NIST-wetenschappers hebben een nieuw geautomatiseerd sondesysteem ontwikkeld voor het evalueren van de prestaties van computercomponenten die zijn ontworpen om 100 keer sneller te werken dan de beste supercomputers van vandaag en slechts 1/1000ste van de energie te verbruiken.

Dat prestatiebereik, zoals voorzien in het National Strategic Computing Initiative (NSCI), is het overkoepelende doel van veel particuliere en federale programma's die verschillende technologieën en platforms bestuderen. Een daarvan is het programma Cryogenic Computing Complexity (C3), ondersteund door het Intelligence Advanced Research Projects Activity Agency (IARPA). Het doel is om een ​​nieuwe generatie supergeleidende supercomputers met laag vermogen mogelijk te maken die werken bij vloeibare heliumtemperaturen en ultrasnelle schakeling van microscopisch kleine circuitelementen, Josephson-juncties genaamd, gebruiken.

Niemand weet nog de beste manier (of manieren) om dat te doen. Volgens de voorwaarden van het C3-programma, elk van de drie verschillende industriedeelnemers creëert prototypegeheugen en logische eenheden die zijn ontworpen om binnen programmaparameters te presteren. De taak van het onafhankelijk testen van die apparaten valt onder NIST.

"Wat ze willen dat NIST doet, is verifiëren dat die apparaten presteren zoals de makers zeggen dat ze doen, " zegt William Rippard, leider van NIST's Spin Electronics Group, die geheugencomponenten test. "Dat betekent dat we in staat moeten zijn om ongewoon zwakke signalen op ongewoon snelle tijdschalen te meten. Voor beide moesten we nieuwe meetmogelijkheden ontwikkelen. Het nieuwe sondesysteem is een belangrijk onderdeel van die inspanning."

NIST is verantwoordelijk voor het karakteriseren van elk afzonderlijk apparaat (meestal 100 nm tot 1 µm) in elke chip (meestal 5 mm tot 10 mm groot) en zijn subcomponenten bij vloeibare heliumtemperatuur (4 kelvin). Hiervoor gebruiken ze een cryostaat die een temperatuurinstabiliteit heeft van slechts 50 millikelvin, waarbinnen zich een door NIST ontworpen drie-assige manipulator bevindt die wordt geleid door een optisch feedbacksysteem om specifieke punten te onderzoeken. Maar de onderzoekers testen dezelfde apparaten ook bij kamertemperatuur om te zoeken naar correlaties in eigenschappen over een bereik van ongeveer 300 K. Hierdoor kunnen apparaten bij kamertemperatuur worden getest om kwantitatief voorspellend gedrag bij 4 K te bieden.

Omdat een circuit grote reeksen van 10 kan bevatten, 000 of meer Josephson-knooppunten, elk van hen afzonderlijk testen is een ontmoedigende taak. De NIST-wetenschappers ontwikkelden een volledig geautomatiseerd systeem dat in staat is om de sondepunt exact te positioneren met behulp van optische feedback van een camera die neerkijkt op het oppervlak van de chip bij 4 K. Door die opstelling kan de sondepunt in nauwkeurig oplopende stappen over het apparaat bewegen.

Een andere uitdaging is de snelheid die ermee gemoeid is. De supergeleidende circuits werken op tijdschalen van picoseconden - een miljoenste van een miljoenste van een seconde. "In een typische opstelling, je hebt misschien twee meter kabel die loopt tussen het apparaat dat je aan het testen bent en de instrumentatie, Rippard zegt. "Als een puls van een picoseconde door zoveel kabel gaat, het wordt verzwakt en verspreid. Wat begon als een heel scherp signaal, wordt uitgerekt tot het lijkt op een klokkromme."

Om dat probleem te omzeilen, de groep bedenkt gespecialiseerde circuits waarmee ze het signaal kunnen versterken op slechts enkele centimeters afstand van de chip die het heeft geproduceerd. Omgekeerd, om ultrakorte signalen naar de chip te sturen, ze gebruiken een femtoseconde-laser (vuurt op een lichtpuls van 0,2 picoseconde) en zetten het optische signaal om in een elektrische puls in het bereik van enkele picoseconden.

De sonde-elektroden kunnen worden vervangen door zeer responsieve sensoren die een 2D-patroon van magnetische activiteit over de chip meten. De groep bouwde een systeem dat een lees-schrijfkop van een harde schijf gebruikt om die velden te meten, en een veel gevoeligere vervanging is in ontwikkeling. Omdat elk minuscuul spoor dat bewegende elektronen draagt ​​een magnetisch veld genereert, de magnetische gegevens vormen een kaart van de stroom die begraven elektrische lagen onthult.

De magnetische metingen zullen ook de vortexen lokaliseren - kleine wervelingen van stroom - die zich onder bepaalde omstandigheden vormen in supergeleidende materialen, en bepalen of de wervels op een enkele locatie onbeweeglijk ("vastgezet") zijn of rond het supergeleidende circuit kunnen bewegen en daardoor weerstand tegen superstroom kunnen genereren.

De rol van NIST in C3 draagt ​​ook bij aan een initiatief van de hele organisatie dat bedoeld is om de bredere meetmogelijkheden te ontwikkelen die nodig zijn voor het testen en evalueren van componenten voor toekomstige high-performance computing. De NSCI noemt NIST een "fundamenteel onderzoeks- en ontwikkelingsbureau" met de missie om zich te concentreren op "meetwetenschap ter ondersteuning van toekomstige computertechnologieën".

"Deze samenwerking met IARPA voor het C3-supercomputerprogramma, " zegt Bob Hickernell, Hoofd van de afdeling Quantum Electromagnetics van NIST, "combineert de expertise van marktleiders op het gebied van zowel de ontwikkeling van cryogeen geheugen als logische circuits met NIST's expertise op het gebied van supergeleidende elektronica en magnetische metingen bij ultralage temperaturen om de vooruitgang te versnellen die een grote impact belooft op gebieden zoals biomedisch begrip en behandelingen, geavanceerde materiaalontwikkeling, en zeer nauwkeurige weersvoorspellingen."