L’électronique supraconductrice

Publié le 22 juin 2020 - Un commentaire -
PDF Afficher une version imprimable de cet article
  

J’ai eu le plaisir d’intervenir jeudi 18 juin 2020 dans une masterclass sur le “Hardware de l’IA” pour le Hub France IA qui durait deux heures (vidéo). J’y faisais un tour assez large et technique de la grande diversité des solutions matérielles d’accélération des applications de l’intelligence artificielle. J’y couvrais surtout la question des processeurs spécialisés et de la mémoire associée, en laissant un peu de côté le stockage et les télécommunications qui jouent aussi un rôle important.

Au détour de cette présentation, j’inventoriais différentes technologies permettant d’accélérer les calculs dont une qui est peu connue, celle du calcul à base de composants électroniques supraconducteurs. Je l’ai aussi étudiée dans le cadre de la préparation de la troisième édition de mon ebook open source Comprendre l’informatique quantique, qui m’occupe depuis le début du confinement covidesque et que je prévois de publier début septembre 2020. Cette prochaine édition sera très enrichie de nombreuses nouvelles parties avec un contenu scientifique et technologique encore plus dense. J’y aborde en particulier le cas des technologies de pointe qui sont soit concurrentes soit complémentaires du calcul quantique. Celle-ci en fait partie.

Voici donc en avant-première le contenu de cette nouvelle partie, parmi plein d’autres, de cette édition 2020. Je n’y intègre pas toutes les références et liens, que vous trouverez en bonne et due forme dans l’ebook en septembre 2020.

L’idée de créer des composants électroniques supraconducteurs capables de tirer parti de l’absence de résistance de composants à électroniques à basse température date du début des années 1960. Promue au départ par IBM, elle s’appuie en particulier sur la découverte de l’effet Josephson en 1962. L’effet Josephson décrit le passage de courant par effet tunnel dans un circuit supraconducteur et les effets de seuils associés. Le courant traverse une fine barrière isolante de quelques nanomètres d’épaisseur. En-dessous d’une certaine tension, le courant se met à osciller. Il est généré par les électrons organisés en paires de Cooper du nom de Leon Neil Cooper qui les a découverts en 1952. L’interprétation du phénomène de la supraconductivité n’a été formulée qu’en 1957 par John Bardeen (co-inventeur du transistor en 1947, deux fois prix Nobel de physique), Leon Neil Cooper et John Robert Schrieffer de l’Université de l’Illinois dans ce que l’on appelle la théorie BCS. En 1957, Cooper avait seulement 27 ans et il a obtenu le prix Nobel associé à 42 ans. Né en 1930, il est toujours de ce monde.

Ces électrons en paires de Cooper sont de spins opposés (polarité magnétique) et se constituent du fait du rapprochement des ions métalliques à leur passage. Le système se comporte comme une résistance associée à une inductance en boucle, l’oscillation étant contrôlable par un champ magnétique. Le physicien et prix Nobel de physique Serge Haroche explique l’effet Josephson dans cette vidéo de son cours du Collège de France de 2011.

image

Cet effet Josephson sert à faire fonctionner les qubits supraconducteurs d’ordinateurs quantiques comme ceux d’IBM, de Google, Rigetti, IQM (Finlande), Alice & Bob (France) et plein d’autres, y compris D-Wave avec ses calculateurs à recuit quantique qui s’appuie essentiellement sur l’effet tunnel. L’effet Josephson est aussi exploitable pour créer des transistors supraconducteurs qui ne vont pas faire appel aux mécanismes de la superposition et de l’intrication propres au calcul quantique. C’est de ça dont traite le reste de ce texte.

Leurs bénéfices attendus sont une baisse de la consommation d’énergie et une augmentation de la fréquence d’horloge des circuits. Donc, dessert et fromage !

Plusieurs générations de composants supraconducteurs se sont succédées depuis les années 1960 :

  • Des SFQ (Single Flux Quantum) de première génération, qui étaient limités à une fréquence d’horloge de 1 GHz et à 300 Mhz en pratique. Les études portant sur eux chez IBM avaient démarré dans les années 1960. Le géant des mainframes y avaient investi l’équivalent de $100m d’aujourd’hui, dans un programme qui était financé en partie par la NSA et qui a été abandonné en 1983. Cela a cependant débouché indirectement sur les qubits supraconducteurs d’IBM qui sont aussi à base d’effet Josephson (source du schéma).
  • Les RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) inventés en Russie au milieu des années 1980 et réalisés à base de niobium et d’aluminium. Ils ont été adoptés aux USA en 1991 pour aboutir aux premiers composants finis au milieu des années 2000. Ils présentent l’avantage de pouvoir opérer jusqu’à 750 GHz ce qui est une vitesse extraordinaire comparativement à celle des processeurs d’aujourd’hui dont la fréquence d’horloge plafonne aux environs de 4 GHz. On peut réaliser avec eux des ALU (Arithmetic Logic Units) tournant à 20/30 GHz ainsi que des convertisseurs ADC (analog to digital) allant jusqu’à 40 GHz. Dans la logique RSFQ, l’infor­mation binaire est gérée sous la forme d’états quantiques de flux de la junction Josephson, qui est transférée sous forme de pulsations de tension. La technologie ne fait pas appel à la superposition d’états comme dans les qubits supraconducteurs. La société américaine Hypres développe des systèmes de réception radiofréquences qui utilisent deux composants supraconducteurs : des antennes à base de SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) qui permettent de capter le magnétisme avec précision (inventés en 1964) et un chipset en RSFQ tournant à 30 GHz avec 11K JJ (jonctions Josephson).

  • Les RQL (Reciproqual Quantum Logic), eRSFQ (Energy Efficient RSFQ) et eSFQ (Energy Efficient SFQ) qui sont des variantes des RSFQ qui sont plus efficaces énergétiquement grâce à l’absence de résistance de biais, remplacée par une inductance. C’est la voie choisie par Hypres et sa filiale SeeQC. Leurs SFQ associent des eRSFQ, dont ils sont à l’origine, et des eSFQ. Les RQL sont étudiés pour créer des mémoires supraconductrices.

image

  • Les AQFP (Adiabatic Quantum Flux Parametron) qui comprennent deux boucles supraconductrices Josephson reliées entre elles par une inductance, ce qui rappelle le principe du nSQUID. Le procédé est très efficace énergétiquement grâce à sa capacité à être réversible.
  • Les SFET (Superconducting FET, Field Effect Transistors) qui appliquent un concept voisin des CMOS adiabatiques vus précédemment, mais avec un composant supraconducteur. Ces composants sont développés depuis les années 1980.

Il existe quelques autres variantes de composants supraconducteurs que je ne ferais que citer (SSV, SVJJ, STTJJ, S3JJ) car elles ne semblent pas courantes, sans compter la JMRAM pour la mémoire supraconductrice.

A ce jour, le record d’intégration de ce type de composant est de seulement 144 000 jonctions Josephson dans un chipset, réalisé en intégration 248 nm.

La NSA misait au milieu des années 2000 sur le RSFQ en y investissant $400m sur la période 2005-2010. Elle s’était donnée comme objectif de créer un processeur doté d’un million de portes logiques tournant à 50 GHz. Le document de la NSA décrivant le projet est étonnamment très détaillé et tout autant instructif. On y découvre l’étendue des défis technologiques à relever. Il y a notamment celui de la création de mémoires cryogéniques supraconductrices ou pas : hybride CMOS-jonction Josephson, SFQ ou monolithique RSFQ-MRAM. Puis la communication entre l’électronique cryogénisée et l’extérieur, a priori avec une bardée de fibres optiques à 25 Gbits/s que l’on ferait probablement monter aujourd’hui à 100 ou 200 Gbits/s.

Enfin, il faut dimensionner la cryogénie pour supporter un grand nombre de composants. Pour les tests, une simple tête pulsée et son compresseur suffisent. Des installations plus imposantes sont envisagées pour la montée en puissance, comme dans l’illustration ci-dessous. Mais la température requise est de 4K, bien moins contraignante que les 15 mK des qubits supraconducteurs. A 4K, un compresseur et une tête pulsée (qui viennent principalement de l’Américain CryoMech ou du Japonais Sumitomo) font l’affaire et consomment entre 5 et 12 kW. Le budget thermique à 4K qui peut être dépensé par l’électronique est d’au moins 1W ce qui permet de faire pas mal de choses. Quant aux supraconducteurs à température ambiante ou presque ambiante, ils existent en laboratoire mais nécessitent des pressions énormes incompatibles avec la production de composants électroniques en couches.

image

Le projet s’appuyait surtout sur la société Hypres, la seule société américaine entièrement dédiée à la création de composants supraconducteurs et dotée de sa propre fonderie depuis 1983. Ils fournissaient des composants radiofréquences à l’armée. Ils ont notamment développé un processeur 8 bits en RSFQ et 28 000 jonctions Josephson.

SeeQC (2017, USA, $11,8M) est une spin-off du groupe américain Hypres, spécialisée dans la création d’électronique supraconductrice et crée par John Levy, Matthew Hutchings et Oleg Mukhanov. Son nom signifie « Superconducting Energy Efficient Quantum Computing ». Elle se focalise dans la création de circuits de contrôle de qubits supraconducteurs eux-mêmes supraconducteurs dotés de mémoires à base de technologie spintronique (spin d’électrons).

Leur chipset de contrôle est conçu pour être placé à l’étage qui est la température de 4K du cryostat, le chipset quantique étant positionné dans un étage plus bas, à 15 mK. Il exploite des jonctions Josephson SFQ. Dénommé Digital Quantum Management (DQM) System-on-a-Chip, le circuit comprend les générateurs de micro-ondes de pilotage des qubits (avec DAC, des convertisseurs de signaux numériques en analogiques) et de l’électronique de lecture de l’état des qubits (avec des ADC, convertisseurs des signaux de micro-ondes analogiques en versions numériques). C’est censé énormément simplifier la connectique interne de l’ordinateur, enlevant une partie de ces câbles supraconducteurs ainsi que les composants d’atténuation et d’amplification de micro-ondes. La société a en fait été financée dans le cadre du projet C3 de l’agence IARPA lancé en 2016.

Il y a aussi Northrop Grumman avec sa fonderie située à Linthicum dans le Maryland. Enfin, étaient aussi impliquée l’Université Chalmers en Suède et divers laboratoires de recherche aux USA (JPL, Berkeley, Stony Brook) ainsi que le laboratoire de Boulder du NIST.

L’agence IARPA a pris le relai avec le projet Cryogenic Computing Complexity (C3) lancé en 2014. Il impliquait IBM, Northrop Grumman, Raytheon et Hypres et devait se terminer en 2018.

image

Ce projet s’intégrait à la National Strategic Computing Initiative (NSCI) lancée en 2015 par la Maison Blanche et qui portait sur le développement de supercalculateurs. Mais tout cela date de l’administration de Barack Obama et ne semble pas avoir été reconduit sous celle de Donald Trump. Il est difficile de trouver ce qu’a donné ce projet en 2020.

Hors USA, le Japanese Superconducting Computing Program ambitionnait en 2004 de créer un processeur tournant à 100 GHz générant 100 GLOPS en SFQ complété par 200 To de DRAM à 77K pour générer un système de 1,6 petaFLOPS comprenant 16384 processeurs. Le tout avec un cryostat consommant 12 MW et générant une puissance thermique de 18 kW à 4,2K. Il n’a pas encore vu le jour 15 ans plus tard. Ils arrivaient à créer le CORE1α en 2003 à 4999 JJ (jonctions Josephson) et tournant à 15 GHz, le CORE1β en 2006 à 10955 JJ tournant à 25 GHz, le CORE1γ avec 22302 JJ également à 25 GHz, le CORE100 en 2015 à 3073 JJ et 100 GHz, le COREe2 en 2017 à 10655 JJ et 50 GHz avec une mémoire intégrée. Voir Impact of Recent Advancement in Cryogenic Circuit Technology par Akira Fujimaki et Masamitsu Tanaka, 2017 (37 slides). En attendant, le supercalcutateur IBM Summit qui utilise des processeurs traditionnels et des GPUs génère 200 petaFLOPS en consommant 13 MW. Alors, pourquoi se décarcasser ?

La Chine a annoncé en 2018 un plan à $145m de construction d’un ordinateur supraconducteur pour 2022. Ils avaient alors créé une puce avec 10 000 jonctions Josephson. La Russie a aussi des ambitions dans le domaine.

En France, j’ai repéré que le laboratoire CMNE (Composants Micro Nano Electroniques) de l’IMEP-LaHC (Microélectronique, électromagnétisme, photonique, hyperfréquences) de l’UGA (Grenoble) travaillait dans ce domaine, sous la responsabilité de Pascal Febvre qui est basé sur le site de Chambéry. Citons aussi les amplificateurs cryogéniques à base de SQUIDs supraconducteurs à effet Josephson TWPA – travelling wave parametric amplifier – qui sont développés par l’Institut Néel (CNRS), le LPMMC (CNRS) et l’UGA à Grenoble avec notamment Nicolas Roch. Les composants de tests ont été fabriqués dans la Nanofab de l’Institut Néel de Grenoble. Voir A photonic crystal Josephson traveling wave parametric amplifier par Luca Planat & al, octobre 2019 (17 pages). On peut enfin citer un projet chinois allant dans le même sens, de générateur de micro-ondes supraconducteur pour le contrôle de qubits supraconducteurs s’appuyant sur un FPGA d’origine Xilinx.

Au final, cette filière des ordinateurs supraconducteurs est pour l’instant encore en suspens. Elle a souffert de l’avancée ininterrompue de la loi de Moore jusqu’à ces dernières années et aux difficultés de sa mise en œuvre pratique. Il n’est pas impossible que des synergies se développent entre le calcul quantique et cette branche un peu délaissée. Elles peuvent s’entre-aider comme on a pu le voir avec les circuits supraconducteurs de pilotage de qubits supraconducteurs ou silicium de SeeQC. Sait-on, le calcul quantique fera peut-être renaître indirectement cette filière !

Rendez-vous en septembre 2020 pour voir cette partie intégrée dans l’ebook “Comprendre l’informatique quantique” et d’autres technologies complémentaires ou alternatives au calcul quantique !

RRR

 
S
S
S
S
S
S
S
img
img
img

Publié le 22 juin 2020 Post de | Composants, Quantique, Technologie, USA | 13337 lectures

PDF Afficher une version imprimable de cet article     

Reçevez par email les alertes de parution de nouveaux articles :


 

RRR

 
S
S
S
S
S
S
S
img
img
img

Un commentaire sur “L’électronique supraconductrice” :

  • [1] - Daniel Quantro a écrit le 23 juin 2020 :

    Les russes ont été des précurseurs de la logique SFQ et RSFQ, mais Le Japon est le pays où la recherche dans ce domaine a été la plus développée. Le problème est qu’il n’en est jamais rien sorti d’utilisable depuis le tout début des années 2000, malgré quelques dispositifs ultra rapides. Les US ont relancé un programme pour suivre tout de même.




Ajouter un commentaire

Vous pouvez utiliser ces tags dans vos commentaires :<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong> , sachant qu'une prévisualisation de votre commentaire est disponible en bas de page après le captcha.

Last posts / derniers articles

Free downloads

Understanding Quantum Technologies 2023, a free 1,366 pages ebook about all quantum technologies (computing, telecommunications, cryptography, sensing) also available in paperback edition on Amazon:

image

Free downloads

Understanding Quantum Technologies 2023 Short version, a 24 pages with key takeaways from the eponymous book.

image

Voir aussi la liste complète des publications de ce blog.

Derniers albums photos

Depuis juillet 2014, mes photos sont maintenant intégrées dans ce site sous la forme d'albums consultables dans le plugin "Photo-Folders". Voici les derniers albums publiés ou mis à jour. Cliquez sur les vignettes pour accéder aux albums.
albth
QFDN
Expo
791 photos
albth
Remise Légion d'Honneur Philippe Herbert Jul2021
2021
15 photos
albth
Vivatech Jun2021
2021
120 photos
albth
Visite C2N Palaiseau Mar2021
2021
17 photos
albth
Annonce Stratégie Quantique C2N Jan2021
2021
137 photos
albth
Maison Bergès Jul2020
2020
54 photos
albth
Grenoble Jul2020
2020
22 photos

image

Avec Marie-Anne Magnac, j'ai lancé #QFDN, l'initiative de valorisation de femmes du numérique par la photo. Elle circule dans différentes manifestations. L'initiative rassemble près de 800 femmes du numérique (en janvier 2022) et elle s'enrichit en continu. Tous les métiers du numérique y sont représentés.

Les photos et les bios de ces femmes du numérique sont présentées au complet sur le site QFDN ! Vous pouvez aussi visualiser les derniers portraits publiés sur mon propre site photo. Et ci-dessous, les 16 derniers par date de prise de vue, les vignettes étant cliquables.
flow
Gaëlle Rannou
Gaëlle est étudiante à 42 Paris et tutrice de l’équipe pédagogique (en 2021).
flow
Jehanne Dussert
Jehanne est étudiante à l'école 42, membre d'AI For Tomorrow et d'Open Law, le Droit ouvert. Elle est aussi fondatrice de "Comprendre l'endométriose", un chatbot informant sur cette maladie qui touche une personne menstruée sur 10, disponible sur Messenger. #entrepreneuse #juridique #santé
flow
Chloé Hermary
Chloé est fondatrice d'Ada Tech School, une école d'informatique alternative et inclusive dont la mission est de former une nouvelle génération de talents diversifié à avoir un impact sur le monde. #entrepreneuse #formation
flow
Anna Minguzzi
Anna est Directrice de Recherche au CNRS au Laboratoire de Physique et Modélisation des Milieux Condensés (LPMMC) à Grenoble. #quantique
flow
Maeliza Seymour
Maeliza est CEO et co-fondatrice de CodistAI, qui permet de créer une documentation du code informatique par une IA.
flow
Candice Thomas
Candice est ingénieure-chercheuse au CEA-Leti, travaillant sur l’intégration 3D de bits quantiques au sein du projet Quantum Silicon Grenoble. #recherche #quantique
flow
Stéphanie Robinet
Stéphanie dirige un laboratoire de conception intégrée de circuits électroniques du CEA-Leti qui travaille sur des systèmes sur puces intégrés, des interfaces de capteurs, des interfaces de contrôle de qubits et de la gestion intégrée de l'énergie. #recherche #quantique
flow
Sabine Keravel
Sabine est responsable du business development pour l’informatique quantique chez Atos. #quantique #IT
flow
Céline Castadot
Céline est HPC, AI and Quantum strategic project manager chez Atos.
flow
Léa Bresque
Léa est doctorante, en thèse à l'institut Néel du CNRS en thermodynamique quantique, sous la direction d'Alexia Auffèves (en 2021). #quantique #recherche
flow
Emeline Parizel
Emeline est chef de projet web et facilitatrice graphique chez Klee Group, co-fondatrice TEDxMontrouge, gribouilleuse à ses heures perdues, joue dans une troupe de comédie musicale, co-animatrice de meetups et est sensible à l’art et à la culture. #création
flow
Elvira Shishenina
Elvira est Quantum Computing lead chez BMW ainsi que présidente de QuantX, l'association des polytechniciens du quantique. #quantique
flow
Marie-Noëlle Semeria
Marie-Noëlle est Chief Technology Officer pour le Groupe Total après avoir dirigé le CEA-Leti à Grenoble. #recherche
flow
Gwendolyn Garan
Gwendolyn est travailleuse indépendante, Game UX Designer, Game UX Researcher (GUR) et 2D Artist pour le jeu vidéo, étudiante en Master 2 Sciences du Jeu, speaker et Formatrice sur l'autisme et la neurodiversité, l'accessibilité et les systèmes de représentation dans les jeux vidéo. #création #jeuvidéo
flow
Alexandra Ferreol
Alexandra est étudiante d'un bachelor Game Design à L'Institut Supérieur des Arts Appliqués (année scolaire 2019/2020) #création #jeuvidéo
flow
Ann-elfig Turpin
Ann-elfig est étudiante en deuxième année à Lisaa Paris Jeux Vidéos (Technical artist, 3D artiste), année scolaire 2019/2020. #création #jeuvidéo

Derniers commentaires

“[…] to Olivier Ezratty, author of Understanding quantum technologies 2023, the challenge for Europe is to position itself outside of where the US and China are likely end up...”
“Désolé, je suis passé à l'anglais en 2021 sans revenir au français. Traduire un tel ouvrage (1366) pages d'une langue à l'autre est un travail herculéen, même avec des outils de traduction automatique. Sachant...”
“Je suis un artiste conceptuel, certes je garde la grande majorité de mon travail dans ma tête par défaut d'un grand mécène. Mon travail de base se situe sur le "mimétisme" qui mène aux itérations et de nombreux...”
“Better than a Harry Potter! Thanks Olivier...”
“J'ai bien aimé le commentaire sur le film Openheiner avec l'interrogation du chercheur sur l'utilisation de ses découvertes. En continuation de ces propos, je propose d'écouter le débat suivant qui m'a semblé...”

Abonnement email

Pour recevoir par email les alertes de parution de nouveaux articles :


 

RRR

 
S
S
S
S
S
S
S
img
img
img