировой уровень знаний. Практические шаги по применению результатов проекта создадут основу для существенного прогресса как в области систем классической обработки больших объемов данных, так и в области квантовых компьютеров и технологий искусственного интеллекта. Полученные результаты могут быть применены для разработки систем автоматизированного проектирования сверхпроводниковых интегральных схем и их стандартизированного изготовления по отработанным технологическим маршрутам. В дальнейшем это позволит перейти к промышленному производству широкого спектра устройств сверхпроводниковой электроники для областей высокоэффективной обработки данных, приема и обработки радиосигналов, радиоастрономии, метрологии и других, что откроет дорогу для коммерциализации целого ряда существующих наработок в области слаботочной прикладной сверхпроводимости.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 20 мая 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Пост-кремниевая сверхпроводниковая электроника на базе наноразмерных джозефсоновских контактов для систем обработки больших объемов данных |
Результаты этапа: 1. Разработано математическое описание токового транспорта в наноразмерных SN-N-NS джозефсоновских контактах в пределе малых расстояний между SN электродами при произвольной прозрачности SN границ. Сформулировали условия, позволяющие пренебречь эффектами распаривания в электродах, рассчитаны достижимые величины критического тока Ic, нормального сопротивления Rn и проведена оценка их возможного технологического разброса. 2. Разработана методология проектирования базовых схем фазовой логики и их модернизированных версий с использованием магнитных контактов с различным видом ток-фазовой зависимости. Осуществлен синтез ячейки D триггера фазовой логики (триггера задержки) на базе различных бистабильных джозефсоновских переходов: 0-пи переходов, фи-переходов и 2фи-переходов, а также на базе только 0- и пи-переходов. Рассчитаны оптимальные значения параметров триггера для работы в его основном режиме разрушающего считывания и для опционально доступного режима неразрушающего считывания, на базе различных бистабильных джозефсоновских переходов. 3. Проведено моделирование «безындуктивных» линий передачи данных, в которых индуктивность ячейки была заменена на джозефсоновский переход. Проведена оптимизация распространения элементарного возмущения – одноквантового импульса напряжения - по линии передачи для различной дискретности линии, параметров демпфирования джозефсоновских переходов, их критических токов и тока питания. Показано существование оптимальных значений параметров линий для максимально быстрого и энергоэффективного распространения передаваемого одноквантового импульса напряжения. 4. Разработана схема нейрона для сети типа персептрон (Сигма-нейрон), которая является самостоятельной базовой единицей, вычисляющей сигмоидальную функцию активации без привлечения дополнительных устройств за один тактовый импульс. Найдена область параметров и определены значения индуктивностей нейрона, при которых достигается минимальное отклонение передаточной характеристики сверхпроводникового нейрона от математической сигмоиды. Проведен динамический анализ Сигма-нейрона. Доказано, что при продолжительном внешнем воздействии режим функционирования нейрона становится адиабатическим, позволяя снизить уровень выделяемой энергии. 5. Показано что синапс для сверхпроводниковой нейросети может быть создан на основе сверхпроводящего квантового интерферометра, содержащего два магнитных джозефсоновских контакта, шунтированного индуктивностью. Определены параметры системы, для которых при изменениях нормированного магнитного потока на входе в диапазоне ~ (–pi; +pi) передаточная характеристика синапса сохраняет высокую степень линейности (амплитуда основной гармоники отклика на гармоническое воздействие на два порядка превышает наибольшую «паразитную»). 6. Разработаны методики создания в активных джозефсоновских средах униполярного импульса магнитного поля с заданной формой, амплитудой и пикосекундной длительностью для выполнения одно- и двухкубитных операций. Промоделирована схема передачи импульса по структуре JTL – PTL – JTL – Ctrl, где Ctrl — схема управления кубитом, а JTL и PTL – джозефсоновская и пассивная передающие линии. Установлено, что существует набор параметров JTL и PTL, при которых флаксон, пройдя по PTL, сохраняет свою форму. Показано, что модификация исследуемой передающей линии, включающая в себя кубитную зону с подключенной к ней индуктивностью L, может быть использована для получения импульсов заданной формы и длительности. Показано что для управления амплитудой импульса можно использовать адиабатический квантовый параметрон АКП, подсоединенный к индуктивности L магнитной связью. Это позволяет создавать последовательности из двух пикосекундных импульсов магнитного потока с заданными амплитудами, длительностями и взаимной задержкой, что является достаточным для эффективного управления простейшим двухкубитным квантовым регистром. 7. В рамках квазиклассических уравнений Узаделя исследованы триплетные электронные состояния в гибридных структурах из сверхпроводников, нормальных металлов со значительным спин-орбитальным взаимодействием и ферромагнетиков. Численными методами исследовано влияние спин-орбитального взаимодействия типа Рашбы в металлической прослойке на проникновение сверхпроводящих корреляций в ферромагнитную область. Доказано отсутствие формирования «длинных» триплетных компонент, увеличивающих длину проникания сверхпроводящих корреляций вглубь ферромагнетика. Установлено, что в джозефсоновских SNFS структурах поворот намагниченности приводит к изменению критического тока, модуль которого уменьшается при намагниченности направленной в плоскости спин-орбитального взаимодействия. Этот эффект может быть использован для создания спиновых вентилей на основе джозефсоновских контактов с единственным магнитным слоем. 8. Разработан общий подход для реализации в многослойных микроструктурах, содержащих сверхпроводящие, изолирующие и ферромагнитные слои, беспрецедентно сильных параметров связи фотонных и магнонных подсистем. Микроскопический механизм взаимодействия фононов с магнонами в исследуемых системах свидетельствует о формировании важной для джозефсоновских структур дальнодействующей сверхпроводящей когерентности через толстые сильные ферромагнитные слои. Эта когерентность проявляется в когерентном сверхпроводящем экранировании микроволновых полей тремя слоями сверхпроводник / ферромагнетик / сверхпроводник при наличии прецессии намагниченности. Это открытие дает новые возможности в сверхпроводящей микроволновой спинтронике и для квантовых технологий. 9. Для экспериментального исследования возможности управления кубитом посредством одиночных квантов магнитного потока спроектирован фотошаблон кубита типа трансмон со считывающим резонатором, линией управления высокочастотным сигналом и линией управления кубитом по магнитному потоку. Синтезирована его эквивалентная схема и рассчитаны величины собственных и взаимных емкостей, собственных и взаимных индуктивностей с использованием развитых алгоритмов экстракции индуктивных параметров из шаблона. Вычислены значения элементов емкостной и индуктивной матриц и показано, что в контур кубита будет попадать порядка 10^(-4) кванта магнитного потока, что может быть надежно детектировано по сдвигу резонансной частоты. | ||
2 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Пост-кремниевая сверхпроводниковая электроника на базе наноразмерных джозефсоновских контактов для систем обработки больших объемов данных |
Результаты этапа: | ||
3 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Пост-кремниевая сверхпроводниковая электроника на базе наноразмерных джозефсоновских контактов для систем обработки больших объемов данных |
Результаты этапа: 1. Разработаны методы управления критическим током наноразмерных джозефсоновских контактов. Разработано описание токового транспорта в SF-F-FS джозефсоновских структурах в двумерной модели, учитывающей процессы в S электродах. 2. Синтезированы схема усиления и схема аналого-цифрового преобразования микроволнового сигнала на основе библиотеки элементов фазовой логики. Произведено имитационное моделирование усиления и оцифровки сигнала. 3. Разработана архитектура сверхпроводниковой импульсной нейронной сети. Разработаны схемы тактирования и питания нейросети. Проведено моделирование передачи сигнала между слоями нейронов. Разработаны интерфейсные схемы задания и считывания сигнала. 4. Разработан алгоритм оптимизации последовательностей одноквантовых импульсов, используемых для управления кубитом, в целях минимизации длительности и ошибки при реализации однокубитных операций. Произведено моделирование эволюции состояния кубита в процессе однокубитной операции и рассчитана точность операции. Проведен анализ возможности реализации двухкубитных операций с помощью последовательностей одноквантовых импульсов, задаваемых цифровыми схемами. 5. Рассчитаны параметры многослойных трехмерных структур и подготовлены программные средств для их геометрического моделирования. Предложена методика адаптации существующих программных средств для экстракции индуктивностей. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментом. 6. Исследованы ток-фазовые зависимости в джозефсоновских структурах из сверхпроводников, тяжелых металлов со значительным спин-орбитальным взаимодействием и ферромагнетиков. Изучены возможности реализации доминирования второй гармоники ток-фазовой зависимости в структурах с единственным генератором триплета. 7. Проведено экспериментальное исследование джозефсоновских свойств структур с тяжелыми металлами (Pt, Pd) и ферромагнетиками (Co, CuNi, Py, Fe) в области слабой связи. Определены параметры и режимы работы, подходящие для их функционирования в устройствах фазовой логики и нейроморфных схемах. Проведено экспериментальное исследование режима управления кубитом посредством одиночного флаксона. | ||
4 | 15 мая 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Пост-кремниевая сверхпроводниковая электроника на базе наноразмерных джозефсоновских контактов для систем обработки больших объемов данных |
Результаты этапа: 1. Получены и проанализированы семейства ток-фазовых зависимостей J(φ), где φ -- разность фаз параметров порядка в электродах, самосогласованно рассчитываемая в глубине NS структуры, в сечении, в плоскости которого восстановилось однородное по пространственным координатам распределение транспортного тока. Рассчитаны зависимости критического тока от геометрических параметров структуры, температуры, величины параметра подавления на SN-границах. Разработаны рекомендации для создания технологии воспроизводимых, компактных и быстродействующих джозефсоновских контактов на основе SN-N-NS мостиков переменной толщины. 2. Рассчитан критический ток джозефсоновских SIsNF спиновых вентилей со спин-орбитальным рассеянием электронов типа Рашбы и Дрессельхауса в N слое. Получены и проанализированы семейства зависимостей критического тока таких структур от направления вектора намагниченности ферромагнитной пленки, лежащего в плоскости монодоменного F-слоя. Показано, что спиновый SIsNSOF клапан, предложенный в данном проекте, является устройством, которое плавно регулирует величину протекающего через него сверхтока посредством изменения направление вектора намагниченности в F-слое. Эта выгодная особенность отличает предлагаемое техническое решение от ранее исследованных аналогов, которые демонстрировали ступенчатое изменение характеристик при переключении только между двумя стабильными состояниями, соответствующими параллельной или антипараллельной ориентации векторов намагниченности ферромагнитных материалов, используемых в клапанах. 3. Разработаны и апробированы схемы трех ключевых компонент (нейронов на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров, аксонов на основе джозефсоновских передающих линий, синапсов на основе модифицированных фильтров) для био-подобных сверхпроводниковых нейросетей с использованием наноразмерных джозефсоновских гетероструктур. Разработан метод повышения помехоустойчивости и надежности распознавания изображений на основе сверточных нейронных сетей за счёт использования низкочастотной фильтрации. 4. Разработана топология асинхронного T-триггера, реализованного на принципах фазовой логики, с использованием только джозефсоновских 0- и пи-контактов, В схеме отсутствуют индуктивности, препятствующие масштабированию ячеек из-за роста взаимных индуктивностей и перекрестных помех. Проведен сводный анализ влияния разброса параметров в разрабатываемой схеме на функционирование предложенного устройства. Разработаны рекомендации для создания технологии воспроизводимых T-триггеров, реализованных на принципах фазовой логики, с использованием только джозефсоновских 0- и π-контактов. На базе технологического процесса, содержащего 3 слоя джозефсоновских контактов, была предложена топология схемы триггера, в реализации которой отсутствуют стековые соединения функциональных слоев. Площадь триггера при этом составила порядка 4D^2, где D – размер джозефсоновского перехода. 5. Предложена модель, позволяющая интерпретировать экспериментальные данные, полученные в результате сканирования иглой СТМ поверхности гранулированных Nb, внутри гранул которых были обнаружены абрикосовские вихри: при сканировании в направлении от центра вихря был обнаружен скачок дифференциальной проводимости при пересечении иглой границы зерна и скачкообразное изменение щели в спектре элементарных возбуждений. В предположении о том, что гранула имеет форму цилиндра, на оси которого локализован керн абрикосовского вихря, ее граница имеет конечную прозрачность и разделяет идентичные материалы в модели круглой решетки численными и аналитическими методами были рассчитаны координатные зависимости параметра порядка, аномальных функций Грина, а также зависимости от энергии плотности состояний. Разработанные алгоритмы позволяют проводить расчеты для произвольных значений положения границы внутри круглой ячейки, ее прозрачности, внешнего магнитного поля. Показано, что наличие конечной прозрачности границы гранулы, действительно, приводит к скачкообразному изменению в плотности состояний: смещению положения особенности по школе энергий и ее амплитуды. 6. Продемонстрирован способ реализации низкотемпературной памяти, оперирующей отдельными вихрями джозефсона в длинных джозефсоновских контактах, находящихся в стационарном состоянии и совместимой с высокочастотными сверхпроводящими вычислительными устройствами. Продемонстрировали возможность считывания и записи информации в систему энергоэффективным и неразрушающим способом. Эффект памяти возникает из-за наличия краевого барьера для вхождения и выхода джозефсоновских вихрей. | ||
5 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Пост-кремниевая сверхпроводниковая электроника на базе наноразмерных джозефсоновских контактов для систем обраб |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".