Gli scienziati del NIST hanno sviluppato un nuovo sistema di sonde automatizzate per valutare le prestazioni dei componenti dei computer progettati per funzionare 100 volte più velocemente dei migliori supercomputer di oggi e consumare appena 1/1000 dell'energia.

Quella gamma di prestazioni, come previsto dalla National Strategic Computing Initiative (NSCI), è l'obiettivo principale di molti programmi federali e del settore privato che studiano diverse tecnologie e piattaforme. Uno di questi è il programma Cryogenic Computing Complexity (C3), supportato dall'agenzia Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA). Il suo scopo è quello di consentire una nuova generazione di supercomputer superconduttori a bassa potenza che operano a temperature dell'elio liquido e utilizzano la commutazione ultraveloce di elementi di circuito microscopici chiamati giunzioni Josephson.

Nessuno conosce ancora il modo (oi modi) migliore per farlo. Secondo i termini del programma C3, ciascuno dei tre diversi partecipanti al settore crea memoria prototipo e unità logiche progettate per funzionare all'interno dei parametri del programma. Il compito di testare in modo indipendente questi dispositivi spetta al NIST.

"Quello che vogliono che il NIST faccia è verificare che quei dispositivi funzionino come dicono i produttori, "dice William Rippard, leader del gruppo Spin Electronics del NIST, che sta testando i componenti della memoria. "Ciò significa che dobbiamo essere in grado di misurare segnali insolitamente deboli su scale temporali insolitamente veloci. Entrambi ci hanno richiesto di sviluppare nuove capacità di misurazione. Il nuovo sistema di sonde è una parte importante di questo sforzo".

Il NIST è responsabile della caratterizzazione di ogni singolo dispositivo (tipicamente da 100 nm a 1 µm) in ogni chip (tipicamente da 5 mm a 10 mm di dimensione) e dei suoi sottocomponenti alla temperatura dell'elio liquido (4 kelvin). Per questo impiegano un criostato che ha un'instabilità di temperatura di soli 50 millikelvin, al cui interno si trova un manipolatore a tre assi progettato dal NIST guidato da un sistema di feedback ottico per sondare punti specifici. Ma i ricercatori testano anche gli stessi dispositivi a temperatura ambiente per cercare correlazioni nelle proprietà su un intervallo di circa 300 K. Ciò consentirà ai test a temperatura ambiente dei dispositivi di fornire un comportamento predittivo quantitativo a 4 K.

Poiché un circuito potrebbe contenere grandi matrici di 10, 000 o più giunzioni Josephson, testare ciascuno di essi individualmente è un compito arduo. Gli scienziati del NIST hanno sviluppato un sistema completamente automatizzato in grado di posizionare esattamente la punta della sonda utilizzando il feedback ottico di una telecamera che guarda la superficie del chip a 4 K. Questa disposizione consente alla punta della sonda di spostarsi sul dispositivo con incrementi precisi.

Un'altra sfida è la velocità coinvolta. I circuiti superconduttori operano su scale temporali di picosecondi, un milionesimo di milionesimo di secondo. "In una configurazione tipica, hai forse due metri di cavo che corre tra il dispositivo che stai testando e la strumentazione, " dice Rippard. "Quando un impulso di picosecondi viaggia attraverso quel cavo così lungo, si attenua e si diffonde. Quello che era iniziato come un segnale davvero forte si è allungato fino a sembrare una curva a campana".

Per aggirare quel problema, il gruppo sta ideando circuiti specializzati che permetteranno loro di amplificare il segnale a pochi centimetri dal chip che lo ha prodotto. Al contrario, per inviare segnali ultra-corti al chip, utilizzano un laser a femtosecondi (che spara a un impulso di luce di 0,2 picosecondi di durata) e convertono il segnale ottico in un impulso elettrico nell'intervallo di pochi picosecondi.

Gli elettrodi della sonda possono essere sostituiti con sensori altamente reattivi che misurano un modello 2-D di attività magnetica attraverso il chip. Il gruppo ha costruito un sistema che utilizza una testina di lettura-scrittura da un'unità disco rigido per misurare quei campi, e un sostituto molto più sensibile è in fase di sviluppo. Poiché ogni minuscola traccia che trasporta elettroni in movimento genera un campo magnetico, i dati magnetici costituiscono una mappa del flusso di corrente che rivela strati elettrici sepolti.

Le misurazioni magnetiche localizzeranno anche i vortici, piccoli vortici di corrente, che si formano in determinate condizioni nei materiali superconduttori, e determinare se i vortici sono immobili ("incastrati") in una singola posizione o possono muoversi intorno al circuito superconduttore e quindi generare resistenza al flusso di supercorrente.

Il ruolo del NIST in C3 contribuisce anche a un'iniziativa a livello di agenzia intesa a sviluppare le capacità di misurazione più ampie necessarie per testare e valutare i componenti per il futuro calcolo ad alte prestazioni. L'NSCI nomina il NIST un'agenzia di "ricerca e sviluppo fondamentale" con la missione di concentrarsi sulla "scienza della misurazione per supportare le future tecnologie informatiche".

"Questa partnership con IARPA sul programma di supercalcolo C3, "dice Bob Hickernell, Capo della Divisione Elettromagnetica Quantistica del NIST, "combina l'esperienza dei leader del settore sia nella memoria criogenica che nello sviluppo di circuiti logici insieme all'esperienza del NIST nelle misurazioni elettroniche e magnetiche superconduttive a temperature ultra basse per accelerare i progressi che promettono un impatto elevato in aree tra cui la comprensione e i trattamenti biomedici, sviluppo di materiali avanzati, e previsioni meteorologiche di alta precisione."