Российские ученые создадут серверы и дата-центры, которые в 100 тысяч раз более энергоэффективные современных с помощью сверхпроводящих компонентов, но их работа пока возможна только при
сверхнизких температурах в автономном режиме.
В институте твердого тела РАН, расположенного в подмосковной Черноголовке, разработали концепцию замены привычных полупроводников как в гаджетах, так и в компьютерах и ноутбуках, на сверхпроводники
– материалы, у которых отсутствует электрическое сопротивление. Использование сверхпроводников вместо полупроводников теоретически возможно, так как любое создаваемое ненулевое сопротивление в нем
автоматически превратит его в изолятор. Это может использоваться для создания устройств нового поколения, которые разгонят компьютеры в десятки раз за счет полного отсутствия сопротивления.
Подавляющее большинство известных материалов (ими являются некоторые элементы, сплавы, керамики и их соединения) проявляют сверхпроводящие свойства при сверхнизких температурах, близких к
абсолютному нулю (-273,15 ̊C).
Сверхпроводимость была открыта в 1911 году при исследовании проводимости металлов в условиях сверхнизких температур – исследуя сопротивление ртути, голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес
обнаружил, что ниже температуры 4,2 К (-269 ̊C) ее сопротивление внезапно падает до нуля. Немного спустя были обнаружены сверхпроводящие свойства многих других металлов и материалов.
Были открыты материалы, которым для перехода в сверхпроводящее состояние достаточно температуры кипения жидкого азота (-196 ̊C) и даже более высоких значений, однако использование сверхпроводников
при комнатных условиях остается недостижимым. Абсолютный рекорд сверхпроводимости был установлен в 2018 году. Супергидрид лантана LaH10 становится сверхпроводником уже при температуре, сравнимой с
наблюдаемой в зимнее время года на большей части территории России (-13 ̊C), но при немыслимом давлении в 2 миллиона атмосфер (около 170 ГПа). При обычном атмосферном давлении наноструктурированное
серебро на золотой подложке начинает проявлять сверхпроводящие свойства при температуре в -37 ̊C.
Однако в институте физики твердого тела все же верят в достижении нулевого сопротивления при комнатной температуре в будущем. Но на этом проблемы, препятствующие созданию компьютера на основе
сверхпроводников, только начнутся.
В качестве компонентов два тонких провода из сверхпроводящего материала будут помещены в изоляцию из диэлектрика также как и любой обычные провод. Разделенные тонким слоем диэлектрика, при
температуре выше перехода в сверхпроводящее состояние два провода надежно изолированы друг от друга, однако если оба металла перейдут в сверхпроводящее состояние, то сопротивление изолятора также
станет нулевым. В итоге ток пойдет сквозь диэлектрик также как через сверхпроводник благодаря эффекту Джозефсона – следствием квантовой природы электрона (называемый также туннельным эффектом).
Российские ученые в ходе исследований решили заменить диэлектрик на ферромагнетик – металл, обладающий способностью к намагничиванию при отсутствии внешнего магнитного поля. Так как при нулевом
сопротивлении сверхпроводников ферромагнетик имеет ненулевое сопротивление, он фактически также является изолятором. Благодаря способности ферромагнетика подвергаться воздействию внешнего
магнитного поля им удалось создать таким образом магнитную память.
Созданные на основе новых технологий сервера будут потреблять в 100 тысяч раз меньше электроэнергии, чем современные, а также будут в десятки раз мощнее.
Рабочая температура этих серверов, однако, будет сверхнизкой, поэтому все они будут эксплуатироваться в автономном режиме, но и в этом случае это будет прорывом. В первую очередь выиграют
производители криптовалют (майнеры), дата-центры, облачные сервера. Единственной не решенной проблемой остается создание наноструктур субмикронных размеров для применения в миниатюрных логических
устройствах, которые препятствуют созданию криогенных вычислительных устройств – ученые скептически относятся к открытию сверхпроводника при комнатной температуре.
