Os cientistas do NIST desenvolveram um novo sistema de teste automatizado para avaliar o desempenho de componentes de computador projetados para funcionar 100 vezes mais rápido do que os melhores supercomputadores de hoje e consumir tão pouco quanto 1/1000 da energia.

Essa gama de desempenho, conforme previsto na National Strategic Computing Initiative (NSCI), é o objetivo geral de muitos programas do setor privado e federal que estudam diferentes tecnologias e plataformas. Um deles é o programa Cryogenic Computing Complexity (C3), apoiado pela Agência de Atividades de Projetos de Pesquisa Avançada de Inteligência (IARPA). Seu objetivo é habilitar uma nova geração de supercomputadores supercondutores de baixa potência que operam em temperaturas de hélio líquido e usam comutação ultrarrápida de elementos de circuito microscópicos chamados junções Josephson.

Ninguém sabe ainda a melhor maneira (ou maneiras) de fazer isso. Sob os termos do programa C3, cada um dos três diferentes participantes da indústria cria protótipos de memória e unidades lógicas projetadas para funcionar dentro dos parâmetros do programa. O trabalho de testar independentemente esses dispositivos recai sobre o NIST.

"O que eles querem que o NIST faça é verificar se esses dispositivos funcionam como os fabricantes dizem que têm, "diz William Rippard, líder do Spin Electronics Group do NIST, que está testando componentes de memória. "Isso significa que devemos ser capazes de medir sinais incomumente fracos em escalas de tempo incomumente rápidas. Ambos exigiram que desenvolvêssemos novos recursos de medição. O novo sistema de apalpador é uma parte importante desse esforço."

O NIST é responsável por caracterizar cada dispositivo individual (normalmente 100 nm a 1 µm) em cada chip (tipicamente 5 mm a 10 mm de tamanho) e seus subcomponentes na temperatura do hélio líquido (4 kelvin). Para isso, eles empregam um criostato que tem uma instabilidade de temperatura de apenas 50 milikelvin, dentro do qual está um manipulador de três eixos projetado pelo NIST, guiado por um sistema de feedback óptico para sondar pontos específicos. Mas os pesquisadores também testam os mesmos dispositivos em temperatura ambiente para procurar correlações nas propriedades em um intervalo de cerca de 300 K. Isso permitirá o teste de dispositivos à temperatura ambiente para fornecer comportamento preditivo quantitativo a 4 K.

Como um circuito pode conter grandes matrizes de 10, 000 ou mais junções Josephson, testar cada um deles individualmente é uma tarefa difícil. Os cientistas do NIST desenvolveram um sistema totalmente automatizado capaz de posicionar exatamente a ponta da sonda usando feedback óptico de uma câmera olhando para a superfície do chip a 4 K. Esse arranjo permite que a ponta da sonda se mova sobre o dispositivo em etapas incrementadas com precisão.

Outro desafio é a velocidade envolvida. Os circuitos supercondutores operam em escalas de tempo de picossegundos - um milionésimo de milionésimo de segundo. "Em uma configuração típica, você tem talvez dois metros de cabo que passa entre o dispositivo que você está testando e a instrumentação, "Rippard diz." Quando um pulso de picossegundo viaja por tanto cabo, ele se atenua e se espalha. O que começou como um sinal realmente agudo é estendido até se parecer com uma curva de sino. "

Para contornar esse problema, o grupo está criando circuitos especializados que permitirão amplificar o sinal a apenas alguns centímetros do chip que o produziu. Por outro lado, para enviar sinais ultracurtos para o chip, eles usam um laser de femtossegundo (disparando em um pulso de luz de 0,2 picossegundos de duração) e convertem o sinal óptico em um pulso elétrico na faixa de alguns picossegundos.

Os eletrodos da sonda podem ser substituídos por sensores altamente responsivos que medem um padrão 2-D de atividade magnética no chip. O grupo construiu um sistema que usa um cabeçote de leitura e gravação de uma unidade de disco rígido para medir esses campos, e um substituto muito mais sensível está em desenvolvimento. Como cada traço minúsculo que carrega elétrons em movimento gera um campo magnético, os dados magnéticos constituem um mapa de fluxo de corrente revelando camadas elétricas enterradas.

As medições magnéticas também irão localizar os vórtices - pequenos redemoinhos de corrente - que se formam sob certas condições em materiais supercondutores, e determinar se os vórtices são imóveis ("fixados") em um único local ou podem se mover ao redor do circuito supercondutor e, assim, gerar resistência ao fluxo de supercorrente.

A função do NIST no C3 também contribui para uma iniciativa de toda a agência destinada a desenvolver os recursos de medição mais amplos necessários para testar e avaliar componentes para computação de alto desempenho no futuro. O NSCI nomeia o NIST como uma agência de "pesquisa e desenvolvimento fundamental" com a missão de se concentrar na "ciência da medição para apoiar futuras tecnologias de computação".

"Esta parceria com a IARPA no programa de supercomputação C3, "diz Bob Hickernell, Chefe da Divisão de Eletromagnetismo Quântico do NIST, "combina a experiência dos líderes da indústria em memória criogênica e desenvolvimento de circuitos lógicos, juntamente com a experiência do NIST em medições supercondutoras eletrônicas e magnéticas em temperaturas ultrabaixas para acelerar o progresso que promete alto impacto em áreas, incluindo compreensão biomédica e tratamentos, desenvolvimento de materiais avançados, e previsão do tempo de alta precisão. "