NIST -forskare har utvecklat ett nytt automatiserat sondsystem för att utvärdera prestandan hos datorkomponenter som är utformade för att köra 100 gånger snabbare än dagens bästa superdatorer och förbrukar så lite som 1/1000:e energin.

Det utbudet av prestanda, som tänkt i National Strategic Computing Initiative (NSCI), är det övergripande målet för många privata och federala program som studerar olika tekniker och plattformar. En av dem är programmet Cryogenic Computing Complexity (C3), stöds av Intelligence Advanced Research Projects Activity Agency (IARPA). Dess syfte är att möjliggöra en ny generation av lågledande supraledande superdatorer som arbetar vid flytande heliumtemperaturer och använder ultrasnabb omkoppling av mikroskopiska kretselement som kallas Josephson-korsningar.

Ingen vet ännu det bästa sättet (eller sätten) att göra det. Enligt villkoren för C3 -programmet, var och en av tre olika branschdeltagare skapar prototypminne och logikenheter utformade för att utföra inom programparametrar. Jobbet med att självständigt testa dessa enheter faller till NIST.

"Vad de vill att NIST ska göra är att verifiera att dessa enheter fungerar som tillverkarna säger att de gör, "säger William Rippard, ledare för NIST:s Spin Electronics Group, som testar minneskomponenter. "Det betyder att vi måste kunna mäta ovanligt svaga signaler på ovanligt snabba tidsskalor. Båda har krävt att vi utvecklat nya mätfunktioner. Det nya sondsystemet är en viktig del av den ansträngningen."

NIST ansvarar för att karakterisera varje enskild enhet (vanligtvis 100 nm till 1 µm) i varje chip (vanligtvis 5 mm till 10 mm i storlek) och dess underkomponenter vid flytande heliumtemperatur (4 kelvin). För detta använder de en kryostat som har en temperaturinstabilitet på endast 50 millikelvin, inuti den finns en NIST-designad tre-axlig manipulator som styrs av ett optiskt återkopplingssystem för att undersöka specifika punkter. Men forskarna testar också samma enheter vid rumstemperatur för att leta efter korrelationer i egenskaper över ett intervall på cirka 300 K. Detta gör att rumstemperaturprovning av enheter kan ge kvantitativt prediktivt beteende vid 4 K.

Eftersom en krets kan innehålla stora matriser på 10, 000 eller fler Josephson -korsningar, att testa var och en av dem individuellt är en skrämmande uppgift. NIST -forskarna utvecklade ett helautomatiserat system som kan placera sondspetsen exakt med hjälp av optisk återkoppling från en kamera som tittar ner på chipets yta vid 4 K. Detta arrangemang gör att sondspetsen kan röra sig över enheten i exakt stegvisa steg.

En annan utmaning är hastigheten. De supraledande kretsarna fungerar på tidsskalor av picosekunder - en miljonedel av en miljonedel av en sekund. "I en typisk installation, du har kanske två meter kabel som går mellan enheten du testar och instrumenteringen, "Säger Rippard." När en pikosekundspuls går genom så mycket kabel, det försvagas och sprids ut. Det som började som en riktigt skarp signal sträcks ut tills det ser ut som en klockkurva. "

För att kringgå det problemet, gruppen utvecklar specialiserade kretsar som gör att de kan förstärka signalen bara centimeter från chipet som producerade den. Omvänt, för att skicka ultrakortsignaler till chipet, de använder en femtosekundlaser (avfyrning med ljuspuls 0,2 pikosekunder i längd) och omvandlar den optiska signalen till en elektrisk puls i intervallet några pikosekunder.

Sondelektroderna kan ersättas med mycket mottagliga sensorer som mäter ett 2-D-mönster av magnetisk aktivitet över chipet. Gruppen byggde ett system som använder ett läs- och skrivhuvud från en hårddisk för att mäta dessa fält, och en mycket mer känslig ersättare är under utveckling. Eftersom varje liten spår som bär elektroner i rörelse genererar ett magnetfält, magnetiska data utgör en karta över strömflöde som avslöjar nedgrävda elektriska lager.

De magnetiska mätningarna kommer också att lokalisera virvlarna - små strömmar - som bildas under vissa förhållanden i supraledande material, och avgöra om virvlarna är orörliga ("fästa") på en enda plats eller kan röra sig runt den superledande kretsen och därigenom generera motstånd mot superströmflöde.

NIST:s roll i C3 bidrar också till ett byråövergripande initiativ avsett att utveckla de bredare mätfunktioner som behövs för att testa och utvärdera komponenter för framtida högpresterande datorer. NSCI benämner NIST som en "grundläggande forskning och utveckling" -byrå med uppdraget att fokusera på "mätvetenskap för att stödja framtida datorteknik."

"Detta partnerskap med IARPA om C3 -superdatorprogrammet, "säger Bob Hickernell, Chef för NIST:s kvantelektromagnetiska avdelning, "kombinerar branschledarnas expertis inom både kryogent minne och utveckling av logikkretsar tillsammans med NIST:s expertis inom supraledande elektronik och magnetiska mätningar vid ultralåga temperaturer för att påskynda framsteg som lovar hög inverkan på områden inklusive biomedicinsk förståelse och behandlingar, avancerad materialutveckling, och väderprognoser med hög noggrannhet. "