Физические и инженерные основы вычислителей не фон Неймановской архитектуры на базе сверхпроводниковой спинтроники

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-69-47013

НазваниеФизические и инженерные основы вычислителей не фон Неймановской архитектуры на базе сверхпроводниковой спинтроники

Руководитель Соловьев Игорь Игоревич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №47 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты)»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-705 - Энергосберегающие технологии для суперЭВМ

Ключевые слова Сверхпроводниковая спинтроника, элементная база, САПР, сверхпроводниковая ЭВМ, спиновый вентиль

Код ГРНТИ47.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одним из бурно развивающихся направлений в области высокопроизводительной вычислительной техники в последнее время является создание вычислителей не фон Неймановской архитектуры, таких как квантовые компьютеры и нейроморфные системы. Реализация квантового вычислителя на базе сверхпроводящих материалов сейчас находится на этапе перехода от прототипов квантовых процессоров, состоящих из нескольких кубитов, к процессорам, состоящим из десятков кубитов. Ожидается, что в ближайшей перспективе такие системы смогут решать задачи недоступные для классических суперкомпьютеров. С увеличением схемотехнической сложности квантовых цепей особенно важную роль начинают играть интерфейсные схемы, осуществляющие контроль и считывание состояний кубитов. Использование сверхпроводниковых управляющих сопроцессоров позволяет значительно сократить время обратной связи, за счет чего увеличить количество квантовых операций, а, следовательно, и сложность выполняемого алгоритма. Ключевыми характеристиками таких устройств являются энергоэффективность, быстродействие, компактность, возможность динамической настройки функционала. В то же время, эти характеристики в совокупности с возможностью изготавливать джозефсоновские контакты, являющиеся активными элементами цепей в различных слоях микросхем, предоставляют перспективную возможность для реализации сверхпроводниковых глубоких нейросетей в 3D архитектуре. Реализация таких нейроморфных систем позволит вплотную приблизиться к созданию искусственного интеллекта – технологии, которая по экспертным оценкам может стать основным технологическим прорывом 21 века. Недавние исследования показали, что качественное улучшение перечисленных характеристик сверхпроводниковых схем может быть достигнуто с использованием элементов спинтроники - гетероструктур, включающих металлические и ферромагнитные слои. Необходимо, однако, отметить, что физика таких структур, подробно изученная теоретически рядом ведущих научных групп России, Японии, США, Франции и Германии, недостаточно исследована экспериментально (к примеру, по сравнению с гигантским потоком экспериментальных данных по ВТСП). В настоящем проекте планируется фундаментальное исследование физики гибридных наноструктур, составной частью которых является искусственный ферромагнетик. Он представляет собой периодическую структуру, период которой состоит из нескольких чередующихся тонких сверхпроводящих и ферромагнитных пленок. В таких структурах должен наблюдаться особый вид эффекта близости, приводящий к целому ряду новых физических эффектов. К ним относятся инверсный эффект близости, существование неоднородного сверхпроводящего состояния типа Ларкин-Овчинников-Фулде-Феррелл (ЛОФФ), осцилляции критической температуры и критического тока Джозефсона как функции толщины слоя ферромагнетика, триплетное сверхпроводящее состояние и триплетный спин-вентильный эффект. Проявления этих новых эффектов в джозефсоновских контактах с искусственными ферромагнетиками, а также возможность их успешного использования для построения принципиально новых базовых элементов сверхпроводниковых вычислительных систем и будут исследованы в физической части проекта. В инженерной части междисциплинарного проекта будут разработаны компоненты системы автоматизированного проектирования многоэлементных сверхпроводниковых схем, включающих возможность моделирования физики изучаемых гетероструктур и извлечения их физических параметров из проектируемой топологии микросхем для создания их математических моделей. На базе разработанного программного обеспечения будут спроектированы опытные образцы микроволновых, цифровых и нейроморфных компонент сверхпроводниковых вычислителей. Выполнение проекта станет основой возможности реализации нового подхода к построению интерфейсных схем для многокубитных процессоров и сверхпроводниковых глубоких нейросетей, преимущество которых в быстродействии, компактности и энергоэффективности будет обеспечено за счет использования элементов спинтроники, исследуемых в данном междисциплинарном проекте. Выполнение проекта направлено на решение задачи Н1, сформулированной в НТР РФ, в части создания систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта и призвано обеспечить приоритет РФ в этой динамично развивающейся области знаний.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бакурский С.В., Куприянов М.Ю., Кленов Н.В., Соловьев И.И., Щеголев А.Е., Морари Р., Хайдуков Ю., Сидоренко А.С. Controlling the proximity in a Co/Nb multilayer: the properties of electronic transport Beilstein journal of nanotechnology, 11, 1336–1345 (год публикации - 2020)
10.3762/bjnano.11.118

2. Головчанский И.А., Абрамов Н.Н., Столяров В.С., Чичков В.И., Силаев М., Щетинин И.В., Голубов А.А., Рязанов В.В., Устинов А.В., Куприянов М.Ю. Magnetization Dynamics in Proximity-Coupled Superconductor-Ferromagnet-Superconductor Multilayers Physical Review Applied, v. 14, p. 024086 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevApplied.14.024086

3. Скрябина О.В., Бакурский С.В., Шишкин А.Г., Клименко А.А., Напольский К.С., Кленов Н.В., Соловьев И.И., Рязанов В.В., Голубов А.А., Родичев Д., Куприянов М.Ю., Столяров В.С. Environment‑induced overheating phenomena in Au‑nanowire based Josephson junctions Scientific Reports, 11, 15274 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-94720-5

4. Ружицкий В., Соловьев И., Бакурский С., Кленов Н., Куприянов М, Столяров В., Родичев Д., Сидоренко А. Modeling of the vortex dynamics in long Josephson junction IEEE 14th Workshop on Low Temperature Electronics, WOLTE 2021 - Proceedings, 172424 (год публикации - 2021)
10.1109/WOLTE49037.2021.9555435

5. Бакурский С.В., Неило А.А., Кленов Н.В., Соловьев И.И., Голубов А.А., Куприянов М.Ю. Density of states and current–voltage characteristics in SIsFS junctions Superconductor Science and Technology, 34, 085007 (год публикации - 2021)
10.1088/1361-6668/ac0870

6. В. Столяров, В. Обознов, Д. Касатонов, А. Неило, С. Бакурский, Н. Кленов, И. Соловьев, М. Куприянов, А. Голубов, Т. Крен, Д. Родичев Effective Exchange Energy in a Thin, Spatially Inhomogeneous CuNi Layer Proximized by Nb The Journal of Physical Chemistry Letters, 13, 28, 6400-6406 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.jpclett.2c00978

7. А.В. Богацкая, А.Е. Щеголев, Н.В. Кленов, Е.М. Лобов, М.В. Терешонок, А.М. Попов Issues with Modeling a Tunnel Communication Channel through a Plasma Sheath Sensors, 22(1), 398 (год публикации - 2022)
10.3390/s22010398

8. М.В. Терешонок, Н.В. Кленов, Е.М. Лобов, Д.Н. Шубин, Н.А. Кандауров, В.И. Липаткин The Modulation and Coding Scheme for the Command and Telemetry Radio Line of Communications with Re-Entry Spacecraft Journal of Communications Technology and Electronics, 67, 281–286 (год публикации - 2022)
10.1134/S1064226922030160

9. В.А. Вожаков, М.В. Бастракова, Н.В. Кленов, А.М. Сатанин, И.И. Соловьев Speeding up qubit control with bipolar single-flux-quantum pulse sequences Quantum Science and Technology, № 8, стр. 035024 (год публикации - 2023)
10.1088/2058-9565/acd9e6

10. Г.С. Хисматуллин, Н.В. Кленов, И.И. Соловьев Optimization of Adiabatic Superconducting Logic Cells by Using π Josephson Junctions Jetp Letters, Vol. 118, No. 3, pp. 220–229 (год публикации - 2023)
10.1134/S0021364023601331

11. А.Е. Щеголев, Н.В. Кленов, С.В. Бакурский, И.И. Соловьев, М.Ю. Куприянов, М.В. Терешонок, А.С. Сидоренко Tunable superconducting neurons for networks based on radial basis functions Beilstein Journal of Nanotechnology, 13, 444–454 (год публикации - 2022)
10.3762/bjnano.13.37

12. О.В. Скрябина, А.Е. Щеголев, Н.В. Кленов, С.В. Бакурский, А.Г. Шишкин, С.В. Сотничук, К.С. Напольский, И.А. Нажесткин, И.И. Соловьев, М.Ю. Куриянов, В.С. Столяров Superconducting Bio-Inspired Au-Nanowire-Based Neurons Nanomaterials, 12, 1671 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12101671

13. В.С. Столяров, В. Ружицкий, Р.А. Ховханнисян, С. Гребенчук, А.Г. Шишкин, О.В. Скрябина, И.А. Головчанский, А.А. Голубов, Н.В. Кленов, И.И. Соловьев, М.Ю. Куприянов, А. Андрияш, Д. Родичев Revealing Josephson Vortex Dynamics in Proximity Junctions below Critical Current Nano Letters, 22(14), 5715-5722 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.nanolett.2c00647

Публикации