Современная электроника №9/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2022 проводящих схем, предназначенных для таких приложений, как высокоско- ростные энергоэффективные вычисле- ния, беспроводная связь, сверхточная метрология [35]. Кроме функций управления и циф- ро-аналогового преобразования SDACF выполняет также функцию памяти. Структура SDACF показана на рис. 9 [36]. Конструктивно сверхпроводящий конвертер магнитного потока выпол- нен в виде комбинации спиралевид- ных индуктивностей, связанных между собой при помощи полосковых волно- водов и микротрансформаторов. Две накопительные катушки индук- тивности (1 нГн) реализованы в виде концентрических спиральных колец (синяя и зелёная). На рис. 9 показана обмотка в два слоя металла. Модели D-Wave второго поколения использу- ют четырёхслойные спирали с шири- ной линии и расстоянием между ними порядка 0,25 мкм. Левая катушка, соответствующая гру- бойнастройке данных (least significant – LSD), связана с выходом целевого устройства. Правая катушка, предна- значенная для тонкой настройки (most significant – MSD), выполняет управля- ющую функцию в узком диапазоне и соединена с джозефсоновским перехо- дом через многоступенчатую индуктив- ную схему (MSD ladder stage – MSDLS). Обе катушки подключены к высоко- частотному источнику управляющих импульсов SFQ, обеспечивающих сме- щение по току для всех программируе- мых устройств на кристалле. Для того, чтобы минимизировать статическую мощность, рассеиваемую на кристалле во время программирования, исполь- зовались очень низкие токи смещения, порядка 50 мкА, и прецизионные шун- тирующие резисторы с номиналами в районе десятых долей Ома. Магнитный поток LSD связан с конту- ром тонкой настройки не только через индуктивную схему MSDLS, но также и напрямую через магнитный выход MSD. Таким образом, SDACF представляет собой трёхпортовое устройство (LSD, MSD и OUT), позволяющее работать с полной матрицей индуктивности. Токи сверхпроводимости генери- руют кванты магнитного поля, кото- рые фиксируются в каждом новом цикле с помощью SQUID. В свою оче- редь, SDACF генерирует соответствую- щие значения MSD и LSD. Эти значения записываются и сохраняются в самом сверхпроводящем конвертере. Отдель- ные кванты магнитного потока могут быть загружены или выгружены из SDACF с помощью источника высоко- частотных импульсов SFQ. Если петля MSD, например, может хранить до 8 квантов магнитного потока любой полярности, то SDACF может обеспечить 16 различных зна- чений выходного потока. Таким обра- зом, может быть реализован 4-битный сверхпроводящий цифро-аналоговый преобразователь магнитного пото- ка. В случае, когда петля MSD способ- на запомнить 16 различных значений сохранённого потока, двухкаскадное устройство будет представлять собой 8-битный конвертер. Блок MSD позволяет смещать цикл кубита CCJJ в узком динамическом диа- пазоне шириной около 5 бит. С помо- щью LSD реализуется грубое смещение потока кубитов во всём динамическом диапазоне. Жёлтыми кружками на верхней пра- вой части рис. 9 обозначены переходы Джозефсона. В нижней части рис. 9 показана схема поперечного сечения реального маке- та SDACF вдоль линии разреза. Следует отметить, что управление одним кубитом может быть реализова- но также с помощью нескольких SDACF. Краткий обзор этих нескольких ста- тей позволяет сказать, что общая схема процессора вычислителя с квантовым отжигом должна содержать как мини- мум следующие элементы: логические кубиты; системы объединения кубитов rf-SQUID; системы управления SDACF; кубиты, используемые для коррекции вычислительных ошибок. Поскольку наиболее близкими к квантовому отжигу по структуре про- цесса являются задачи типа «Изинга», то их пошаговые алгоритмические точки отработки можно интерпретировать в виде узлов в графах. Для решения слож- ных задач идеальным представляется вариант, когда все узлы в графах объ- единены между собой, то есть каж- дый кубит системы связан со всеми остальными кубитами системы. Одна- ко пытаться реализовать на практике этот вариант очень сложно техниче- ски и крайне невыгодно экономически. Связанная система из восьми куби- тов ведет себя как «истинный кванто- вый макрообъект», полностью подчиня- ющийся законам современного уровня физики микромира. Если в системе больше десяти связанных кубитов, то ими становится трудно управлять, а так- же становится проблематично модели- ровать их поведение. Кроме того, размеры «ответвителей», связывающих устройства управления кубитами, не должны быть больше определённых значений, превыше- ние которых может привести к поте- ре когерентности и увеличению вре- мени вычислений. Процессоры на базе ДП в современных квантовых вычис- лителях изготавливают в виде слож- ных микросхем, содержащих не толь- ко чисто вычислительные кубиты, но также промежуточные схемы внешне- Рис. 9. Структурная схема сверхпроводящего конвертера магнитного потока SDACF [36] К диспетчеру данных К диспетчеру данных