Circuitos supercondutores viabilizados por nanofios (superconducting circuits, simplified)

Novo design do circuito poderia desbloquear o poder de chips de um computador supercondutor

Chips de computador com circuitos supercondutores seriam de 50 a 100 vezes mais eficientes que os chips atuais, uma característica atraente dado o crescente consumo de energia. Chips supercondutores também prometem dar maior poder de processamento: testes mostraram que circuitos supercondutores usando junções Josephson foram 500 vezes mais velozes que o chip do iPhone 6. Porém, chips contendo junções Josephson são grandes e difíceis de fazer e pior: eles usam correntes tão pequenas que os resultados de seus cálculos são difíceis de detectar.

Chip contendo o nTron que realizou o primeiro cálculo usando o novo circuito supercondutor. Foto: Adam N. McCaughan

        Porém, pesquisadores do MIT apresentaram um novo projeto de circuito que poderia tornar dispositivos supercondutores muito mais baratos de fabricar. E enquanto a velocidade dos circuitos provavelmente não estaria no topo dos chips atuais, poderia resolver o problema da leitura dos resultados dos cálculos realizados com junções Josephson.

Adam McCaughan, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica do MIT e o professor Karl Berggren - chamam seu dispositivo de nanocryotron. O cryotron foi um circuito de computação desenvolvido em 1950 pelo professor Dudley Buck. O cryotron foi brevemente objeto de grande interesse como a possível base para uma nova geração de computadores, mas foi superado pelo circuito integrado.

“Nós já usamos o nosso dispositivo em aplicações que serão altamente relevantes para o trabalho futuro de computação com supercondutores e comunicações quânticas”, diz McCaughan.

O laboratório de Berggren concentra-se em circuitos supercondutores feitos a partir de nitreto de nióbio, que tem a temperatura de funcionamento relativamente elevada, 16 K (-257 °C). Isso é possível com hélio líquido, o qual, num chip supercondutor, provavelmente circulará através de um sistema de tubos dentro de uma caixa isolada. Um sistema assim que emprega hélio líquido no resfriamento, naturalmente aumentaria o consumo de energia de um chip supercondutor. Mas uma vez que o ponto de partida é de cerca de 1% da energia requerida por um chip convencional, a economia ainda pode ser enorme. Além disso, computação com supercondutores permitiria aos centros de dados dispensarem os sistemas de refrigeração que atualmente mantém seus servidores livres de superaquecimento.

Circuitos supercondutores baratos também podem permitir a construção de detectores de um único fóton, um componente essencial de qualquer sistema de informação que explora os speedups computacionais prometidos pela computação quântica rentável.

Projetado como um T

O nanocryotron - ou nTron – consiste de uma única camada de nitreto de nióbio depositado sobre um isolante em um padrão que se parece mais ou menos com a letra maiúscula “T”. Mas onde a base do T junta-se à barra transversal, se reduz a um décimo de sua largura. Elétrons navegando livremente através da base do T são subitamente esmagado juntos, produzindo calor, que se irradia na barra transversal e destrói a supercondutividade do nitreto de nióbio.

        A corrente aplicada à base do T pode desligar uma corrente que flui através da barra transversal. Isso faz do circuito uma chave (disjuntor, comutador), o componente básico de um computador digital. Após a corrente na base ser desligada, a corrente na barra será retomada somente após a junção ser esfriada. Esse resfriamento não leva muito tempo. Mas os circuitos não são susceptíveis de superar o 1 gigahertz típico dos chips atuais. Ainda assim, eles podem ser úteis em aplicações onde a velocidade não é tão importante quanto a eficiência energética.

        A aplicação mais promissora, no entanto, pode ser tornar acessível o cálculo com junções Josephson. Junções Josephson usam correntes minúsculas que até agora têm exigido equipamentos de laboratório muito sensíveis para detectar. Elas não são fortes o suficiente para mover os dados para um chip de memória local, muito menos para enviar um sinal visual para um monitor de computador.

Em experimentos, McCaughan demonstrou que correntes ainda menores do que as encontradas em dispositivos de junção Josephson foram suficientes para mudar o nTron de condutor para um estado não condutor. E, enquanto a corrente na base do T pode ser pequena, a passagem de corrente através da barra transversal pode ser muito maior - grande o suficiente para transportar a informação a outros dispositivos em uma placa-mãe de computador.

        “Acho que este é um grande dispositivo”, diz Oleg Mukhanov, diretor de tecnologia da Hypres, uma empresa de eletrônica de supercondutores cujos produtos dependem de junções Josephson. “Nós estamos considerando seriamente o uso do nTron em memória. Há várias atrações deste dispositivo”, diz Mukhanov. “Primeiro, é muito compacto, porque afinal de contas, é um nanofio. Um dos problemas com junções Josephson é que elas são grandes. Se você compará-las com transistores CMOS, elas são apenas fisicamente maior. A segunda é que as junções Josephson são dispositivos de dois terminais. Transistores semicondutores são de três terminais, e isso é uma grande vantagem. Da mesma forma, nTrons são dispositivos de três terminais.”

        “Uma das características que também nos atrai é que planejamos integrá-lo com dispositivos spintrônicos magnetoresistivos, mRAM, memórias magnéticas de acesso aleatório, à temperatura ambiente. E uma das características destes dispositivos é que eles são de alta impedância. Eles estão na faixa de kilo-ohms, e se você olhar para junções Josephson, são apenas alguns ohms. Portanto, há um grande descompasso, o que torna muito difícil do ponto de vista de engenharia elétrica combinar esses dois dispositivos. NTrons são dispositivos de nanofios, por isso eles são de alta impedância também. Eles são naturalmente compatíveis com os elementos magnetoresistivos”, diz Mukhanov.

Fonte1: http://newsoffice.mit.edu/2014/cheaper-superconducting-computer-chips-1017


Fonte2:  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl502629x