Для моделирования миниатюрного чипа размером всего 10 на 10 миллиметров специалистам потребовалось свыше 7000 графических процессоров NVIDIA суперкомпьютера Perlmutter, работавших в течение суток.
Квантовые чипы — основа квантовых компьютеров будущего, которые смогут решать задачи, недоступные обычным компьютерам. Однако процесс их создания — крайне сложный. Моделирование дает специалистам возможность понять, как будет функционировать чип еще до его производства, выявить возможные недостатки и оптимизировать конструкцию, что сэкономит время и ресурсы.
Для такого моделирования сотрудники Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли использовали уникальные возможности одного из самых мощных суперкомпьютеров в мире.
«Вычислительная модель предсказывает, как проектные решения влияют на распространение электромагнитных волн в чипе», — поясняет Энди Нонака из отдела прикладной математики и вычислительных исследований. «Это необходимо для обеспечения корректной передачи сигналов и избежания нежелательных помех».
Масштаб симуляции удивляет. Чип, который имеет толщину всего 0,3 миллиметра и элементы шириной в один микрон (тысячная доля миллиметра), был разделен на 11 миллиардов вычислительных ячеек. За семь часов суперкомпьютер выполнил более миллиона временных шагов моделирования, что дало возможность оценить три различные конфигурации схемы за один день.
«Я не знаю никого, кто когда-либо проводил физическое моделирование микроэлектронных схем в полном масштабе системы Perlmutter. Мы задействовали почти 7000 графических процессоров», — отмечает Нонака. «Эти симуляции были бы невозможны в такие сроки без использования всей системы».
Уникальность данного исследования — в его высокой детализации. Обычно инженеры рассматривают микросхемы как «черный ящик», упрощая расчеты. В этом случае впервые удалось проанализировать весь процесс на физическом уровне — с учетом использованных материалов, форм резонаторов и особенностей соединений. «Нас интересуют все детали — из чего сделаны провода, какой металл используется, каким образом создаются резонаторы. Мы включаем все это в модель», — поясняет соавтор работы Чжи Джеки Яо.