پیش‌نویس:رایانش ابررسانا

"این مقاله در حال ترجمه از ویکی انگلیسی است
لطفا حذف نشود."

منطق ابررسانا (Superconducting Logic) به دسته‌ای از مدارها یا گیت‌های منطقی گفته می‌شود که از ویژگی‌های منحصربه‌فرد ابررساناها استفاده می‌کنند؛ از جمله سیم‌های بدون مقاومت، سوئیچ‌های بسیار سریع مبتنی بر اتصال جوزفسون (Josephson junction)، و کمّی‌سازی شار مغناطیسی (فلکسوئید). تا سال ۲۰۲۳، رایانش ابررسانا یکی از انواع رایانش در دماهای بسیار پایین (cryogenic computing) محسوب می‌شود، زیرا مدارهای الکترونیکی ابررسانا برای کار کردن نیاز به سرمایش تا دماهای بسیار پایین، معمولاً زیر ۱۰ کلوین، دارند. اغلب از رایانش ابررسانا در زمینه رایانش کوانتومی استفاده می‌شود و یکی از کاربردهای مهم آن، رایانش کوانتومی ابررسانا (Superconducting Quantum Computing)است. مدارهای دیجیتال ابررسانا از کوآنتوم‌های شار تکی (Single Flux Quanta - SFQ)، که با نام کوآنتوم‌های شار مغناطیسی نیز شناخته می‌شوند، برای کدگذاری، پردازش و انتقال داده استفاده می‌کنند. مدارهای SFQ از اتصالات جوزفسون فعال و عناصر غیرفعالی مانند سلف‌ها، مقاومت‌ها، ترانسفورماتورها و خطوط انتقال تشکیل شده‌اند.در حالی که در مدارهای منطقی نیمه‌هادی مانند CMOS، ولتاژها و خازن‌ها اهمیت اصلی دارند، در مدارهای SFQ جریان‌ها و سلف‌ها نقش مهم‌تری دارند.توان مورد نیاز این مدارها می‌تواند بسته به نوع خانواده منطقی SFQ، از طریق جریان مستقیم (DC) یا جریان متناوب (AC) تأمین شود.

 مفاهیم بنیادی 
مزیت اصلی رایانش ابررسانا، بازده انرژی بسیار بالاتر نسبت به فناوری‌های متداول CMOS است. بخش زیادی از انرژی مصرف‌شده و گرمای تولیدشده در پردازنده‌های معمولی نه به‌خاطر عملیات منطقی، بلکه به دلیل جابه‌جایی اطلاعات بین اجزای منطقی ایجاد می‌شود. از آنجا که در ابررساناها مقاومت الکتریکی صفر است، انتقال بیت‌ها داخل پردازنده به انرژی بسیار کمی نیاز دارد. این ویژگی می‌تواند منجر به صرفه‌جویی انرژی در حدود ۵۰۰ برابر برای یک رایانه اگزاسکیل (Exascale Computer) شود. برای مقایسه، در سال ۲۰۱۴ تخمین زده شد که یک رایانه با توان ۱ اگزافلاپس (10^18 عملیات ممیز شناور در ثانیه) که با منطق CMOS ساخته شده باشد، حدود ۵۰۰ مگاوات برق مصرف می‌کند. منطق ابررسانا می‌تواند گزینه‌ای جذاب برای پردازنده‌های فوق‌سریع باشد؛ جایی که زمان‌های سوئیچینگ در حد پیکوثانیه اندازه‌گیری می‌شوند و فرکانس‌های کاری به حدود ۷۷۰ گیگاهرتز می‌رسند. با این حال، چون انتقال اطلاعات بین پردازنده و دنیای بیرون همچنان باعث اتلاف انرژی می‌شود، رایانش ابررسانا بیشتر برای کارهای محاسباتی سنگین مناسب است؛ یعنی کاربردهایی که داده‌ها عمدتاً در همان محیط سرد (کرایوجنیک) باقی می‌مانند، نه کاربردهای کلان‌داده (Big Data) که در آن حجم زیادی از اطلاعات از خارج پردازنده وارد و خارج می‌شود. 

از آنجا که منطق ابررسانا از معماری‌ها و الگوریتم‌های دیجیتال استاندارد پشتیبانی می‌کند، دانش موجود در حوزه رایانش CMOS همچنان در ساخت کامپیوترهای ابررسانا مفید خواهد بود. با این حال، به دلیل کاهش تولید گرما، این فناوری می‌تواند نوآوری‌هایی مانند انباشت سه‌بعدی (3D stacking) قطعات را ممکن کند. اما از آنجا که این سیستم‌ها به سلف‌ها (inductors) نیاز دارند، کوچک‌سازی آن‌ها دشوارتر است. تا سال ۲۰۱۴، دستگاه‌هایی که از نیوبیوم به‌عنوان ماده ابررسانا و در دمای حدود ۴ کلوین کار می‌کردند، پیشرفته‌ترین نمونه‌ها محسوب می‌شدند. از چالش‌های مهم این حوزه می‌توان به حافظه کرایوجنیک قابل‌اعتماد و همچنین گذار از پژوهش روی اجزای تکی به سمت یکپارچه‌سازی در مقیاس بزرگ اشاره کرد. 

در نهایت، تعداد اتصالات جوزفسون (Josephson junction count) معیاری برای سنجش پیچیدگی مدارها یا دستگاه‌های ابررسانا است؛ مشابه نقشی که تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع نیمه‌هادی دارد.

 تاریخچه 
پژوهش در زمینه رایانش ابررسانا از اواسط دهه ۱۹۵۰ توسط سازمان آژانس امنیت ملی آمریکا (NSA) آغاز شد. با این حال، پیشرفت این فناوری نتوانست همگام با رشد عملکرد فناوری استاندارد CMOS (مطابق با قانون مور) پیش برود. تا سال ۲۰۱۶ هیچ رایانه تجاری ابررسانایی وجود نداشت، اگرچه تحقیق و توسعه همچنان ادامه داشت.

تحقیقات بین اواسط دهه ۱۹۵۰ تا اوایل دهه ۱۹۶۰ بر روی کرایوترون (Cryotron) متمرکز بود؛ قطعه‌ای که توسط دادلی آلن باک (Dudley Allen Buck) اختراع شد. اما نیاز به دمای بسیار پایین هلیوم مایع و همچنین سرعت پایین تغییر بین حالت ابررسانا و مقاومتی باعث شد این مسیر کنار گذاشته شود. در سال ۱۹۶۲، برایان جوزفسون (Brian Josephson) نظریه مربوط به اثر جوزفسون (Josephson Effect) را ارائه کرد و چند سال بعد، شرکت IBM اولین اتصال جوزفسون (Josephson junction) را ساخت. IBM از اواسط دهه ۱۹۶۰ تا ۱۹۸۳ سرمایه‌گذاری گسترده‌ای روی این فناوری انجام داد. تا اواسط دهه ۱۹۷۰، IBM یک دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) بر پایه این اتصالات ساخت و ابتدا از اتصالات مبتنی بر سرب استفاده کرد و سپس به اتصالات سرب/نیوبیوم روی آورد. در سال ۱۹۸۰، IBM از «انقلاب کامپیوتر جوزفسونی» در جلد مجله Scientific American خبر داد. یکی از دلایل این سرمایه‌گذاری گسترده این بود که تصور می‌شد قانون مور (که در ۱۹۶۵ مطرح شد) به‌زودی کند یا متوقف خواهد شد. اما در عمل، قانون مور همچنان ادامه یافت و در مقابل، هزینه‌های توسعه فناوری ابررسانا تقریباً به‌طور کامل بر دوش IBM بود؛ در نتیجه این شرکت نتوانست با صنعت نیمه‌هادی که منابع بسیار گسترده‌تری داشت رقابت کند. به همین دلیل، برنامه در سال ۱۹۸۳ متوقف شد، زیرا این فناوری دیگر رقابتی با CMOS نبود. با این حال، پژوهشگران سابق IBM شرکت HYPRES را تأسیس کردند که فناوری مدارهای مجتمع ابررسانا را تجاری‌سازی کرد. همچنین وزارت تجارت بین‌المللی و صنعت ژاپن بین سال‌های ۱۹۸۱ تا ۱۹۸۹ یک پروژه تحقیقاتی را حمایت کرد که نتیجه آن ساخت ETL-JC1 بود؛ یک ماشین ۴ بیتی با ۱۰۰۰ بیت حافظه RAM.

در سال ۱۹۸۳، Bell Labs اتصالات جوزفسون از جنس نیوبیوم/اکسید آلومینیوم را توسعه داد که قابل‌اعتمادتر و ساده‌تر برای ساخت بودند. در سال ۱۹۸۵ نیز طرح منطقی Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) توسط پژوهشگران دانشگاه دولتی مسکو توسعه یافت که سرعت و بهره‌وری انرژی بهتری داشت. این پیشرفت‌ها زمینه‌ساز پروژه آمریکایی Hybrid Technology Multi-Threaded در سال ۱۹۹۷ شد که هدف آن رسیدن به مقیاس محاسباتی پتا‌فلاپس قبل از نیمه‌هادی‌ها بود. اما این پروژه در سال ۲۰۰۰ متوقف شد و نخستین ابررایانه پتا‌فلاپس مبتنی بر فناوری‌های معمولی در سال ۲۰۰۸ ساخته شد. پس از سال ۲۰۰۰، تمرکز به سمت رایانش کوانتومی ابررسانا تغییر کرد. در سال ۲۰۱۱ نیز معرفی منطق کوانتومی متقابل (Reciprocal Quantum Logic) توسط کوئنتین هِر (Quentin Herr) از شرکت Northrop Grumman و همچنین توسعه RSFQ کم‌مصرف توسط HYPRES به‌عنوان پیشرفت‌های مهم شناخته شدند.

با شروع تلاش‌ها برای رسیدن به رایانش اگزاسکیل در اواسط دهه ۲۰۱۰ (در قالب National Strategic Computing Initiative)، دوباره توجه‌ها به رایانش ابررسانا جلب شد؛ زیرا انتظار می‌رفت ساخت ابررایانه‌های CMOS در این مقیاس به مصرف انرژی غیرعملی منجر شود. در نهایت، سازمان IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity) که در سال ۲۰۰۶ تأسیس شد، هماهنگ‌کننده اصلی فعالیت‌های تحقیق و توسعه جامعه اطلاعاتی آمریکا در زمینه رایانش ابررسانا محسوب می‌شود.

 تکنیک‌های رایانش متعارف 
با وجود آن‌که نام بسیاری از این فناوری‌ها شامل واژه «کوانتومی» است، لزوماً به‌عنوان بسترهایی برای رایانش کوانتومی محسوب نمی‌شوند.

 منطق ابررسانای شار کوانتومی منفرد سریع (RSFQ) 
فناوری منطق ابررسانای شار کوانتومی منفرد سریع (RSFQ) در دهه ۱۹۸۰ در اتحاد جماهیر شوروی توسعه یافت. در این فناوری، اطلاعات از طریق وجود یا عدم وجود یک کوانتوم شار مغناطیسی منفرد (Single Flux Quantum - SFQ) منتقل می‌شود.

در این مدارها، پیوندهای جوزفسون (Josephson Junctions) به‌صورت بحرانی میرا (Critically Damped) طراحی می‌شوند؛ این کار معمولاً با افزودن یک مقاومت شنت با مقدار مناسب انجام می‌شود تا سوئیچ‌زنی بدون ایجاد هیسترزیس (Hysteresis) صورت گیرد.

سیگنال‌های کلاک توسط پالس‌های ولتاژی SFQ که به‌طور مستقل توزیع شده‌اند، به گیت‌های منطقی اعمال می‌شوند.

توان موردنیاز مدار از طریق جریان‌های بایاس توزیع‌شده توسط مقاومت‌ها تأمین می‌شود. این مقاومت‌ها ممکن است بیش از ده برابر توان پویای مصرفی محاسبات را به‌صورت توان ایستا مصرف کنند. با این حال، سادگی استفاده از مقاومت‌ها برای توزیع جریان در مدارهای کوچک یک مزیت محسوب می‌شود؛ ازاین‌رو RSFQ همچنان در کاربردهایی که بهره‌وری انرژی اهمیت حیاتی ندارد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از فناوری RSFQ برای ساخت مدارهای تخصصی با توان عملیاتی بالا و محاسبات عددی سنگین، نظیر گیرنده‌های مخابراتی و سامانه‌های پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) استفاده شده است.

در مدارهای RSFQ، پیوندهای جوزفسون به‌صورت موازی بایاس می‌شوند؛ بنابراین جریان بایاس کل به‌طور خطی با تعداد پیوندهای جوزفسون افزایش می‌یابد. این موضوع در حال حاضر مهم‌ترین محدودیت مقیاس‌پذیری مدارهای RSFQ به شمار می‌رود و مانع از افزایش تعداد پیوندهای جوزفسون در هر مدار به بیش از چند ده هزار عدد می‌شود.

 LR-RSFQ 
با کاهش مقدار مقاومت (R) مورد استفاده برای توزیع جریان در مدارهای RSFQ متداول و افزودن یک سلف (L) به‌صورت سری، می‌توان اتلاف توان ایستا را کاهش داده و بهره‌وری انرژی را بهبود بخشید.

 RSFQ با ولتاژ پایین (LV-RSFQ) 
در فناوری Low Voltage RSFQ (LV-RSFQ)، کاهش ولتاژ بایاس مدارهای RSFQ متداول باعث کاهش تلفات توان ایستا و افزایش بهره‌وری انرژی می‌شود.

 فناوری شار کوانتومی منفرد کم‌مصرف (ERSFQ/eSFQ) 
منطق Efficient Rapid Single Flux Quantum (ERSFQ) با هدف حذف تلفات توان ایستا در RSFQ توسعه داده شد. در این فناوری، مقاومت‌های بایاس با مجموعه‌ای از سلف‌ها و پیوندهای جوزفسون محدودکننده جریان جایگزین می‌شوند.

فناوری Efficient Single Flux Quantum (eSFQ) نیز با جریان مستقیم (DC) تغذیه می‌شود، اما در اندازه سلف محدودکننده جریان بایاس و نحوه کنترل پیوندهای جوزفسون محدودکننده با ERSFQ تفاوت دارد.

 منطق کوانتومی متقابل (RQL) 
Reciprocal Quantum Logic (RQL) برای رفع برخی از محدودیت‌های RSFQ توسعه یافت. در این فناوری، برای نمایش مقدار منطقی «۱» از زوج‌های متقابل پالس‌های SFQ استفاده می‌شود. توان و سیگنال کلاک هر دو از طریق سیگنال‌های جریان متناوب چندفازه تأمین می‌شوند. گیت‌های RQL برای توزیع توان از مقاومت استفاده نمی‌کنند؛ در نتیجه اتلاف توان ایستای آن‌ها تقریباً ناچیز است.

گیت‌های اصلی RQL عبارت‌اند از AndOr، AnotB و Set/Reset (با قابلیت خواندن غیرمخرب). این مجموعه، یک مجموعه منطقی کامل (Universal Logic Set) را تشکیل داده و قابلیت ذخیره‌سازی اطلاعات را نیز فراهم می‌کند.

 پارامترون شار کوانتومی آدیاباتیک (AQFP) 
منطق Adiabatic Quantum Flux Parametron (AQFP) با هدف دستیابی به عملکردی بسیار کم‌مصرف توسعه یافته و از جریان متناوب (AC) تغذیه می‌شود.

در ۱۳ ژانویه ۲۰۲۱ اعلام شد که نمونه اولیه یک پردازنده مبتنی بر AQFP با فرکانس ۲٫۵ گیگاهرتز و نام MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture) به بهره‌وری انرژی‌ای دست یافته است که حتی با در نظر گرفتن هزینه سرمایش، حدود ۸۰ برابر بیشتر از پردازنده‌های نیمه‌رسانای متداول است.

 تکنیک‌های رایانش کوانتومی 
رایانش کوانتومی ابررسانا یکی از امیدوارکننده‌ترین پیاده‌سازی‌های فناوری اطلاعات کوانتومی محسوب می‌شود. این فناوری بر پایه الکترودهای ابررسانای نانوساخت‌یافته است که از طریق پیوندهای جوزفسون به یکدیگر کوپل شده‌اند.

در یک الکترود ابررسانا، فاز (Phase) و بار الکتریکی (Charge) متغیرهای مزدوج کوانتومی هستند. بر این اساس، سه خانواده اصلی از کیوبیت‌های ابررسانا وجود دارد که بسته به این‌که بار، فاز یا هیچ‌یک از آن‌ها عدد کوانتومی مناسبی باشند، طبقه‌بندی می‌شوند. این خانواده‌ها به‌ترتیب شامل کیوبیت‌های بار (Charge Qubits)، کیوبیت‌های شار (Flux Qubits) و کیوبیت‌های هیبریدی (Hybrid Qubits) هستند.

:رده:الکترونیک دیجیتال
:رده:مدارهای مجتمع
:رده:اثر جوزفسون
:رده:خانواده‌های منطق
:رده:الکترونیک کوانتومی
:رده:ابررسانندگی