使用超导体开发的原型微处理器–节能80倍

AQFP MANA微处理器模具照片。MANA是世界上第一个绝热超导体微处理器。

日本横滨国立大学的研究人员已经开发出一种原型微处理器，它使用超导体器件，其能效比当今高性能计算系统的微处理器中最先进的半导体器件的能效高80倍。

随着当今技术越来越融入我们的日常生活中，对更多计算能力的需求也在不断增长。由于这种增加，这种增加的计算能力所消耗的能量正在急剧增加。例如，现代数据中心使用了太多的能量，而有些数据中心则建在河流附近，因此可以使用流动的水来冷却机器。

“支持我们今天生活的信息时代的数字通信基础设施目前消耗了全球约10％的电力。研究表明，在最坏的情况下，如果我们的通信基础架构的基础技术（如大型数据中心的计算硬件或驱动通信网络的电子设备）没有根本变化，我们可能会看到其用电量上升到这项研究的主要作者，横滨国立大学副教授克里斯托弗·阿亚拉（Christopher Ayala）表示：“到2030年，全球用电量将达到50％。”

团队的研究结果发表在期刊： IEEE固态电路杂志详细介绍了使用超导体开发效率更高的微处理器体系结构的努力，超导体效率极高，但需要某些环境条件才能运行。

为了解决这个电源问题，研究小组探索了一种极节能的超导体数字电子结构，称为绝热量子通量参量电子（AQFP），作为超低功耗，高性能微处理器的基础，以及用于下一代数据中心和通信网络的其他计算硬件。

“在本文中，我们想证明AQFP能够进行实用的节能高速计算，而我们通过开发并成功演示了称为MANA（单绝热集成架构）的原型4位AQFP微处理器实现了这一目标。世界上第一个绝热超导体微处理器，”阿亚拉（Ayala）说。

“我们的原型微处理器的演示表明，AQFP具有计算的所有方面的能力，即：数据处理和数据存储。我们还在单独的芯片上显示出，微处理器的数据处理部分可以在高达2.5 GHz的时钟频率下运行，这使其可以与当今的计算技术相提并论。我们甚至希望随着我们在设计方法和实验设置方面的改进而将其提高到5-10 GHz。” Ayala说。

但是，超导体需要极低的温度才能成功运行。有人会认为，如果将超导体微处理器所需的冷却因素考虑在内，那么对能量的需求将变得不合需要，并超过当今的微处理器。但是，据研究团队称，事实并非如此：

“ AQFP是一种超导电子设备，这意味着我们需要额外的功率才能将芯片从室温冷却到4.2开尔文，以使AQFP进入超导状态。但是，即使考虑到这种冷却开销，与当今可用的高性能计算机芯片中最先进的半导体电子设备相比，AQFP的能源效率仍约高80倍。”

现在，该团队已经证明了这种超导芯片架构的概念，他们计划优化芯片，并确定芯片的可扩展性和后期优化速度。

“我们现在正在努力改进技术，包括开发更紧凑的AQFP设备，提高运行速度以及通过可逆计算进一步提高能效，” Ayala说。“我们还在扩展我们的设计方法，以使我们可以在单个芯片中尽可能多地安装设备，并在高时钟频率下可靠地运行所有设备。”

除构建标准微处理器外，该团队还对研究AQFP如何协助其他计算应用程序（如用于人工智能的神经形态计算硬件以及量子计算应用程序）产生兴趣。

参考：“法力：使用1.4-zJ / op无并联超导体约瑟夫森结器件的单块绝热集成架构微处理器”，作者：Christopher L. Ayala；田中智之; Ro Saito； Mai Nozoe;竹内直树（Naoki Takeuchi）和吉川伸行（Nobuyuki Yoshikawa），2020年12月15日，IEEE固态电路杂志。
10.1109 / JSSC.2020.3041338