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