Los científicos del NIST han desarrollado un novedoso sistema de sonda automatizado para evaluar el rendimiento de los componentes de la computadora diseñados para funcionar 100 veces más rápido que las mejores supercomputadoras actuales y consumir tan solo una milésima de energía.

Ese rango de desempeño, según lo previsto en la Iniciativa Nacional de Computación Estratégica (NSCI), es el objetivo general de muchos programas del sector privado y federales que estudian diferentes tecnologías y plataformas. Uno de ellos es el programa Cryogenic Computing Complexity (C3), con el apoyo de la Agencia de Actividades de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia (IARPA). Su objetivo es permitir una nueva generación de supercomputadoras superconductoras de baja potencia que operan a temperaturas de helio líquido y utilizan conmutación ultrarrápida de elementos de circuitos microscópicos llamados uniones Josephson.

Nadie conoce todavía la mejor forma (o formas) de hacerlo. Según los términos del programa C3, cada uno de los tres participantes de la industria crea prototipos de unidades lógicas y de memoria diseñadas para funcionar dentro de los parámetros del programa. El trabajo de probar esos dispositivos de forma independiente recae en el NIST.

"Lo que quieren que haga el NIST es verificar que esos dispositivos funcionen como dicen los fabricantes, "dice William Rippard, líder del Spin Electronics Group de NIST, que está probando componentes de memoria. "Eso significa que tenemos que ser capaces de medir señales inusualmente débiles en escalas de tiempo inusualmente rápidas. Ambos han requerido que desarrollemos nuevas capacidades de medición. El nuevo sistema de sonda es una parte importante de ese esfuerzo".

NIST es responsable de caracterizar cada dispositivo individual (típicamente de 100 nm a 1 µm) en cada chip (típicamente de 5 mm a 10 mm de tamaño) y sus subcomponentes a temperatura de helio líquido (4 kelvin). Para ello emplean un criostato que tiene una inestabilidad de temperatura de solo 50 milikelvin, dentro del cual hay un manipulador de tres ejes diseñado por NIST guiado por un sistema de retroalimentación óptica para sondear puntos específicos. Pero los investigadores también prueban los mismos dispositivos a temperatura ambiente para buscar correlaciones en las propiedades en un lapso de aproximadamente 300 K. Esto permitirá que las pruebas a temperatura ambiente de los dispositivos proporcionen un comportamiento predictivo cuantitativo a 4 K.

Dado que un circuito puede contener grandes conjuntos de 10, 000 o más uniones Josephson, probar cada uno de ellos individualmente es una tarea abrumadora. Los científicos del NIST desarrollaron un sistema totalmente automatizado capaz de posicionar exactamente la punta de la sonda utilizando la retroalimentación óptica de una cámara que mira hacia la superficie del chip a 4 K. Esa disposición permite que la punta de la sonda se mueva sobre el dispositivo en pasos que se incrementan con precisión.

Otro desafío es la velocidad involucrada. Los circuitos superconductores operan en escalas de tiempo de picosegundos, una millonésima de millonésima de segundo. "En una configuración típica, tiene tal vez dos metros de cable entre el dispositivo que está probando y la instrumentación, "Dice Rippard." Cuando un pulso de picosegundos viaja a través de tanto cable, se atenúa y se extiende. Lo que comenzó como una señal realmente nítida se extiende hasta que parece una curva de campana ".

Para sortear ese problema, el grupo está diseñando circuitos especializados que les permitirán amplificar la señal a solo centímetros del chip que la produjo. En cambio, para enviar señales ultracortas al chip, utilizan un láser de femtosegundos (que dispara un pulso de luz de 0,2 picosegundos de duración) y convierten la señal óptica en un pulso eléctrico en el rango de unos pocos picosegundos.

Los electrodos de la sonda se pueden reemplazar con sensores de alta respuesta que miden un patrón 2-D de actividad magnética a través del chip. El grupo construyó un sistema que usa un cabezal de lectura y escritura de una unidad de disco duro para medir esos campos, y se está desarrollando un reemplazo mucho más sensible. Debido a que cada rastro minúsculo que lleva electrones en movimiento genera un campo magnético, los datos magnéticos constituyen un mapa del flujo de corriente que revela capas eléctricas enterradas.

Las mediciones magnéticas también localizarán los vórtices (pequeños remolinos de corriente) que se forman bajo ciertas condiciones en materiales superconductores. y determinar si los vórtices están inmóviles ("clavados") en una única ubicación o pueden moverse alrededor del circuito superconductor y generar así resistencia al flujo de supercorriente.

El papel de NIST en C3 también contribuye a una iniciativa de toda la agencia destinada a desarrollar las capacidades de medición más amplias necesarias para probar y evaluar componentes para la informática de alto rendimiento en el futuro. El NSCI nombra al NIST como una agencia de "investigación y desarrollo fundamental" con la misión de centrarse en la "ciencia de la medición para respaldar las tecnologías informáticas futuras".

"Esta asociación con IARPA en el programa de supercomputación C3, "dice Bob Hickernell, Jefe de la División de Electromagnetismo Cuántico del NIST, "combina la experiencia de los líderes de la industria en el desarrollo de circuitos lógicos y de memoria criogénica junto con la experiencia del NIST en la electrónica superconductora y las mediciones magnéticas a temperaturas ultrabajas para acelerar el progreso que promete un alto impacto en áreas que incluyen la comprensión y los tratamientos biomédicos, desarrollo de materiales avanzados, y previsión meteorológica de alta precisión ".