Светът на бъдещето: изчислителни мощности в кутия от обувки

През 2040 г. половината от световната енергия ще се използва за изчисления.

Учените прогнозират, че до 2040 г. почти 50% от електроенергията в света ще се използва за компютърни задачи. Прогнозата е направена преди бързото развитие на генеративния ИИ. През последното десетилетие изчислителните ресурси, използвани за обучение на най-големите модели на ИИ, са се удвоявали приблизително на всеки 6 месеца. С този темп до 2030 г. обучението на един AI модел ще изисква сто пъти повече ресурси, отколкото всички настоящи суперкомпютри взети заедно.

За да се справим с подобни енергийни нужди, е необходима фундаментална промяна в подхода към изчисленията. Едно от решенията може да бъдат свръхпроводниците.

Свръхпроводниците почти не изразходват енергия, когато тече ток. Вярно е, че те работят само при криогенни температури, което изисква охлаждане. Въпреки това те предлагат почти нулево съпротивление, минимално потребление на енергия и висока изчислителна плътност благодарение на 3D опаковането на чиповете.

Изследванията показват, че започвайки с производителност от 10^16 операции в секунда (десетки петафлопове), свръхпроводниковите компютри стават все по-енергийно ефективни. Това съответства на сегашното ниво на високопроизводителните компютри, което прави актуално изграждането на свръхпроводникови суперкомпютри.

Компанията Imec е прекарала последните две години в разработване на свръхпроводникови процесори, които могат да се произвеждат със стандартни CMOS инструменти. Такъв процесор би бил сто пъти по-енергийно ефективен от най-ефективните съвременни чипове и би могъл да побере изчислителната мощ на цял център за данни в система с размерите на кутия за обувки.

Предимствата на свръхпроводниците

Открита през 1911 г., свръхпроводимостта позволява пренос на електричество без съпротивление при ниски температури. Идеята за използване на свръхпроводимостта в изчислителната техника е от 50-те години на миналия век, но технологията не може да се конкурира с развитието на CMOS по закона на Мур. Изследванията продължават десетилетия наред и през 2020 г. екип от Националния университет в Йокохама демонстрира свръхпроводим процесор. Технологията обаче остана в лабораториите.

В Imec решиха да променят подхода си: вместо да изграждат система от нулата, те започнаха с необходимата функционалност, като работиха съвместно с инженерите по CMOS технологиитте и екипите за разработване на пълния стек, за да гарантират осигуряване на много висока производителност. Екипът разработи не само производствения процес, но и софтуерните архитектури, логическите елементи и библиотеките за памети.

Основите на енергийно ефективните компютри са положени още през 1991 г. В конвенционалните процесори по-голямата част от енергията се използва за преместване на информацията между логическите блокове и паметта. Свръхпроводниковите връзки не разсейват енергия, като свеждат до минимум загубите дори при високи честоти.

Пълен набор от иновации

За да се превърне лабораторната разработка в готов за производство чип, иновациите трябваше да се осъществят на всички нива: материали, схеми и архитектура. Екипът се отказа от предпочитания в лабораторията ниобий, тъй като той е слабо мащабируем и несъвместим със стандартната CMOS обработка. Вместо това те използват ниобиево-титаниев нитрид, който е температурно стабилен и съвместим с CMOS.

За създаването на свръхпроводниковите връзки е използван алфа силиций, който позволява висока плътност без загуба на функционалност. Вместо обемисти трансформатори е разработена резонансна схема за захранване на всички елементи на чипа.

Логическата структура и структурата на паметта също бяха преосмислени. Разработена е логическа архитектура, наречена логика за запазване на импулсите, при която се запазва броят на входните и изходните сигнали. Логическите операции се извършват с помощта на комбинации от пръстени на Джоузефсон и индуктори.

Център за данни със свръхпроводници

Резултатът е чип, оптимизиран за обработка на изкуствен интелект. Той съдържа свръхпроводникови процесорни единици (SPU) с вградена свръхпроводникова SRAM, стекирана DRAM и превключватели. Основното охлаждане до 4 K се извършва с течен хелий, докато DRAM се охлажда до 77 K.

Подобна технология дава възможност за създаване на центрове за данни с размер на кутия за обувки, които могат да работят със скорост 20 екзафлопа, което е 20 пъти повече от капацитета на най-големите съвременни суперкомпютри, като същевременно консумират само 500 киловата.

Бъдещето на свръхпроводниковата технология

Свръхпроводниковите цифрови технологии няма да заменят напълно CMOS, а ще ги допълват в специализирани приложения и ще подпомагат развитието на изкуствения интелект. Те ще се интегрират с квантовите компютри и ще спомогнат за създаването на по-стабилни системи за обучение на AI модели.

Компактните центрове за данни ще могат да се разполагат по-близо до целевите приложения, което ще открие нови възможности за онлайн обучение на ИИ и оптимизация в реално време. Това ще доведе до по-добро управление на енергията, интелигентни градове, мобилни медицински системи и др.

По принцип създаването на съвсем нов тип процесор със свръхпроводникови модули се очаква да доведе до една съвсем нова и непозната досега компютърна електроника, която да предложи огромни изчислителни скорости при съвсем малки размери.