超伝導コンピューティング

超伝導ロジックとは、ゼロ抵抗ワイヤ、超高速ジョセフソン接合スイッチ、磁束の量子化（フラクソイド）など、超伝導体のユニークな特性を使用するロジック回路またはロジックゲートのクラスを指します。 2023年現在、超伝導電子回路は動作するために 極低温（通常は10ケルビン未満）まで冷却する必要があるため、超伝導コンピューティングは極低温コンピューティングの一種です。超伝導コンピューティングは量子コンピューティングに適用されることが多く、重要なアプリケーションは超伝導量子コンピューティングとして知られています。

超伝導デジタル論理回路は、単一磁束量子 (SFQ) (磁束量子とも呼ばれる) を使用して、データのエンコード、処理、転送を行います。SFQ 回路は、能動ジョセフソン接合と、インダクタ、抵抗、変圧器、伝送線路などの受動素子で構成されています。CMOS などの半導体論理回路では電圧とコンデンサが重要ですが、 SFQ 論理回路では電流とインダクタが最も重要です。電力は、SFQ 論理ファミリに応じて、 直流または交流のいずれかで供給できます。

超伝導コンピューティングの主な利点は、従来のCMOSテクノロジに比べて電力効率が向上することです。従来のプロセッサで消費される電力と放熱の多くは、実際のロジック操作ではなく、ロジック要素間で情報を移動することによって発生します。超伝導体は電気抵抗がゼロであるため、プロセッサ内でビットを移動するために必要なエネルギーはほとんどありません。これにより、エクサスケール コンピュータの消費電力が 500 分の 1 に削減されると予想されています。^[1]比較のために、2014 年には、CMOS ロジックに組み込まれた 1 エクサFLOPSコンピュータが約 500 メガワットの電力を消費すると推定されていました。^[2] スイッチング時間がピコ秒単位で測定され、動作周波数が 770 GHz に近づく超高速 CPU にとって、超伝導ロジックは魅力的なオプションになる可能性があります。^{[3] [4]} しかし、プロセッサと外界との間で情報を転送するとエネルギーが消費されるため、超伝導コンピューティングは、大量の情報がプロセッサの外部からストリーミングされるビッグデータアプリケーションではなく、データが主に極低温環境に留まる計算集約型のタスクに適していると考えられていました。^[1]

超伝導ロジックは標準的なデジタルマシンアーキテクチャとアルゴリズムをサポートしているため、CMOSコンピューティングの既存の知識ベースは超伝導コンピュータの構築にも役立ちます。ただし、放熱が低減されるため、コンポーネントの3次元積層などの革新が可能になる可能性があります。ただし、インダクタが必要なため、サイズを縮小することは困難です。2014年の時点では、4Kで動作する超伝導材料としてニオブを使用したデバイスが最先端と考えられていました。この分野の重要な課題は、信頼性の高い極低温メモリと、個々のコンポーネントの研究から大規模統合への移行でした。^[1]

ジョセフソン接合数は、半導体集積回路に使用される トランジスタ数と同様に、超伝導回路またはデバイスの複雑さを測る指標です。

超伝導コンピューティングの研究は、1950年代半ばから米国国家安全保障局によって進められてきました。しかし、進歩は標準CMOSテクノロジーの性能向上に追いつくことができませんでした。2016年現在、研究開発は継続されていますが、商用の超伝導コンピューターは存在しません。^[5]

1950年代半ばから1960年代前半の研究は、ダドリー・アレン・バックが発明したクライオトロンを中心に行われましたが、液体ヘリウムの温度と超伝導状態と抵抗状態間の切り替え時間の遅さから、この研究は断念されました。1962年にブライアン・ジョセフソンがジョセフソン効果の理論を確立し、数年のうちにIBMが最初のジョセフソン接合を製造しました。IBMは1960年代半ばから1983年にかけてこの技術に多額の投資をしました。^[6] 1970年代半ばまでにIBMはこれらの接合を使用して超伝導量子干渉装置を構築し、主に鉛ベースの接合で作業し、後に鉛/ニオブ接合に切り替えました。1980年、ジョセフソンコンピュータ革命はIBMによってScientific Americanの5月号の表紙で発表されました。このような大規模な投資を正当化した理由の 1 つは、1965 年に発表されたムーアの法則が「すぐに」減速し、頭打ちになると予想されていたことです。しかし、一方ではムーアの法則は有効性を維持しましたが、超伝導デバイスの改善にかかるコストは基本的に IBM のみが負担し、IBM は規模が大きかったとしても、ほぼ無限のリソースを提供する半導体の世界全体と競争することはできませんでした。^[7] そのため、この技術は標準的な半導体技術と競合できないと判断され、1983 年にプログラムは中止されました。この IBM プログラムの研究者によって設立された HYPRES は、ニューヨーク州エルムズフォードにある商用超伝導ファウンドリで超伝導集積回路を開発し、商品化しました。^[8] 日本の通商産業省は、 1981 年から 1989 年にかけて超伝導研究に資金を提供し、1,000 ビットの RAM を搭載した 4 ビット マシンである ETL-JC1 を生産しました。^[5]

1983年、ベル研究所は、より信頼性が高く製造が容易なニオブ/酸化アルミニウムジョセフソン接合を開発した。1985年には、モスクワ国立大学の研究者らが、速度とエネルギー効率を改善した高速単一磁束量子論理方式を開発した。これらの進歩により、1997年に開始された米国のハイブリッド技術マルチスレッドプロジェクトが生まれ、従来の半導体を凌駕してペタフロップスの計算規模に到達することを目指した。しかし、このプロジェクトは2000年に中止され、最初の従来型ペタフロップスコンピュータは2008年に構築された。2000年以降、注目は超伝導量子コンピューティングに移った。2011年にノースロップ・グラマンのクエンティン・ヘアが導入した相互量子論理と、ハイプレスによるエネルギー効率の高い高速単一磁束量子は、大きな進歩と見なされた。^[5]

2010年代半ばに始まったエクサスケールコンピューティングへの推進は、国家戦略コンピューティングイニシアチブに盛り込まれ、CMOS技術に基づくエクサスケールコンピュータには非現実的な量の電力が必要になると予想されたため、超伝導コンピューティング研究への道筋とみなされた。 2006年に設立されたインテリジェンス先端研究プロジェクト活動は現在、米国インテリジェンスコミュニティの超伝導コンピューティングの研究開発活動を調整している。^[5]

これらの技術の多くには「量子」という言葉が含まれているが、必ずしも量子コンピューティングのプラットフォームというわけではない。^[要出典]

高速単一磁束量子（RSFQ）超伝導ロジックは、1980年代にソビエト連邦で開発されました。^[9]情報は単一磁束量子（SFQ）の有無によって伝達されます。ジョセフソン接合は、通常、適切なサイズのシャント抵抗を追加することで臨界減衰され、ヒステリシスなしで切り替わります。クロック信号は、個別に分配されたSFQ電圧パルスによってロジックゲートに提供されます。

電力は、計算に使用される動的電力の 10 倍以上の静的電力を消費する可能性がある抵抗器を使用して分配されるバイアス電流によって供給されます。抵抗器を使用して電流を分配するシンプルさは、小型回路では利点となる可能性があり、RSFQ は、エネルギー効率がそれほど重要ではない多くのアプリケーションで引き続き使用されています。

RSFQ は、通信受信機やデジタル信号処理などの高スループットで数値計算集約型のアプリケーション向けの特殊な回路を構築するために使用されてきました。

RSFQ 回路のジョセフソン接合は並列にバイアスされます。したがって、総バイアス電流はジョセフソン接合の数に比例して増加します。これが現在、RSFQ 回路の集積規模に対する大きな制限となっており、回路あたりジョセフソン接合の数は数万を超えません。

従来のRSFQ回路で電流を分配するために使用される抵抗器（R）を減らし、インダクタ（L）を直列に追加すると、静的電力消費を減らし、エネルギー効率を向上させることができます。^{[10] [11]}

従来のRSFQ回路のバイアス電圧を下げると、静的電力消費が減り、エネルギー効率が向上します。^{[12] [13]}

効率的な高速単一磁束量子（ERSFQ）ロジックは、バイアス抵抗器をインダクタと電流制限ジョセフソン接合のセットに置き換えることでRSFQの静的電力損失を排除するために開発されました。^{[14] [15]}

効率的な単一磁束量子（eSFQ）ロジックも直流で駆動されますが、バイアス電流制限インダクタのサイズと制限ジョセフソン接合の制御方法がERSFQとは異なります。^[16]

逆量子論理（RQL）は、RSFQ論理の問題のいくつかを解決するために開発されました。RQLは、SFQパルスの逆ペアを使用して論理「1」をエンコードします。電源とクロックの両方が多相交流信号によって提供されます。RQLゲートは電力を分配するために抵抗器を使用しないため、静的電力は無視できます。^[17]

主要なRQLゲートにはAndOr、AnotB、Set/Reset（非破壊読み出し機能付き）があり、これらが一緒になって汎用ロジックセットを形成し、メモリ機能を提供します。^[18]

断熱量子フラックスパラメトロン（AQFP）ロジックはエネルギー効率の高い動作のために開発され、交流電流で駆動されます。^{[19] [20]}

2021年1月13日、MANA（モノリシック・アディアバティック・インテグレーション・アーキテクチャ）と呼ばれる2.5GHzのプロトタイプAQFPベースのプロセッサが、冷却を考慮しても従来の半導体プロセッサの80倍のエネルギー効率を達成したことが発表されました。^[21]

超伝導量子コンピューティングは、ジョセフソン接合を介して結合されたナノ加工された超伝導電極を使用する量子情報技術の有望な実装です。超伝導電極と同様に、位相と電荷は共役変数です。電荷、位相、またはどちらも良好な量子数でないかに応じて、3 つの超伝導量子ビット ファミリが存在します。これらはそれぞれ、電荷量子ビット、磁束量子ビット、およびハイブリッド量子ビットと呼ばれます。

• CMOSを超えて
• 論理ゲート
• 量子フラックスパラメトロン
• 超伝導
• 従来とは異なるコンピューティング

• 超伝導技術評価、NSA、2005 年 - RSFQ R&D プロジェクトを推進しました。
• ExaScale コンピューティング研究: 達成における技術的課題... レポート 2008、「6.2.4 超伝導ロジック」