De supergeleidende rekenchip die ongeveer 1 cm groot is (foto: MIT)
Computers met supergeleidende geïntegreerde circuits zijn er niet. Nog niet, zo lijkt het, want student Adam McCaughan en zijn mentor Karl Berggren van het MIT in Cambridge (VS) hebben een manier gevonden om, simpele, supergeleidende chips te maken. Supergeleiding in chips is handig met het oog op energieverbruik (want geen weerstand(, maar ook met het oog op rekenkracht. Met de zogeheten Josephson-juncties zouden kloksnelheden van 770 gigaHertz mogelijk zijn, veel sneller dan de huidige rond 3 GHz die gewonen computers nu hebben, maar die juncties zijn onbruikbaar voor toepassing in computers. Een combinatie met het, veel tragere nanocryotrons-systeem van de MIT-onderzoekers zou een oplossing voor dat probleem kunnen zijn, al zie ik niet hoe daarbij die inherente traagheid wordt overwonnen.
De onderzoekers hebben meteen ook maar een simpele, supergeleidende rekenchip gemaakt volgens eigen recept, dat ze nanocryotron (of nTron) hebben genoemd naar de cryotron van MIT-onderzoeker Dudley Buck uit de jaren ’50. De cryotron wekte destijds grote belangstelling, maar het is nooit tot een praktische toepassing gekomen vanwege allerlei technische en, naar het scheen, fundamentele problemen met deze techniek. “In de supergeleidende elektronica zijn heel wat dingen langsgekomen in al die jaren, zonder dat dat tot werkeljke toepassingen heeft geleid”, zegt McCaughan. “Wij hebben al systeempjes gebouwd die heel relevant zullen zijn voor toekomstige ontwikkelingen in de supergeleidercomputers en in de kwantumcommunicatie.” Supergeleidende elektronica wordt op heel bescheiden schaal toegepast op het gebied van detectie van een enkel lichtdeeltje (foton). Die toepassing hebben de onderzoekers getest evenals een supergeleidende rekenchip.
Supergeleiders hebben, zoals het woord al suggereert, geen elektrische weerstand. Zelfs de beste geleiders zoals het veel toegepaste koper hebben een elektrische weerstand, hetgeen betekent dat je een hogere spanning nodig hebt dan bij een supergeleider om dezelfde stroom te laten lopen. Weerstand veroorzaakt warmte en dat maakt weer koeling noodzakelijk. Datacentra hebben gigantische koelsystemen om hun computers op werkbare temperaturen te houden.
De huidige supergeleiders werken bij temperaturen die ver onder het nulpunt liggen. Er zijn wel wat dan heet hoge-temperatuursupergeleiders, maar die vertonen hun kunsten pas bij zo’n 175 graden onder nul. De MIT-ers gebruikten een oude supergeleider, niobiumnitride, die pas weerstandloos wordt bij nog veel lagere temperaturen: 16 K (= – 257°C). Om die temperaturen te bereiken moet je de chip koelen met vloeibaar helium. Dat is negatief op het conto van supergeleidercomputers, maar de totale energiewinst schijnt toch indrukwekkend te zijn, omdat de supergeleidende chips maar eenhonderdste van de energie verbruiken die normale siliciumchips verbruiken en bovendien kan het koelsysteem verdwijnen. Goedkope supergeleidende chips zouden ook het kwantumrekenen een stuk vooruit kunnen helpen, redeneren de onderzoekers.
De nanocryotron of nTron bestaat uit een enkele laag niobiumnitride op een isolerende onderlaag, die ongeveer de vorm van een T heeft, met een verdunning van eentiende op de plaats waar de twee balken van de T elkaar raken. Daar worden de ongestoorde elektronen belemmerd. Dat geeft warmte, waardoor de supergeleiding stopt. Een stroom in de ‘verticale’ balk van de T, kan die in de ‘horizontale stoppen. M.a.w., we hebben hier een schakelaar, de nul of de een. De stroom gaat pas weer lopen als de temperatuur van de T weer onder de 16 K komt. Dat duurt niet lang, maar dat maakt deze circuits niet erg snel (dan hebben we het over kloksnelheden van minder dan 1 GHz). Toch zullen er voor deze energiezuinige chips wel toepassingen zijn, waarbij de snellheid niet wezenlijk is.
Aanzienlijk sneller en beloftevoller zijn de toepassingen, ik heb het al verklapt, met zogeheten Josephson-juncties. In deze juncties (verbindingen) ontstaan uiterst kleine stroompjes die alleen met heel verfijnde apparatuur is te meten. Dat is het probleem. Ze zijn niet sterk genoeg om gegevens naar een geheugenchip te transporteren, laat staan een signaal naar een beeldscherm. McCaughan liet zien dat zelfs die minieme stroompjes van een Josephson-junctie voldoende zijn om de nTron aan en uit te schakelen. Daarbij kan het signaalstroompje in de ‘verticale’ balk van de T uiterst laag zijn (afkomstig van de junctie), terwijl de geschakelde stroom in de ‘horizontale’ balk sterk genoeg is om informatie door te geven aan de rest van het computersysteem. Als we het over hoge kloksnelheden hebben, dan gaat het over Josephson-juncties. Ik zie overigens niet hoe je op deze manier de inherente traagheid van de nTron-circuits overwint. De traagste schakel bepaalt toch de snelheid van het systeem of zie ik iets over het hoofd?
Bron: Science Daily