Entwicklung der Quantenzukunft: Nutzung modularer Standards für das Design von Steuersystemen
In Quantencomputersystemen ist die Steuerelektronik von entscheidender Bedeutung, um den Betrieb und die Manipulation von Qubits zu ermöglichen. Ihre Präzision gewährleistet die Integrität und Genauigkeit der Quantencomputing-Verarbeitung und -Ergebnisse. Für einen effektiven Betrieb benötigen Ingenieure eine vollständige Latenz im niedrigen Millisekundenbereich für ihre Einschübe, einschließlich der Switches und CPU-Ports (Central Processing Unit). Außerdem erforderlich sind präzise Taktgeber, geringe elektronische Rauschemissionen, eine starke Synchronisierung über mehrere Platinen hinweg und die Fähigkeit, mit der Anzahl der Qubits zu skalieren.
Es liegt in der Natur des Menschen, bei der Entwicklung von Systemen wie diesen Quantencomputer-Steuersystemen mit dem zu beginnen, was man kennt. Viele Ingenieure erfinden jedoch das Rad neu, oft ohne sich auf bestehende Plattformen zu verlassen, die als solide Designgrundlage dienen könnten. In diesem Artikel werden die Vorzüge offener Standardsysteme für Quantencomputer-Steuereinheiten erörtert.
Quantencomputing-Spezialisten an Universitäten verfügen in der Regel über fundierte theoretische Kenntnisse und haben weniger Erfahrung mit der industriellen Umsetzung. Konzeptnachweise werden in der Regel mit vorhandenen Geräten im Labor erstellt und von Hand verdrahtet. Dies mag zwar für die Prototypenerstellung geeignet sein, ist aber nicht ideal für die kommerzielle Skalierung. Spezialisten, die das Quantencomputing mit Erfahrungen aus einer anderen, auf Physik ausgerichteten Rolle angehen, verstehen vielleicht nuancierte Steuer- und Messtechnologien, sind aber möglicherweise nicht mit dem breiteren Spektrum der verfügbaren Technologien vertraut. In beiden Fällen müssen viele Ingenieure bei der Entwicklung ihrer Quantencomputer-Steuersysteme das Rad neu erfinden, oft ohne sich auf bestehende Plattformen zu verlassen, die als solide Designgrundlage dienen könnten.
Modulare Plattformen für die Quantencomputersteuerung: Aufbauend auf bereits etablierten Standards
Advanced Telecom Computing Architecture (AdvancedTCA) und Micro Telecommunications Computing Architecture (MicroTCA) sind modulare, offene Standards, die für die wissenschaftliche Forschung und Entwicklung in großem Maßstab angepasst wurden. Ursprünglich wurden AdvancedTCA und MicroTCA für die Übertragung großer Datenmengen in Telekommunikationsanwendungen entwickelt. Mittlerweile wurde die Funktionalität von MicroTCA erweitert, um eine stärkere Boardsynchronisation und Taktgenauigkeit für die Strahlsteuerung in Teilchenbeschleunigern zu erreichen. Es war die Physikgemeinde, die die Einführung von rückwärtigen Übergangsmodulen und die Trennung von digitalen und analogen Schaltkreisen veranlasste. Anwendungsfertige Präzisionstest- und -messsysteme (T&M) mit PXIe eignen sich ebenfalls für diese Art von Anwendungen in Elektronik- und Simulationslabors im Hochschulbereich.
Während die Partikelbeschleunigung ein anderes Anwendungsgebiet ist, bietet die Entwicklung mit Systemen wie MicroTCA oder AdvancedTCA einen Weg für ein skalierbares Quantencomputer-Steuerdesign; es gibt bereits Standard-Übertragungsprotokolle wie PCI Express, Ethernet oder Serial RapidIO (SRIO) mit geringer Latenz und hohen Datenübertragungsraten. Der technologische Rahmen ist mit gemeinsamen Standards für Stromversorgung, Kühlung und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) vordefiniert. Darüber hinaus entsprechen sie Zertifikaten wie CE und UL, stellen Standardboard-Formfaktoren bereit und bieten definierte Interoperabilität. Mit einer gut entwickelten Basis können Ingenieure Funktionen anpassen oder entfernen, die für Quantencomputer-Steuereinheiten nicht erforderlich sind.
PXIe bietet bereits Add-Ons für Taktgeber und Trigger, die ursprünglich für die Synchronisierung von Messungen im Parallelbetrieb konzipiert wurden. MicroTCA hat sogar noch raffiniertere Taktimplementierungen aufgrund der bestehenden Anforderungen für die Synchronisation von Teilchenstrahlen. Die Auswahl und der Aufbau auf einer modularen, offenen Standardplattform bietet Ihnen Zugang zu einem bereits etablierten, ganzheitlichen Ansatz. Jede dieser Plattformen ist auf Protokolle, Datengeschwindigkeiten, Kommunikation zwischen Steckplätzen, Stromverbrauch pro Steckplatz, Anzahl der Steckplätze, Formfaktor usw. ausgerichtet. Der Schlüssel liegt darin, die Unterschiede zwischen diesen Plattformen zu bestimmen und die erforderlichen Änderungen vorzunehmen, um Ihre individuellen Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Ein erfahrener Elektronikverpackungspartner kann Sie bei dieser Beurteilung unterstützen.
| PXI Express | MicroTCA | AdvancedTCA | |
| Datenübertragung | – PCI Express Gen3, x4 oder x8 – PCI-Bus, 32-Bit – CLK- und Triggerleitungen für T&M-Anwendungen | – Basisschnittstelle, 10 GbE, – Fabric-Schnittstelle, x4, 100 GbE oder 4x PCIe Gen 4 – CLK- und Triggerleitungen für Big-Science-Anwendungen (MTCA.4) | – Basisschnittstelle, 10 GbE, – Fabric-Schnittstelle, x4, 100 GbE oder 4x PCIe Gen 3 – CLK- und Triggerleitungen für die Telekommunikation |
| Topologie | 1 Root-Komplex | 1 Root-Komplex oder Dual-Star | 1 Root-Komplex, Dual-Star, Dual-Dual-Star, Full-Mesh |
| Boardfläche (Höhe/Tiefe) | 160 cm² (3 HE / 160 mm) // 373 cm² (6 HE / 160 mm) | 132 cm² (75 mm / 180 mm) // 268 cm² (150 mm / 180 mm) | 902 cm² (8 HE / 280 mm) |
| Boardbreite | 4 HP (20,32 mm) | 3 HP (15,24 mm), 4 HP (20,32 mm), 6 HP (30,48 mm) | 6 HP (30,48 mm) |
| Max. Anzahl an Boards | 21 | 12 | 16 |
| Max. Strom / Board | 80 W | 80 W | 450 W |
Tabelle 1: Vergleich zwischen PXIe, MicroTCA und AdvancedTCA für ein 19-Zoll-System
Es ist üblich, dass die Anforderungen an ein Quantencomputer-Steuersystem die an modulare, offene Standardsysteme übersteigen, wenn es um die Taktsynchronisierung und die Anzahl der Geräte an einem Knoten geht. Die Erfüllung von Anforderungen beginnt mit Maßnahmen wie:
- Beseitigung der in MicroTCA und AdvancedTCA eingebauten Redundanzfunktionen und stattdessen Implementierung zusätzlicher Signale
- Hinzufügung präziserer Taktquellen (PXIe)
- Erweiterung der Anzahl der Boards innerhalb eines Systems
- Vergrößerung des Boards (Höhe und Tiefe)
- Vergrößerung der Boardbreite zur Aufnahme größerer Kühlkörper
Wir haben bereits gesehen, dass sich die Spezifikationen geändert haben, um die spezifischen Anforderungen von Teilchenbeschleunigern zu erfüllen, und wir erwarten, dass dies in Zukunft auch für die Steuerysteme von Quantencomputern gilt. Im Moment sollten offene Standardsysteme Teil der Überlegungen für Quantencomputer- Steuersysteme sein, da sie eine solide und praktikable Designgrundlage darstellen. Je weiter man sich vom Standard entfernt, desto mehr technische Arbeit gibt es, die nichts mit der Kernfunktion des Quantencomputers zu tun hat.
