芯東西 12 月 30 日消息，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
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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?！痹撗芯康囊蛔鳌⑷毡緳M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?！?/p>
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?！?/p>
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?！盇yala 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。”
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。
來源：TechXplore
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