Suprajohtavat suorittimet voivat nousta ratkaisevaan asemaan uuden sukupolven supertietokoneiden kehityksessä. Niiden avulla voidaan kasvattaa kvanttitietokoneiden kokoa sekä vauhdittaa perinteisiä supertietokoneita ja vähentää niiden tehontarvetta. VTT:n johtama monitieteellinen tutkimusprojekti selvittää, miten tietoa voidaan siirtää suprajohtavuuden edellyttämiin mataliin lämpötiloihin ja takaisin huoneenlämpöön.
Kvanttitietokoneen tietojenkäsittelyteho perustuu suprajohtaviin kubitteihin, joita käytetään äärimmäisen matalissa lämpötiloissa. Kubitteja hallitaan tyypillisesti perinteisellä elektroniikalla, joka sijaitsee huoneenlämmössä. Kubitit ovat yhteydessä tähän elektroniikkaan sähkökaapeleilla. Kun kubittien määrä nousee satoihin tuhansiin, vastaava hallintakaapelien määrä aiheuttaa sietämätöntä lämpökuormitusta. Tällöin kvanttisuorittimen edellyttämää kylmyyttä ei voida enää pitää yllä.
Yksi ratkaisu on hallita kvanttisuoritinta perinteisellä suorittimella, joka sijoitetaan kvanttisuorittimen läheisyyteen. Yhden vuokvantin logiikkapiirit (SFQ) ovat lupaavin keino tähän. Ne vastaavat kyvykkyyksiltään perinteisten tietokoneiden logiikkaa, mutta käyttävät puolijohteiden sijaan suprajohtavaa teknologiaa. Koska SFQ-teknologia edellyttää matalia lämpötiloja, sitä käytetään perinteisissä tietokoneissa vain harvoin. Suprajohtaviin kvanttitietokoneisiin yhdistettynä tämä haittapuoli kääntyy kuitenkin eduksi.
Jäljellä on yhä yksi suuri ongelma. Laskentaohjeet tulevat SFQ-suorittimelle perinteiseltä supertietokoneelta, ja laskutulokset täytyy lähettää SFQ-suorittimelta takaisin. Tämä edellyttää tiedonsiirtoa äärimmäisen matalien lämpötilojen ja huoneenlämmön välillä.
”Visiomme on korvata sähkökaapelit optisella kuidulla ja sopivilla muuntimilla, jotka muuntavat optiset signaalit sähköisiksi ja päin vastoin. Näiden komponenttien on kyettävä toimimaan matalissa lämpötiloissa, mihin nykyiset ratkaisut eivät sovellu. aCryComm-projektimme päätavoite on kehittää uudenlaisia muuntimia ja demonstroida, kuinka ne voivat ohjata ja lukea yksinkertaista SFQ-suoritinta”, sanoo Matteo Cherchi, VTT:n johtava tutkija ja projektin koordinaattori.
VTT kehittää parhaillaan suomalaista kvanttitietokonetta yhteistyössä suomalaisen start up -yritys IQM:n kanssa. Vaikka lyhyen tähtäimen tavoite onkin vain 50 kubittia, VTT luo aCryComm-projektissa perustaa pitkäaikaiselle kehitykselle kohti paljon tehokkaampia kvanttitietokoneita.
Lähitulevaisuudessa mahdollisuuksia perinteisille supertietokoneille
Kvanttitietokoneiden lisäksi tavanomaiset supertietokoneet voivat jo piakkoin hyötyä SFQ-teknologialle kehitettävistä optisista yhteyksistä.
Tyypillisessä supertietokoneessa - kuten tavallisessakin tietokoneessa tai puhelimessa - graafiset suoritinyksiköt (GPU:t) tukevat keskusyksikköä (CPU) 3D-hahmontamisessa ja laskennallisissa tehtävissä. GPU:t soveltuvat erityisen hyvin vektori- ja matriisilaskuihin, jotka ovat keskeisiä myös tieteellisissä laskennassa.
Supertietokoneiden käyttöä rajoittaa äärimmäisen korkea energiankulutus. GPU-yksiköiden piisirujen korvaaminen suprajohtavilla SFQ-siruilla voi vaikuttaa merkittävästi supertietokoneiden suorituskykyyn ja tehontarpeeseen.
”Suomen tieteen tietotekniikan keskus CSC sijoittaa pian tiloihinsa eurooppalaisen LUMI-supertietokoneen, joka on yksi maailman suurimmista supertietokoneista. Sen laskentateho vastaa 1,5 miljoonaa kannettavaa tietokonetta ja se kuluttaa tehoa noin 200 MW, mikä vastaa useiden kymmenien tuhansien kotien tarvetta. aCryComm-projekti voi edistää supertietokoneiden seuraavan sukupolven kehittämistä nopeuttaen niitä ja vähentäen samalla tehonkulutusta huomattavasti. Merkittävää on, että tämä uusi teknologia kehitetään ja luodaan kokonaan EU:ssa, toisin kuin useimpien nykyisten supertietokoneiden laitteistot”, sanoo Cherchi.
Supertietokoneiden laskentatehon parantaminen vauhdittaa myös niiden sovellusalueiden kehitystä, esimerkiksi sääennusteita, ilmastonmuutoksen analysointia, lääkkeiden kehitystä ja logistiikkaa.
Monitieteellistä ja kansainvälistä yhteistyötä
aCryComm on kolmivuotinen EU-projekti, jota koordinoi VTT. Projektin visio perustuu VTT:n fotoniikan, suprajohtavien laitteiden, metrologian ja etäviestinnän asiantuntijoiden tiiviiseen yhteistyöhön.
VTT:n monitieteellinen tiimi tunnisti ja kokosi projektille parhaat asiantuntijat ja sopivimmat kansainväliset yhteistyökumppanit. Mukana ovat Tampereen yliopisto Suomessa, Kuninkaallinen teknillinen korkeakoulu KTH Tukholmassa, ETH Zürich Sveitsissä ja Saksan kansallinen metrologian instituutti PTB sekä yritykset Single Quantum Alankomaissa ja Polariton Technologies Sveitsissä.
