Фотоотчет об инфраструктуре квантовых дата-центров IBM и IQM в Германии: анализ и сравнение

Квантовые вычисления перестали быть уделом научных лабораторий. Технология активно коммерциализируется. Несмотря на ограниченные вычислительные возможности текущих систем, именно сейчас формируется инфраструктурная база для массовых квантовых вычислений будущего.

С точки зрения физической инфраструктуры квантовые ЦОД во многом напоминают классические аналоги, но также предъявляют уникальные требования к охлаждению, акустике, виброустойчивости и организации пространства. Разобраться в тонкостях и нюансах, текущих вызовах и эволюции оборудования поможет фотоэкскурсия по реальным дата-центрам в Германии, где размещены квантовые компьютеры.

Контекст: общая информация о квантовых дата-центрах IBM и IQM

Германия стала ключевой площадкой для внедрения квантовых технологий: там уже функционируют дата-центры IBM и IQM, которые не только предоставляют доступ к квантовым вычислениям, но и формируют инфраструктурную основу для будущего развития отрасли.

IBM Quantum Data Center в Энингене

Первый квантовый ЦОД IBM за пределами США был официально открыт в октябре 2024 года в Энингене. Это второй дата-центр такого типа после объекта в Нью-Йорке. В машзале есть две вычислительные установки System One на базе процессоров Eagle (127 кубитов).

Вскоре они будут дополнены новой системой (System Two) на базе процессоров Heron, обеспечивающей 16-кратный прирост производительности и 25-кратное ускорение по сравнению с предшественницами 2022 года выпуска. IBM Heron базируется на 156-кубитной архитектуре (133 кубита активно используются для вычислений) и является ключевым элементом в модульной платформе System Two.

ЦОД занимает здание, построенное более полувека назад и реконструированное под современные задачи. Он используется десятками европейских организаций в составе IBM Quantum Network. В число пользователей входят Bosch, Volkswagen, E.ON, а также исследовательские институты вроде Fraunhofer и Ikerbasque. ЦОД функционирует как европейский квантовый облачный регион, обеспечивая обработку и хранение данных полностью в пределах ЕС, что особенно важно с точки зрения соответствия законодательству.

Дата-центр IQM Quantum Computers в Мюнхене

Компания IQM открыла свой первый квантовый дата-центр в Мюнхене в июне 2024 года. Сегодня там работают две вычислительные машины, но в перспективе возможно масштабирование до 12 устройств. ЦОД расположен в бывшем здании телекоммуникационной компании Telefónica у Олимпийского парка, переоборудованном специально для нужд IQM.

Площадка обслуживает облачную платформу IQM Resonance, а также используется для машинного обучения, симуляций, обеспечения кибербезопасности, оптимизации маршрутов. Ее ресурсы способствуют реализации инициативы Munich Quantum Valley с бюджетом €300 млн, направленной на формирование регионального квантового кластера и поддерживаемой правительством Баварии.

Важным событием стала интеграция одного из квантовых компьютеров IQM в суперкомпьютерный кластер SuperMUC-NG в Центре суперкомпьютерных вычислений им. Лейбница, который расположен недалеко от Мюнхена. Это подчеркивает потенциал гибридных вычислительных систем, включающих квантовые и классические решения.

Шум, вибрации и стабильность

Главное отличие квантового ЦОД от классического — характер звукового загрязнения. В традиционных машзалах с серверным оборудованием доминирует гул вентиляторов и кондиционеров. В квантовых решениях главные источники шума – компрессоры и насосы, перекачивающие жидкий гелий и азот для поддержания сверхнизких температур.

Здесь на первый план выходят вибрации и резонансные колебания. Это ключевые факторы, способные напрямую повлиять на работу квантовых процессоров (QPU). Любые сдвиги среды способны нарушить хрупкое квантовое состояние. Это означает, что при проектировании зданий должны учитываться параметры, обычно не критичные для классических ЦОД. Например, прочность плит перекрытия, амортизация вибраций и даже расположение сверхсовременного вычислительного оборудования относительно транспортных потоков за пределами здания ЦОД.

Энергопотребление: мифы и реальность

Широко распространён миф, что квантовые компьютеры имеют огромную мощность и требуют колоссальных вложений в силовое оборудование. Всё наоборот: энергопотребление одного квантового процессора находится в диапазоне десятков киловатт, а целый машзал с такими устройствами может иметь мощность менее мегаватта. Например, в случае дата-центра IQM в Мюнхене показатель составляет около 800 кВт. Для сравнения: крупный классический дата-центр может потреблять от 10 МВт.

Однако малое энергопотребление не означает простоту: нагрузка распределяется иначе. Здесь важен не уровень мощности, а надёжность и стабильность работы криогенной техники, которая критически зависит от бесперебойного электропитания.

Криогеника: сердце квантового ЦОД

В отличие от обычных серверных CPU и GPU, где достаточно воздушного или жидкостного охлаждения, квантовые процессоры требуют температуры близкой к абсолютному нулю (около 10–15 милликельвинов). Основные элементы систем охлаждения, используемых в квантовых ЦОД:

• Разбавительные холодильники (dilution refrigerators), которые создают сверхнизкие температуры с использованием гелия-3.
• Жидкий азот, применяемый для промежуточных ступеней охлаждения.
• Жидкий гелий, который циркулирует в замкнутом контуре, что снижает эксплуатационные расходы и риски.

Например, IBM System One, размещенная в «стеклянном кубе», за эффектной оболочкой скрывает целый комплекс криогенного оборудования. Оно представляет собой главным образом криостаты в металлических рамах, соединённые со стойками управляющей электроники.

Архитектура и пространственная организация

ЦОД IBM в Энингене гибридный. В подвале — классические IT-системы, а на первом этаже — квантовые установки. System One включает один криостат и один QPU, а System Two — три криостата в шестиугольной структуре. Вес платформы — около 7 тонн. Архитектура предусматривает модульность: до семи System Two можно объединять в один виртуальный компьютер с более чем 1000 кубитами.

В случае дата-центра IQM в Мюнхене машзал, рассчитанный на 12 квантовых машин (800 кВт), оборудован в подвале. В центре машзала — сервисная зона с компрессорами и резервуарами жидкостей. По периметру — QPU в криостатах, размещенные в тандеме со стойками обслуживающей электроники.

Температурный режим: стабильность в приоритете

Традиционные ЦОД проектируются с прицелом на эксплуатацию IT-оборудования в температурном диапазоне 18–27 °C. В квантовых дата-центрах такого требования нет. Важна не температура, а её неизменность. Причина: колебания могут изменять длину кабелей и нарушать синхронизацию сигналов. Поэтому теплохладотехника должна быть ориентирована не на охлаждение, а на поддержание максимально стабильных условий.

Модульность и форм-факторы

Подходы IBM и IQM различаются. Если команда IBM создаёт масштабные системы (System Two, Project Goldeneye) с тяжёлыми платформами и возможностью наращивания мощности за счёт модульности, то IQM работает над уменьшением систем до стандартного стоечного форм-фактора (19’’), чтобы их можно было размещать в обычных монтажных стойках в классических ЦОД.

Стандартизация и будущее

Сегодня специализированных квантовых компьютеров в мире единицы. Большинство систем размещается либо в адаптированных классических ЦОД, либо в переоборудованных зданиях. Однако уже ведется работа над стандартами.

Например, сообщество Open Compute Project в рамках спецификации OCP Quantum-Ready предполагает учитывать не только энергетику и охлаждение, но и вибрации, электромагнитные помехи и даже скорость лифтов при перемещении оборудования. Эксперты заявляют о возможном появлении как единого стандарта для всех типов квантовых систем, так и нескольких отдельных специализированных вариантов.

Сравнение инфраструктуры классического и квантового дата-центра

Параметр	Классический ЦОД	Квантовый ЦОД
Энергопотребление	Высокое: десятки МВт, основной расход на серверы и системы охлаждения.	Относительно низкое: десятки-сотни кВт. Классические IT-системы потребляют на порядок больше.
Охлаждение	Воздушное или жидкостное охлаждение серверных стоек.	Криогенные системы: жидкий гелий (в замкнутом цикле), жидкий азот, разбавительные холодильники.
Температура воздуха в машзале	Важна оптимальная рабочая температура (обычно 18–27 °C).	Конкретная температура воздуха не критична. Важнее стабильность, т.к. перепады влияют на кабели и точность сигналов.
Акустика	Шум от вентиляторов, кондиционеров и ИБП.	Тише вентиляторов, но слышна ритмичная работа компрессоров (характерный механический шум).
Организация пространства	Ряды серверных стоек, модули «холодных» и «горячих» коридоров.	Центр машзала — сервисная зона (насосы, компрессоры, резервуары N₂/He), по периметру — криостаты и стойки управляющей электроники.
Фальшпол	Обычно рассчитан на стандартные стойки (до 1000 кг на м²).	Требуются усиленные фальшполы (например, для IBM System Two важна способность выдерживать нагрузку до 7 тонн).
Под фальшполом	Кабельные трассы, воздуховоды для кондиционирования.	Трубы с жидким гелием и азотом.
Форм-фактор оборудования	Унифицированные 19’’ стойки.	Нестандартные конструкции: стеклянные кубы, криостаты, шестиугольные платформы. Но часть компаний (например, IQM) стремится к стандартному стоечному формату (19’’).
Стандартизация	Tier I–IV (Uptime Institute), ASHRAE TC 9.9, OCP-Ready.	Разрабатываются новые стандарты (OCP Quantum-Ready) с учётом вибраций, ЭМ-помех, даже скорости лифтов.

Обобщим: классический ЦОД построен вокруг серверов и охлаждения воздуха/воды, а квантовый — вокруг криогенных систем и стабильных условий среды.

Заключение

Квантовые дата-центры — это уникальное сочетание традиционных машзалов и сложнейших криогенных комплексов. Они предъявляют новые требования к инфраструктуре, нуждаясь в:

• повышенной прочности фальшполов и зданий в целом;
• контроле вибраций и акустики;
• интеграции криогенных систем;
• стабильной температуре.

Можно с уверенностью утверждать, что квантовые ЦОД, вероятно, станут фундаментальной частью суперкомпьютерных вычислений будущего, а новые инфраструктурные стандарты для серверных форм будут разрабатываться с учётом потребностей квантовой техники. Опыт инженеров IBM и IQM будет крайне ценным в этом контексте.