۷ هزار GPU برای یک تراشه ۱۰ میلیمتری
پژوهشگران Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) و University of California, Berkeley موفق شدند یکی از دقیقترین شبیهسازیهای انجامشده تاکنون بر روی یک ریزتراشه کوانتومی را اجرا کنند؛ دستاوردی که میتواند روند طراحی و بهینهسازی سختافزارهای کوانتومی نسل آینده را تسریع کند.
این تیم برای اجرای این پروژه از بیش از ۷ هزار پردازنده گرافیکی انویدیا در ابررایانه پرلماتر مستقر در مرکز National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) استفاده کرد؛ مرکزی که بهعنوان یکی از زیرساختهای محاسباتی وزارت انرژی آمریکا فعالیت میکند.
شبیهسازی پیش از ساخت
شبیهسازی تراشههای کوانتومی پیش از ساخت فیزیکی به دانشمندان امکان میدهد عملکرد آنها را در محیطی مجازی ارزیابی و ایرادهای طراحی را پیش از ورود به مرحله ساخت شناسایی کنند. این رویکرد علاوه بر افزایش قابلیت اطمینان از تکرارهای پرهزینه در فرآیند ساخت جلوگیری میکند.
در این پروژه ژی جکی یائو و اندی نوناکا از بخش پژوهشهای ریاضیات کاربردی و محاسباتی برکلی لب، با توسعه مدلهای پیشرفته الکترومغناطیسی بررسی کردند که تصمیمهای طراحی چگونه بر انتشار امواج الکترومغناطیسی در تراشه اثر میگذارد؛ موضوعی کلیدی برای تضمین کوپلینگ صحیح سیگنالها و جلوگیری از تداخل ناخواسته.
استفاده از پلتفرم ARTEMIS در مقیاس اگزاسکیل
برای این شبیهسازی پژوهشگران از پلتفرم مدلسازی اگزاسکیل ARTEMIS بهره گرفتند؛ سامانهای که در چارچوب ابتکار محاسبات اگزاسکیل وزارت انرژی آمریکا توسعه یافته است. این پلتفرم امکان مدلسازی دقیق رفتار پیچیده الکترومغناطیسی در تراشههای کوانتومی را فراهم میکند؛ جایی که مهندسی مایکروویو کلاسیک با الزامات فیزیک کوانتومی در دماهای بسیار پایین تلفیق میشود.
تراشه مورد مطالعه حاصل همکاری آزمایشگاه کوانتوم نانوالکترونیکس در دانشگاه برکلی و مرکز Advanced Quant Testbed در برکلی لب بوده است.
۱۱ میلیارد سلول شبکه برای یک تراشه ۱۰ میلیمتری
اگرچه همه شبیهسازیهای تراشههای کوانتومی به چنین توان محاسباتی عظیمی نیاز ندارند، اما مدلسازی جزئیات این تراشه بسیار پیچیده تقریبا تمام توان ابررایانه پرلماتر را بهکار گرفت. پژوهشگران طی ۲۴ ساعت از نزدیک به ۷ هزار و ۱۶۸ پردازنده گرافیکی استفاده کردند تا تراشهای چندلایه به ابعاد ۱۰ میلیمتر مربع و ضخامت ۰.۳ میلیمتر با حکاکیهایی در مقیاس یک میکرون را شبیهسازی کنند.
در این فرآیند ساختار تراشه به ۱۱ میلیارد سلول شبکهای (grid cell) گسسته شد و بیش از یک میلیون گام زمانی تنها در هفت ساعت اجرا شد. این سطح از جزئیات امکان ارزیابی سه پیکربندی مداری مختلف را در یک روز فراهم کرد؛ امری که بدون استفاده کامل از توان سیستم امکانپذیر نبود.
عبور از مدلهای جعبه سیاه
در حالی که بسیاری از شبیهسازیها به دلیل محدودیتهای محاسباتی تراشه را بهصورت یک جعبه سیاه در نظر میگیرند این پروژه با تکیه بر توان پردازش موازی گسترده GPUها به مدلسازی کامل در سطح فیزیکی پرداخت. در این رویکرد جنس مواد بهکاررفته، آرایش لایهها، نوع و نحوه سیمکشی فلزاتی مانند نیوبیوم، طراحی رزوناتورها و ابعاد و شکل آنها همگی در مدل لحاظ شدهاند.
این شبیهسازی همچنین رفتار کیوبیتها و نحوه برهمکنش آنها با سایر اجزای مدار کوانتومی را مشابه آزمایشهای واقعی در آزمایشگاه بازسازی کرده است. پژوهشگران با حل معادلات دیفرانسیل جزئی از جمله معادلات ماکسول در حوزه زمان توانستند رفتارهای غیرخطی سیستم را نیز در نظر بگیرند.
گام بعدی تیم تحقیقاتی انجام شبیهسازیهای کمی دقیقتر برای تحلیل رفتار طیفی سیستم و مقایسه نتایج در حوزه فرکانس با سایر روشهای شبیهسازی است. در نهایت آزمون اصلی زمانی خواهد بود که تراشه ساخته شود و نتایج تجربی آن با پیشبینیهای مدل مقایسه شود.
پژوهشگران تاکید کردهاند که موفقیت این پروژه حاصل همکاری گسترده میان بخشهای مختلف جامعه علمی برکلی بوده است؛ همکاریای که میتواند مسیر توسعه تراشههای کوانتومی قدرتمندتر و کارآمدتر را هموار کرده و افقهای تازهای در علم و فناوری بگشاید.
انتهای پیام/
