Supercomputerul Perlmutter simulează un cip cuantic în detalii fără precedent
Un grup de cercetători din Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) și Universitatea din California, Berkeley, a realizat o simulare remarcabilă a unui cip microcuantic, un pas esențial în perfecționarea tehnologiei necesare pentru cipurile de nouă generație. Această simulare a utilizat peste 7.000 de GPU-uri NVIDIA de pe supercomputerul Perlmutter, localizat în cadrul National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), care este o facilitate a Departamentului Energiei din SUA.
Simularea cipului, care măsoară doar 10 milimetri pătrați și 0,3 milimetri grosime, a fost extrem de complexă, având detalii precum gravarea de un micron. Aceasta le permite cercetătorilor să înțeleagă funcția și performanța cipului înainte de fabricare, asigurându-se astfel că vor funcționa conform intențiilor și vor identifica problemele potențiale.
Specialiștii Zhi Jackie Yao și Andy Nonaka din cadrul diviziei de Matematică Aplicată și Cercetare Calculatoare de la Berkeley Lab au dezvoltat modele electromagnetice pentru a simula cipurile. Acest lucru este o parte esențială în procesul de producere a unui hardware cuantic mai bun.
Nonaka a declarat: „Modelul computațional prezice modul în care deciziile de proiectare afectează propagarea undelor electromagnetice în cip, asigurându-ne că cuplajul semnalului este corect și evitând crosstalk-ul nedorit.” Folosind instrumentul său de modelare exascale, ARTEMIS, echipa a optimizat un cip proiectat în colaborare cu laboratorul de nanoelectronice cuantice condus de Irfan Siddiqi de la Universitatea din California, Berkeley, și cu testul avansat cantitativ din Berkeley Lab.
O simulare masivă pentru un cip minuscul
Nu toate simulările de cipuri cuantice necesită atât de multă capacitate de calcul, însă detaliile minuscule ale acestui cip extrem de complex au necesitat aproape toată puterea de procesare a lui Perlmutter. Echipa a utilizat 7.168 de GPU-uri NVIDIA timp de 24 de ore pentru a capta structura și funcția acestui cip cu straturi multiple, ceea ce subliniază complexitatea și detaliul procesului.
„Nu știu pe nimeni care să fi realizat modelarea fizică a circuitelor microelectronice la scară totală a sistemului Perlmutter. Am folosit aproape 7.000 de GPU-uri,” a afirmat Nonaka.
Cu ajutorul a 11 miliarde de celule de grilă, cercetătorii au reușit să ruleze peste un milion de pași temporali în doar șapte ore, ceea ce le-a permis să evalueze trei configurații de circuit într-o singură zi pe Perlmutter. Aceste simulări nu ar fi fost posibile în acest interval de timp fără întreaga capacitate a sistemului.
Implicarea detaliilor fizice
Nivelul de detaliu implicat în această simulare face ca rezultatul să fie unic. Spre deosebire de alte simulări care tratează cipurile ca „cutii negre” din cauza constrângerilor de modelare, utilizarea GPU-urilor masiv paralele de pe Perlmutter le-a permis lui Yao și Nonaka să se concentreze pe detaliile fizice și să demonstreze mecanismul cipului în acțiune.
„Facem simulări de nivel fizic complet, ceea ce înseamnă că ne pasă de materialele folosite pe cip, de modul în care este proiectat cipul, cum sunt conectate firele de metal – niobiul sau alte tipuri de metal – și de cum sunt construite rezonatorii, ce dimensiuni, ce forme și ce materiale sunt utilizate,” a explicat Yao. „Ne preocupăm de aceste detalii fizice și le includem în modelul nostru.”
Următorii pași în simulare
Echipa intenționează să realizeze mai multe simulări pentru a-și consolida înțelegerea cantitativă a designului cipului și pentru a observa cum funcționează ca parte a unui sistem mai mare. Yao a afirmat: „Ne-ar plăcea să facem o simulare mai cantitativă pentru a putea efectua un proces post-simulare și a cuantifica comportamentul spectral al sistemului.”
Cu toate acestea, simularea va fi supusă unei teste finale: compararea cu lumea fizică. Atunci când cipul va fi fabricat și supus unor teste, Yao și Nonaka vor evalua cât de bine a funcționat modelul loro și vor realiza ajustările necesare.
Nonaka și Yao au subliniat că o simulare de succes a acestei tehnologii la un nivel atât de detaliat nu ar fi fost posibilă fără o colaborare puternică în cadrul comunității din Berkeley, de la AMCR la QSA și AQT, care a sprijinit simularea cu expertiză de personal pe lângă puterea de calcul. Această colaborare a generat rezultate importante pentru avansarea științei, a declarat directorul QSA, Bert de Jong.
„Această simulare fără precedent, posibilă datorită parteneriatului extins dintre oameni de știință și ingineri, este un pas critic înainte pentru accelerarea designului și dezvoltării hardware-ului cuantic,” a afirmat acesta. „Chipurile cuantice mai puternice și mai performante vor debloca noi capacități pentru cercetători și vor deschide noi perspective în știință.”
