Micro Systèmes n°28 février 1983
Micro Systèmes n°28 février 1983
  • Prix facial : 18 €

  • Parution : n°28 de février 1983

  • Périodicité : mensuel

  • Editeur : Société Parisienne d'Edition

  • Format : (203 x 271) mm

  • Nombre de pages : 190

  • Taille du fichier PDF : 146 Mo

  • Dans ce numéro : dossier... bases de données et gestionnaires de fichiers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Le super-ordinateur supraconducteur  : cent millions de jonctions Josephson dans un décimètre cube. Dossier La technologie des circuits logiques et des mémoires rapides est actuellement dominée par les transistors au silicium, avec lesquels on réalise des circuits intégrés à grande échelle. Cette technologie, malgré son rythme constant de progression, ne permet pas de dépasser des cadences de cinquante millions d'instructions à la seconde, soit un cycle élémentaire de quelques dizaines de nanosecondes (1ns = I0-9 s). Même avec le « superordinateur Cray 1 », spécialisé pour les calculs scientifiques, ce temps de cycle est encore de 13 nanosecondes... Cependant, dans un certain nombre de domaines (prévisions météorologiques, traitement d'images, conversion analogiquenumérique, gestion, etc.), il devient nécessaire de réaliser des ordinateurs encore plus rapides, ayant un temps de cycle de l'ordre de la nanoseconde. La technologie des circuits supraconducteurs Josephson pourrait permettre de réaliser ces futurs ordinateurs ou processeurs de signaux rapides et répondre ainsi à ces défis. 84 — MICRO-SYSTEMES I 4 a puissance d'un ordinateur n'est significative qu'en termes de vitesses, c'est-à-dire en nombre d'instructions effectuées à la seconde. L'ordinateur le plus puissant du monde, le Cray 1, réalise plus de 50 millions d'instructions par seconde. La technologie utilisée pour obtenir de telles vitesses est celle des transistors bipolaires en silicium, capable de transmettre des signaux à travers une porte en moins d'une nanoseconde. Cependant, pour atteindre un temps de cycle.élémentaire d'une nanoseconde, le super-ordinateur doit impérativement vérifier les deux conditions suivantes  : • les circuits élémentaires de commutation doivent changer d'état en un temps très inférieur à une nanoseconde ; • la transmission des signaux d'une extrémité à l'autre du processeur central doit avoir lieu, elle aussi, en moins d'une nanoseconde. Or, la vitesse de transmission des signaux électromagnétiques sur les lignes de propagation est limitée à un tiers de la vitesse de la lumière, soit 100 000 km/s ou 10 cm/ns). L'impulsion électrique parcourt ainsi 10 cm en 1 nanoseconde. La deuxième condition limite donc à une dizaine de centimètres la distance parcourue par cycle pour l'ordinateur envisagé. Celui-ci (qui peut comprendre quelques millions de circuits élémentaires) doit ainsi être contenu dans une boîte dont le volume est de l'ordre du décimètre cube. L'inconvénient vient du fait que plus les composants sont rapides et plus ils consomment de courant (d'autant plus qu'il est difficile de dissiper plus d'un watt par circuit intégré). Par conséquent, si on veut pousser l'intégration des circuits à des centaines de milliers de portes, il faut réduire leur consommation, donc leur vitesse... Ainsi la puissance importante dissipée par les circuits très rapides à semiconducteurs ne pourrait être évacuée efficacement d'un volume si petit, et la température des circuits s'élèverait bien au-dessus de celle de leur fonctionnement normal. Il est donc nécessaire de faire appel à des nouveaux composants très rapides et de faible consommation d'énergie. C'est ce qu'apporte de façon élégante l'électronique supraconductrice et, plus particulièrement, la jonction Josephson. On obtient ici des temps de commutation de 10 picosecondes (1 ps = 10-12 s) et des consommations de l'ordre du millionième de watt. Les circuits intégrés Josephson offrent donc la possibilité de réduire considérablement le « facteur de mérite » (produit du temps de commutation par la puissance dissipée) défini pour un temps de propagation donné. Un circuit est d'autant plus intéressant que ce facteur est petit. La figure 1 montre que les dispositifs Josephson se situent loin au-dessous de leurs confrères à semiconducteurs. Une chaîne de production expérimentale La mise en évidence de vitesses de commutation élevées inférieures à 1 nanoseconde dans les jonctions supraconductrices Josephson a été effectuée en 1966 par J. Matisoo chez IBM, quatre ans seulement après la prédiction des effets Josephson (en 1962 par un jeune physicien britannique, Brian Josephson) et trois ans après leur première observation expérimentale (J. Rowell à la Bell Telephone). Depuis lors, la partie prépondérante des études dans le domaine des dispositifs et circuits numériques Josephson a été effectuée dans les laboratoires de recherche IBM à Yorktown Heights aux Etats-Unis et à Zurich en Suisse. Les laboratoires Bell, l'université de Californie à Berkeley et celle de Tokohn (Sendai) y ont participé à partir des années 1970 tandis que le National Bu- Février 1983
La maîtrise du super-ordinateur. Dossier reau of Standards, Sperry-Rand, Fujitsu, Nippon Telegraph and Telephone Company, l'université de Karlsruhe et celle de Moscou commencèrent leurs efforts au milieu des années 1970. En France, c'est aussi vers 1970 que le LETI (Grenoble) a lancé un programme dans ce domaine, qui s'est sensiblement accru récemment et rassemble actuellement une vingtaine de personnes. Une quinzaine de chercheurs duC.N.R.S. et d'universitaires à Grenoble, Nice, Orsay et Rennes, dont la plupart avaient eu, jusqu'alors, des activités de recherche plus fondamentales sur la physique des dispositifs Josephson, appor- tent maintenant un soutien scientifique à ce programme. Les buts et les moyens de tous ces groupes diffèrent largement. Le but d'IBM est sans conteste de tester la faisabilité d'un super-ordinateur avec un temps de cycle opératoire de l'ordre de la nanoseconde. Il est certain que le poids considérable de l'effort d'IBM (au moins 150 personnes ces dernières années) par rapport aux autres groupes a pour conséquence, à chaque signe d'évolution du programme de circuits intégrés Josephson de cette compagnie, de créer des mouvements divers. Le dernier changement notable est un remaniement très récent dans Facteur de mérite P x r 1001.1 200 1.1 1 pJ 10 pJ 10 AL SILICIUM Bipolaire Temps de propagation T (ns) 0,4 0.2 - 0.1 0.06 Ga 4aMEUE.7„, N-MOS.. 77 K nora.wir oe, J.• son 4 K III 4e I:" 0,02 0.01 H là NEW Op :..• 0.001 0.01 0,1 0,2 le Puissance (mW) Dimensions minimales 2,3 ± 0,3 pro (p) ou 1,1 ± 0,2 pm (A) Q Entrance = Sortante = 1• A Entrance = Sortante = 3 Fig. 1. — Comparaison des performances des circuits intégrés rapides supraconducteurs semiconducteurs. l'équipe de direction des laboratoires à Yorktown Heights, qui rapproche le programme Josephson de celui des recherches sur les semiconducteurs. C'est un homme des semiconducteurs ayant la réputation de savoir convertir des projets de recherche en technologies commerciales, Joseph Logue, qui est maintenant responsable du programme. Il y a loin d'une réalisation de circuits intégrés en laboratoire au stade d'une production, et IBM, qui a développé récemment une chaîne de production expérimentale de circuits Josephson à East Fishkill, va s'efforcer de déterminer s'il est possible de contrôler assez bien le processus de production, de sorte qu'un programme à long terme ait tout son sens. Il en ressortira aussi le choix du matériau supraconducteur de base pour la réalisation des jonctions tunnel Josephson  : un alliage de plomb(plomb/indium/or) ou un matériau réfractaire comme le niobium. Dans cette partie où IBM cherche à acquérir la maîtrise du super-ordinateur, le Japon pourrait apparaître comme un partenaire de taille. Le MITI (ministère du Commerce international et de l'Industrie du Japon) vient de lancer un programme de huit ans pour réaliser un super-ordinateur d'ici 1990 avec l'une des trois technologies  : silicium, arséniure de gallium, Josephson. Il rassemble quatre compagnies avec un budget de l'ordre de 1 800 millions de francs, provenant pour moitié du gouvernement, pour moitié des industries. L'effort du programme MITI sur la technologie Josephson pourrait ainsi être prochainement de l'ordre de celui d'IBM. Comparativement, les ambitions des autres groupes sont actuellement plus modestes. Ils cherchent à acquérir la maîtrise de cette technologie nouvelle en prévision des diverses applications qui apparaîtront nécessairement avec l'existence de cir- Février 1983 MICRO-SYSTEMES — 85



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