Les scientifiques du NIST ont développé un nouveau système de sonde automatisé pour évaluer les performances des composants informatiques conçus pour fonctionner 100 fois plus vite que les meilleurs superordinateurs d'aujourd'hui et consommer aussi peu que 1/1000e de l'énergie.

Cette gamme de performances, tel qu'envisagé dans la National Strategic Computing Initiative (NSCI), est l'objectif primordial de nombreux programmes du secteur privé et fédéraux qui étudient différentes technologies et plateformes. L'un d'eux est le programme Cryogenic Computing Complexity (C3), soutenu par l'agence Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA). Son objectif est de permettre une nouvelle génération de supercalculateurs supraconducteurs de faible puissance qui fonctionnent à des températures d'hélium liquide et utilisent une commutation ultra-rapide d'éléments de circuits microscopiques appelés jonctions Josephson.

Personne ne connaît encore le meilleur moyen (ou les meilleurs moyens) de le faire. Aux termes du programme C3, chacun des trois différents participants de l'industrie crée des prototypes de mémoire et d'unités logiques conçus pour fonctionner selon les paramètres du programme. La tâche de tester indépendamment ces appareils incombe au NIST.

"Ce qu'ils veulent que le NIST fasse, c'est de vérifier que ces appareils fonctionnent comme les fabricants disent qu'ils le font, " dit William Rippard, chef du groupe Spin Electronics du NIST, qui teste les composants de la mémoire. "Cela signifie que nous devons être capables de mesurer des signaux inhabituellement faibles sur des échelles de temps inhabituellement rapides. Les deux nous ont obligés à développer de nouvelles capacités de mesure. Le nouveau système de sonde est une partie importante de cet effort."

Le NIST est chargé de caractériser chaque dispositif individuel (généralement de 100 nm à 1 µm) dans chaque puce (généralement de 5 mm à 10 mm) et ses sous-composants à la température de l'hélium liquide (4 kelvin). Pour cela, ils utilisent un cryostat qui a une instabilité de température de seulement 50 millikelvin, à l'intérieur duquel se trouve un manipulateur à trois axes conçu par le NIST, guidé par un système de rétroaction optique pour sonder des points spécifiques. Mais les chercheurs testent également les mêmes appareils à température ambiante pour rechercher des corrélations dans les propriétés sur une durée d'environ 300 K. Cela permettra aux tests à température ambiante des appareils de fournir un comportement prédictif quantitatif à 4 K.

Parce qu'un circuit peut contenir de grands tableaux de 10, 000 ou plusieurs jonctions Josephson, tester chacun d'eux individuellement est une tâche ardue. Les scientifiques du NIST ont développé un système entièrement automatisé capable de positionner exactement la pointe de la sonde en utilisant le retour optique d'une caméra regardant la surface de la puce à 4 K. Cet arrangement permet à la pointe de la sonde de se déplacer sur l'appareil par étapes incrémentées avec précision.

Un autre défi est la vitesse impliquée. Les circuits supraconducteurs fonctionnent sur des échelles de temps de la picoseconde, un millionième de millionième de seconde. "Dans une configuration typique, vous avez peut-être deux mètres de câble entre l'appareil que vous testez et l'instrumentation, " dit Rippard. " Quand une impulsion picoseconde traverse autant de câble, il s'atténue et s'étale. Ce qui a commencé comme un signal très aigu s'étire jusqu'à ressembler à une courbe en cloche."

Pour contourner ce problème, le groupe met au point des circuits spécialisés qui leur permettront d'amplifier le signal à quelques centimètres seulement de la puce qui l'a produit. Inversement, envoyer des signaux ultra-courts à la puce, ils utilisent un laser femtoseconde (déclenchant une impulsion lumineuse d'une durée de 0,2 picoseconde) et convertissent le signal optique en une impulsion électrique de l'ordre de quelques picosecondes.

Les électrodes de la sonde peuvent être remplacées par des capteurs hautement réactifs qui mesurent un modèle 2-D d'activité magnétique à travers la puce. Le groupe a construit un système qui utilise une tête de lecture-écriture à partir d'un disque dur pour mesurer ces champs, et un remplacement beaucoup plus sensible est en cours de développement. Parce que chaque trace minuscule qui transporte des électrons en mouvement génère un champ magnétique, les données magnétiques constituent une carte de flux de courant révélant des couches électriques enfouies.

Les mesures magnétiques permettront également de localiser les tourbillons - de petits tourbillons de courant - qui se forment sous certaines conditions dans les matériaux supraconducteurs, et déterminer si les tourbillons sont immobiles (« épinglés ») en un seul endroit ou peuvent se déplacer autour du circuit supraconducteur et générer ainsi une résistance au flux de supercourant.

Le rôle du NIST dans C3 contribue également à une initiative à l'échelle de l'agence visant à développer les capacités de mesure plus larges nécessaires pour tester et évaluer les composants pour le futur calcul haute performance. Le NSCI nomme le NIST en tant qu'agence de « recherche fondamentale et de développement » avec pour mission de se concentrer sur « la science de la mesure pour soutenir les futures technologies informatiques ».

"Ce partenariat avec l'IARPA sur le programme de calcul intensif C3, " dit Bob Hickernell, Chef de la division d'électromagnétisme quantique du NIST, "combine l'expertise des leaders de l'industrie dans le développement de mémoires cryogéniques et de circuits logiques avec l'expertise du NIST dans les mesures électroniques et magnétiques supraconductrices à des températures ultra basses pour accélérer les progrès qui promettent un impact élevé dans des domaines tels que la compréhension et les traitements biomédicaux, développement de matériaux avancés, et des prévisions météorologiques de haute précision."