日本橫濱國立大學的研究人員開發(fā)出了一種應用超導體器件的微芯片原型機“MANA”。

超導體需要在極低溫的環(huán)境下才能正常運行。然而即便算上降溫能耗，其能效仍然能達到當今高性能計算芯片中頂級半導體器件的80倍。

這項新發(fā)明名為“絕熱量子通量參變器”（adiabatic quantum-flux-parametron，即“AQFP”），用其組裝的微芯片能在維持高性能的同時實現超低能耗，適用于下一代數據中心和通訊網絡。

使用這項技術，數據運算的能源消耗在未來可能將大幅降低。這項研究成果發(fā)布在《IEEE固態(tài)電路學報》上。

▲《MANA： A Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture Microprocessor Using 1.4-zJ/op Unshunted Superconductor Josephson Junction Devices》一文發(fā)表在《IEEE固態(tài)電路學報》上

原文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp？tp=&arnumber=9295318

一、 “燒電 ”的數據計算： 2030年占全球用電量的 50%以上

隨著現代技術愈發(fā)深入日常生活，提升計算能力的呼聲日益高昂。相應地，更大的計算能力意味著更多的能源消耗。

例如，由于能耗太大，一些數據中心直接選址在河邊，利用流動的河水來給機器降溫。

“身處信息時代，數字通信基礎設施至關重要，其能耗幾乎占到全球電力的10％。研究表明，如果不從根本上改變通信基礎技術，如改善大型數據中心的計算硬件或通信網絡的電子驅動設備，截止到2030年，數字通信基礎設施的能耗最多將占全球用電量的50％以上。”該研究的一作、日本橫濱國立大學副教授Christopher Ayala強調了改善通信基礎技術的重要性。

二、 “節(jié)能 ”的超導體 AQFP：能效是頂尖半導體器件的 80倍

為了解決這一難題，日本橫濱國立大學的科研團隊研發(fā)了一種高度節(jié)能的超導體電子器件，名為“絕熱量子通量參變器（AQFP）”，用這種器件組裝的微芯片能在維持高性能的同時實現超低能耗，因此格外適用于下一代數據中心和通訊網絡。

在論文中，研究團隊詳細介紹了研發(fā)這款超導芯片的過程，還證明了它的高性能表現。

Ayala說道：“在這篇論文中，我們研發(fā)并成功演示了4位AQFP微芯片的原型機，名為“MANA（Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture，單絕熱集成架構）”——全球第一款絕熱超導體微芯片，證明了AQFP有能力完成節(jié)能高速計算任務?！?/p>

“從原型機的演示來看，AQFP兼具數據處理和數據存儲功能。通過在另一款芯片上運行，我們證明了，微芯片數據處理部分的時鐘頻率最高可達2.5 GHz，已經達到了行業(yè)水平。隨著我們在設計方法、實驗設置方面的改進，這個數字有望提高到5-10 GHz。”

然而，超導體需要在極低溫的環(huán)境下才能正常運行。有人質疑，如果將冷卻超導芯片的成本考慮在內，其總體能耗將大幅上升，甚至超過現有芯片產品。

然而，研究小組表示事實并非如此：“AQFP是一種超導體電子設備，只有將芯片溫度降至4.2K（即-268.95℃），AQFP才能進入超導狀態(tài)。然而，即便算上降溫的能耗，AQFP的能效仍然是當今高性能計算芯片中頂級半導體器件的80倍。”

三、加速超導芯片技術研發(fā)

在如今證明了超導芯片架構的概念之后，該研究團隊計劃進一步優(yōu)化芯片，從而確定芯片的可擴展性和優(yōu)化后速度。

“我們正努力改進技術，例如開發(fā)更緊湊的AQFP設備，提高運行速度，以及通過可逆計算進一步提高能效。”Ayala談及未來發(fā)展計劃時這樣說道，“此外，我們也在努力改善設計方案，力求在單個芯片中集成盡可能多的超導體器件，確保所有器件都能在高時鐘頻率下穩(wěn)定運行?！?/p>

除構建標準微芯片外，該團隊希望能進一步探索AQFP的計算應用場景，如用作人工智能的神經形態(tài)計算硬件，或用在量子計算方面。

結語：超導計算領域的希望之光？

早在1956年，麻省理工的D.A. Buck就在《The cryotron—a superconductive computer component》一文中提出了用超導體實現量子計算的構想。然而受限于當時的技術水平，超導計算還僅僅停留在理論層面。

之后的60多年里，半導體技術飛速發(fā)展，市場規(guī)模不斷擴張，而超導計算領域始終缺乏大的突破。

日本橫濱國立大學研發(fā)的這款“MANA”是世上首款絕熱超導芯片，盡管還停留在原型機的層面，但是它創(chuàng)造性地提出了一套可行的解決方案，有望在未來降低高性能計算的超高能耗，從而得到更廣泛的應用。

責任編輯：PSY