ИСТИНА

Создание систем обработки больших объемов данных и искусственного интеллекта следующих поколений требует исследования путей перехода к новым материалам и способам конструирования. Данная задача, сформулированная в НТР РФ, обусловлена как невозможностью дальнейшего долговременного прогресса вычислительных устройств на традиционном пути масштабирования кремниевых транзисторов, так и новыми возможностями, открывающимися в решении некоторых классов задач с применением устройств на базе не фон неймановской архитектуры, таких как нейроморфные процессоры и квантовые компьютеры. В данных устройствах использование стандартной компонентной базы часто оказывается неоптимальным или невозможным. Увеличение производительности и энергоэффективности вычислительных устройств может быть получено на предлагаемом в данном проекте пути использования сверхпроводящих материалов и новых физических принципов, позволяющих реализовать энергоэффективные вычисления при высоком быстродействии. Ключевой задачей проекта является решение основной проблемы сверхпроводниковых электронных цепей – низкой степени интеграции. Новизной подхода будет являться изначальный ориентир на конструирование схем на базе наноразмерных джозефсоновских контактов и минимизация размеров активных компонент логических устройств за счет создания компактных «безындуктивных» схем. Разработанная компонентная база будет применена как для создания компонент логических устройств, включая и устройства новой «фазовой» логики, так и устройств нейроморфной обработки информации и интерфейсов к квантовым сверхпроводящим цепям. Выполнение данного проекта обеспечит базу для создания полноценной цифровой посткремниевой технологии и обеспечит сохранение имеющегося приоритета РФ в этой динамично развивающейся области.

The development of artificial intelligence and big data processing systems requires the research and application of new materials and design methods. This is formulated in the NTR of the Russian Federation. This problem arises due both to the Заявка № 20-12-00130 Страница 2 из 81 impossibility of further long-term progress of computing devices on the traditional way of silicon transistors scaling and to new opportunities that open up in solving some classes of problems using devices based on non-Neumann architecture, such as neuromorphic processors and quantum computers. The use of a standard component base is often not optimal or impossible in these devices. An increase in the performance and energy-efficiency of computing devices can be obtained by the use of superconducting materials and new physical principles proposed in this project, which makes it possible to implement energy-efficient calculations with high speed. The key objective of the project is to solve the main problem of superconducting electronic circuits - a low integration density. The novelty of the approach is the focus on the circuits design based on nanoscale Josephson junctions and minimizing the size of the active components of logic devices by creating compact "inductanceless" circuits. The developed component base will be used both for the synthesis of components of logical devices, including devices of a new superconducting “phase” logic, as well as devices for neuromorphic information processing and interfaces to quantum superconducting circuits. The implementation of this project will provide the basis for the development of a digital post-silicon technology and will ensure the preservation of the existing priority of the Russian Federation in this dynamically developing field.

В ходе проекта планируется поэтапная разработка основ пост-кремниевой сверхпроводниковой технологии для создания высокопроизводительных энергоэффективных систем обработки данных. Полученные результаты будут включать в себя схемотехнические решения для реализации компактных, в том числе «безындуктивных», логических схем, нейроморфных цепей и интерфейсов к сверхпроводниковым квантовым схемам. Будут разработаны алгоритмы и специальные программы моделирования и проектирования сверхпроводниковых цепей, предложены и отработаны методики их тестирования, разработаны технологические карты их изготовления на базе наноразмерных джозефсоновских контактов. На конечном этапе проекта будут изготовлены и протестированы компоненты «безындуктивных» схем, выполняющих логические операции, прототипа нейросети типа персептрон, а также схемы контроля регистра сверхпроводящих потоковых кубитов. Планируемые работы находятся на переднем крае исследований в обозначенной области и в части использования наноразмерных джозефсоновских контактов в качестве элементной базы будут, по сути, определять мировой уровень знаний. Практические шаги по применению результатов проекта создадут основу для существенного прогресса как в области систем классической обработки больших объемов данных, так и в области квантовых компьютеров и технологий искусственного интеллекта. Полученные результаты могут быть применены для разработки систем автоматизированного проектирования сверхпроводниковых интегральных схем и их стандартизированного изготовления по отработанным технологическим маршрутам. В дальнейшем это позволит перейти к промышленному производству широкого спектра устройств сверхпроводниковой электроники для областей высокоэффективной обработки данных, приема и обработки радиосигналов, радиоастрономии, метрологии и других, что откроет дорогу для коммерциализации целого ряда существующих наработок в области слаботочной прикладной сверхпроводимости.