量子计算机的电源管理

文章作者:Steve Taranovich

我们将如何为这些需要和一座小城市一样多能量的“野兽”提供动力?

2016年,第一台量子计算机能够通过高级用户界面编程1运行任意量子算法。设计架构规模小,只有少量量子比特每一个。

IBM、谷歌、微软等一些大公司,以及一些初创公司的最终目标是在不久的将来创造出更具商业可行性的更大规模设备。

量子计算机1将很可能是异构多核计算机的一个组成部分,其中经典处理器将与几个加速器,如fpga, gpu和量子协同处理器交互。图1显示了量子计算机系统堆栈的不同层。

图1量子计算机系统堆栈(图片由参考文献2提供)

荷兰代尔夫特理工大学正在朝着一个目标努力在硅量子芯片上编程这可能会让我们更接近可行的量子计算机。

我们将如何为这些量子“野兽”提供动力?

让我们从超级计算机的电源供应需求开始,然后是现在可用的百亿亿次计算机,然后再转向量子计算机的电源需求,因为还没有一个成熟的量子计算机存在。您将很快看到电源管理设计师将面临的挑战,从百亿亿次电源管理挑战到量子计算机的独特挑战,但是为百亿亿次供电将为量子计算机奠定基础。

超级计算机

超级计算机通常用于建模和模拟复杂的动态系统,这些系统成本太高、不切实际或无法实际演示。这些计算机极大地帮助科学家探索宇宙的演化、生物系统、天气预报,甚至可再生能源。让我们来看看被称为百亿亿次超级计算机的最新子组,因为它们是最新和最快的机器。

亿亿级

亿亿级是下一代超级计算机。这些系统能够改进对医学、生物技术、先进制造、能源、材料设计和宇宙物理学等复杂过程的模拟。这类超级计算机可以以更快的速度和更高的清晰度执行这些应用程序的任务。

现在最耗能的超级计算机世界上最大的是中国广州的天河二号。这台计算机需要18兆瓦的能量,而百亿亿次的天河3号将需要比这更多的能量。作为参考,美国一个典型的水力发电大坝大约能产生36兆瓦的电力。

Cray和AMD正在为美国政府开发“Frontier”。预计到2021年上线时,这台超级计算机将成为世界上运算速度最快的百亿亿次超级计算机,其原始处理能力为每秒1.5 exaflops,也就是每秒1.5万亿次计算。图2).

图2前沿百亿亿次超级计算机(图片由美国能源部/橡树岭国家实验室提供)

这些类型的计算机将使重大的医疗进步,可以改善我们星球上数十亿人的生活。通过快速获取和处理个人的历史、基因和环境变化,他们可能能够创建专门针对个人需求的医疗服务。由于这些计算机难以置信的处理速度,研制治疗癌症肿瘤的精确药物可能成为可能。

Vicor与PEZY计算合作

我知道Vicor正与PEZY计算因此,我联系了我的朋友Robert Gendron,他是Vicor Corporation的产品营销和技术资源公司副总裁,P.E.,讨论如何最好地为超高速、耗电量大的处理器供电。

根德隆说,当我提到量子计算机时,他想到的是一种“金色吊灯”设计(图3),这是IBM在2017年设计50量子位量子计算机时所做的。无论是过去还是现在,这类计算机的使用都非常具有挑战性,量子态只保存了90微秒。IBM的量子计算正在取得进展,但该架构仍处于早期阶段。

为了让量子计算机用于更复杂的任务,它们将需要数千,甚至数百万量子位元。当你读到这篇文章时,设计师们正在朝着这个目标前进。

Gendron说我们离ExaScale计算机更近了,而日本的ExaScale /PEZY计算公司拥有zettascaler - 2.0可配置的液体浸入冷却系统,适用于他们自己的处理器板,英特尔板和其他公司的产品(参见我在EDN上的文章,标题为“淹没电源,以及其他选项).


图3
IBM的量子计算机设计(图片由IBM提供)

根德隆继续说,从他在业界所听到和看到的情况来看,美国政府可能会比任何人都先开发出真正的百亿亿次计算机。Vicor认为,在试图创建更多计算能力时,具有挑战性的问题是延迟。从处理器到内存或其他处理器的通信。他说,你受到处理器尺寸的限制,即晶圆产量和刻线尺寸约为30 × 35,在你需要两个相邻的处理器之前,单个处理器只能是这么大。根德隆说,这里存在一个密度问题,要么是因为硅的限制,要么是因为与内存和其他设备通信的延迟。

从我在行业中看到的情况来看,这些处理器以微波速度运行,10 GHz处理器将在几年内上市。这意味着更多的能量和热量,所以液氮离浸入式冷却也不远了。另外,随着处理器速度的提高,我们可能会看到微波金条纹或在这些PC电路板上使用微带图4).

图4比较第一代量子计算机的两种架构。(a)超导量子位由微波谐振器连接(图片由IBM研究所提供),(b)由激光介导的相互作用连接的捕获离子的线性链。插图:量子比特连接图,星形(a)和全连接(b)。(图片由参考文献1提供)

参考文献1给出了在两台量子计算机上运行选择算法的结果,包括第一个实现隐藏转移算法.超导系统的优势在于更快的门速度和固态平台,而离子阱系统则具有优越的量子位和可重构的连接。这些系统的性能反映了基础硬件的连接水平,这表明量子计算机应用程序和硬件应该是“共同设计的”。1

美国能源部(US Department of Energy)希望到2023年能生产出1000千万亿次的计算机,满足大约20兆瓦的电力需求。现在加拿大有一台百亿兆计算机,消耗1.35兆瓦。

所以我问Gendron, Vicor认为什么是驱动这些贪婪的处理器的最佳动力架构(我已经知道答案;看看我在EDN的文章2019年数据中心动力).

詹德隆指给我看500年绿色网站每六个月对计算机的计算能力进行排名和基准测试。他们关注的是flops/watt,本质上是效率。2019年6月,所有500个系统首次在高性能Linpack (HPL)基准上实现了petaflop或更多。因此,2019年6月的榜单上,搭载Nvidia DGX-1 Volta36处理器的DGX SaturnV Volta以15.113 GFlops/watt的效率排名第一。然而,该处理器在全球排名仅为469前500名它按照计算能力的大小来排列超级计算机。

在“Gyoukou”系统中,Vicor与PEZY所做的工作在2017年的绿色500强中排名第4,在500强中排名第5。Vicor报告称,PEZY超级计算机采用48V因数功率,这是一种高效率、高密度的配电架构。PEZY的cpu与Vicor的协同封装Power-on-Package(“流行”)模块化电流倍增器(“MCMs”),可在XPU上有效地直接48V到sub-1V电流倍增。请看以下视频:

PEZY采用了“PoP”Vicor, 48V输入,稳压器安装在CPU的基片上,通过消除主板的大部分损耗来降低“最后一英寸”的功率损耗,从而为处理器提供更多的功率。的Vicor“PoP”系统实际上可以提供高达1000a的峰值电流

举个例子,如果1V @400A通过400微欧姆的电路板进入处理器,我们将400平方,然后乘以400微欧姆得到I2处理器的R损耗为64W/400W或提高效率近16% (图5).

图5Vicor“PoP”包靠近处理器的位置(红色方块)(图片由Vicor提供)

Gendron表示,未来的挑战是处理器的亚1v电源水平,即0.5V或0.6V。这里的挑战是使电力输送系统加载步骤400一段时间保持在0.5 v (500 mV) -10%的窗口是50 mV,所以你需要小于20 mV真的不到五步mV如果你想留在合规。这是很难实现的。

量子计算机7

量子计算机独树一帜。它们的架构甚至与百亿亿次超级计算机都大不相同。想想机器学习是如何通过量子计算机来加速的6

空中客车公司正在使用计算机帮助计算飞机最省油的上升和下降路径。量子计算机在这方面做得更快更好(波音Max 8没有通过量子计算机进行无限模拟,这太糟糕了)。

最新和最快的量子位的量子ICs将数组在极低的温度下运行,比外太空的空白,冷到数万milliKelvin度(10度可-459.652华氏度)。电源设计者可以利用这些温度冷却他们的权力架构。这将需要很大的能量。量子处理器也将需要相当多的能量,虽然没有ic冷却到这些极端温度那么多,但有效地为处理器供电本身肯定是一项艰巨的任务。想想巨大的I2百亿亿次计算机所拥有的电路电路板传导轨迹上的处理器电源损耗,但是处理器需要更多的功率。

为量子计算机提供动力

当这类新的量子计算机正式问世时,必须为量子处理器开发下一代Vicor“PoP”架构。

我们不仅需要为量子计算机的处理部分提供动力,还需要为这种新型计算机具有挑战性的冷却系统提供动力,该系统需要将系统冷却到接近绝对零度的温度。这种冷却级别所需的功率将使处理器的功率需求相形见绌5

冷却系统供电

谷歌的量子人工智能实验室有递波的最新的量子计算机。D-Wave目前可能拥有最接近商用的量子计算机之一(图6).


图6D-Wave 2000Q系统架构(图像由D-Wave提供)

一个标准的数据中心通常可以容纳D-Wave 2000Q量子计算机。

D-Wave的制冷系统有多层屏蔽,内部处于高真空状态,温度仅略高于绝对零度。该系统将计算机与外部磁场、振动和射频信号隔离开来,这些信号可能会在这个高度敏感的系统中造成错误。

D-Wave系统的功耗不到25千瓦,其中大部分用于制冷和前端服务器的运行。

D-Wave量子处理单元(QPU)是由金属铌的微小环构成的晶格构成的,每个环都是一个量子位元(如图中红色部分所示)。在9.2开尔文温度下,铌成为超导体并表现出量子力学效应。当处于量子态时,电流同时向两个方向流动,这意味着量子位元处于叠加状态,即同时处于0和1状态。在解决问题的过程结束时,这个叠加会变成两个经典状态之一,0或1。

图7量子处理单元(图像由D-Wave提供)

在不久的将来会有更强大的量子计算机出现,这将需要更多的能量,特别是处理器。

- - - - - -史蒂夫Taranovich是EDN的高级技术编辑,在电子行业有45年的经验。

参考文献

  1. 第一代可编程量子计算机体系结构的比较, Norbert M. Linke, Dmitri Maslov, Martin Roetteler, Shantanu Debnath, Caroline Figgatt, Kevin A. Landsman, Kenneth Wright, Christopher Monroe, 2017年欧洲激光和电光会议和欧洲量子电子会议(CLEO/ European - eqec)
  2. 迈向可扩展的量子计算机, C. G. Almudever, N. Khammassi, L Hutin, M. vinet, M. Babaie, F. Sebastiano, E. Charbon, K. bertel, 2018第十三届纳米尺度时代集成系统设计与技术国际会议(DTIS)
  3. 计算机系统体系结构与量子计算机, Dr. Kuntam Babu Rao,智能计算与控制系统国际会议,ICICCS 2017
  4. IBM研究中心解释了量子计算是如何工作的以及它为什么重要VentureBeat上,
  5. 什么是量子计算?, IBM
  6. 机器学习,和量子计算《麻省理工技术评论》,2018年11月16日
  7. 解说员:什么是量子计算机?麻省理工技术评论,2019年1月29日

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量子计算的下一步是什么?

量子计算正处于稳步上升的轨道上,但随着新技术的出现,该领域也在不断变化。

我们的办公桌上需要一台“超级计算机”吗?

云计算和大数据分析将要求开发更高性能的计算系统。我们可以想象这些高性能计算机在2035年的样子。

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