SHF: Small: Cryogenic Hybrid Systems Integration Across Multiple Temperature Zones

SHF:小型:跨多个温区的低温混合系统集成

基本信息

  • 批准号:
    2308863
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 60万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-10-01 至 2026-09-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Cryogenic systems operating from room temperature to low Kelvin temperatures are a natural path for stationary computing systems such as data centers for cloud computing and quantum computers. These cryogenic hybrid systems will require a mix of different technologies and functions operating at different temperatures. Superconductive electronics can provide extremely high-speed operation while consuming two to three orders of magnitude less power than semiconductor devices. The most common form of superconductive logic is single flux quantum (SFQ). Complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) devices provide massive complexity and cryogenic operation with enhanced device characteristics. However, CMOS dissipates considerable power and operates much slower than SFQ. Hybrid systems integration of SFQ with CMOS can overcome unique challenges when operating at cryogenic temperatures, significantly improving the performance while lowering the energy. Large scale stationary computing infrastructures such as cloud computing desperately needs significantly improved power efficiency while quantum computers can use SFQ to communicate with the interface and control circuitry. The involvement of students from underrepresented populations will be actively pursued at both the undergraduate and graduate levels. Design projects will be developed for advanced undergraduate students to link the learning process of undergraduate courses with active research projects by providing opportunities for these students to gain practical design experience in cryogenic electronics. Both investigators will continue promoting the participation of diverse middle and high school students in engineering and the sciences. This project will identify, characterize, and explore hybrid systems integration of cryogenic electronics crossing multiple temperature boundaries. The primary objective is to determine how best to place which function at what temperature with which technology and application in cryogenic hybrid systems. We will develop general purpose guidelines and design methodologies to support the development of complete systems composed of diverse technologies and applications operating across multiple temperature zones to satisfy extreme energy and performance objectives for specific applications.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
从室温到低开尔文温度的低温系统是固定计算系统(例如云计算和量子计算机数据中心)的自然路径。这些低温杂种系统将需要在不同温度下运行的不同技术和功能。超导电子设备可以提供极高的高速操作,而与半导体设备相比,消耗两到三个数量级的功率。超导逻辑的最常见形式是单通量量子(SFQ)。互补的金属氧化物半导体(CMOS)设备提供了巨大的复杂性和低温操作,并具有增强的设备特性。但是,CMO耗散了相当大的功率,并且运行速度比SFQ慢得多。在在低温温度下运行时,SFQ与CMO的混合系统集成可以克服独特的挑战,从而在降低能量的同时显着改善了性能。诸如云计算之类的大型固定计算基础架构迫切需要显着提高功率效率,而量子计算机可以使用SFQ与接口和控制电路进行通信。来自代表人群不足的学生的参与将在本科和研究生级别积极追求。设计项目将为高级本科生开发,以将本科课程的学习过程与活跃的研究项目联系起来,从而为这些学生提供机会获得低温电子中的实践设计经验。两位调查人员将继续促进多样化的中学生在工程和科学方面的参与。该项目将识别,表征和探索越过多个温度边界的低温电子的混合系统集成。主要目的是确定如何最好地放置哪种技术和在哪种技术中的技术和应用在低温混合系统中的功能。我们将制定通用指南和设计方法,以支持由多种技术和在多个温度区域运行的各种技术组成的完整系统的开发,以满足特定应用的极端能量和绩效目标。该奖项反映了NSF的法定任务,并认为通过基金会的智力和更广泛的影响,可以通过评估来审查CRITERIA,并认为通过评估的支持值得。

项目成果

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