Máy tính trên chất siêu dẫn

24

Máy tính trên chất siêu dẫn

Tiến sĩ Vật lý và Toán học
L. G. ASLAMAZOV

Thuật ngữ “thế hệ” đã trở nên vững chắc trong điện toán. Mỗi thế hệ máy tính tiếp theo phải có tốc độ cao hơn (số lượng thao tác trên một đơn vị thời gian), dung lượng bộ nhớ lớn hơn và kích thước nhỏ hơn. Con đường này có giới hạn nào không và máy tính sẽ trở thành gì trong tương lai? Nhiều chuyên gia hàng đầu thế giới hiện nay tin rằng máy tính sẽ trở thành siêu dẫn.

Bây giờ mọi học sinh đều biết siêu dẫn là gì: ở nhiệt độ rất thấp, kim loại và hợp kim không bị xoắn mất điện trở và dòng điện chạy qua các dây dẫn như vậy mà không bị tổn hao. Ý tưởng sử dụng chất siêu dẫn để ghi thông tin vào máy tính đã có lịch sử lâu đời. Vào buổi bình minh của kỷ nguyên công nghệ máy tính, vào những năm 50, các thành phần bộ nhớ siêu dẫn - cryotron - đã được phát triển. Nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên thực tế là từ trường phá hủy tính siêu dẫn. Một lượng kín của chất siêu dẫn có thể ở hai trạng thái ổn định: khi có dòng điện siêu dẫn liên tục chạy qua nó và khi từ trường được bật, chất siêu dẫn bị phá hủy và vòng dây chuyển sang trạng thái bình thường. Bằng cách này, bạn có thể “viết” “0” và “1”, tức là tạo thành phần đơn giản nhất của bộ nhớ máy tính.

Ưu điểm chính của cryotron siêu dẫn so với các phần tử bộ nhớ bán dẫn là ở trạng thái siêu dẫn không có sự phân tách cơ thể. Suy cho cùng, trong quá trình hoạt động, máy tính nóng lên và dung lượng bộ nhớ càng lớn thì càng được phân bổ nhiều hơn. Nếu bạn nhớ số lượng lớn nội dung máy tính, bạn sẽ thấy rõ tại sao vấn đề này lại có tầm quan trọng hàng đầu.

Có vẻ như không có lựa chọn nào khác - siêu máy tính phải siêu dẫn. Tuy nhiên, hóa ra thời gian chuyển đổi của cryotron không thể nhỏ hơn $10^{-8}$ s, và đối với máy tính hiện đại, ngay cả hàng tỷ phân số của một giây cũng không phải là một giá trị nhỏ như vậy. Đồng thời, việc chế tạo một máy tính sử dụng cryotron siêu dẫn hóa ra khó hơn nhiều so với sử dụng chất bán dẫn. Và nó sẽ phải được làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp - đến nhiệt độ của gel lỏng (chỉ trong những điều kiện như vậy, kim loại mới trở nên siêu dẫn). Vì vậy, cryotron siêu dẫn đã bị bỏ rơi một thời gian và có vẻ như đây là một nhánh cụt trong eulucinimum của máy tính.

Nhưng vào năm 1962, nhà vật lý người Anh Josephson đã phát hiện ra một hiệu ứng đáng chú ý được đặt theo tên ông (ví dụ, bạn có thể đọc về hiệu ứng này trong bài báo “SQUID là gì?” trong «Kvant» Số 10 năm 1981). Và như thường lệ, một hiệu ứng vật lý mới đã mở ra những khả năng kỹ thuật mới. Mặc dù nguyên lý hoạt động của phần tử bộ nhớ về cơ bản vẫn giữ nguyên, nhưng cái gọi là josular đã được phát triển (giá trị tối đa có thể nhỏ hơn hai bậc độ lớn).

Các phần tử bộ nhớ bán dẫn không còn có thể cạnh tranh với những người giữ kỷ lục như vậy nữa. Ưu điểm của cryotron Josephon lớn hơn chi phí làm mát, khó khăn trong thiết kế và nhiều nhược điểm khác của máy tính siêu dẫn. Hiện nay, công việc chuyên sâu đang được tiến hành trên khắp thế giới để tạo ra những chiếc máy tính như vậy. Và mặc dù vẫn còn rất nhiều vấn đề chưa được giải quyết trên con đường này nhưng các nhà khoa học tin rằng ngày chiếc máy tính đầu tiên sử dụng chất siêu dẫn hoạt động không còn xa nữa.