日本橫濱國(guó)立大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種應(yīng)用超導(dǎo)體器件的微芯片原型機(jī)“MANA”。

超導(dǎo)體需要在極低溫的環(huán)境下才能正常運(yùn)行。然而即便算上降溫能耗，其能效仍然能達(dá)到當(dāng)今高性能計(jì)算芯片中頂級(jí)半導(dǎo)體器件的80倍。

這項(xiàng)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(shí)實(shí)現(xiàn)超低能耗，適用于下一代數(shù)據(jù)中心和通訊網(wǎng)絡(luò)。

使用這項(xiàng)技術(shù)，數(shù)據(jù)運(yùn)算的能源消耗在未來(lái)可能將大幅降低。這項(xiàng)研究成果發(fā)布在《IEEE固態(tài)電路學(xué)報(bào)》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(xué)報(bào)》上

原文鏈接：

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

一、 “燒電 ”的數(shù)據(jù)計(jì)算： 2030年占全球用電量的 50%以上

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

例如，由于能耗太大，一些數(shù)據(jù)中心直接選址在河邊，利用流動(dòng)的河水來(lái)給機(jī)器降溫。

“身處信息時(shí)代，數(shù)字通信基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)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(chǔ)技術(shù)，如改善大型數(shù)據(jù)中心的計(jì)算硬件或通信網(wǎng)絡(luò)的電子驅(qū)動(dòng)設(shè)備，截止到2030年，數(shù)字通信基礎(chǔ)設(shè)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(guó)立大學(xué)副教授Christopher Ayala強(qiáng)調(diào)了改善通信基礎(chǔ)技術(shù)的重要性。

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

為了解決這一難題，日本橫濱國(guó)立大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種高度節(jié)能的超導(dǎo)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(shí)實(shí)現(xiàn)超低能耗，因此格外適用于下一代數(shù)據(jù)中心和通訊網(wǎng)絡(luò)。

在論文中，研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)介紹了研發(fā)這款超導(dǎo)芯片的過(guò)程，還證明了它的高性能表現(xiàn)。

Ayala說(shuō)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(jī)，名為“MANA（Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture，單絕熱集成架構(gòu)）”——全球第一款絕熱超導(dǎo)體微芯片，證明了AQFP有能力完成節(jié)能高速計(jì)算任務(wù)?！?/p>

“從原型機(jī)的演示來(lái)看，AQFP兼具數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。通過(guò)在另一款芯片上運(yùn)行，我們證明了，微芯片數(shù)據(jù)處理部分的時(shí)鐘頻率最高可達(dá)2.5 GHz，已經(jīng)達(dá)到了行業(yè)水平。隨著我們?cè)谠O(shè)計(jì)方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)置方面的改進(jìn)，這個(gè)數(shù)字有望提高到5-10 GHz?！?/p>

然而，超導(dǎo)體需要在極低溫的環(huán)境下才能正常運(yùn)行。有人質(zhì)疑，如果將冷卻超導(dǎo)芯片的成本考慮在內(nèi)，其總體能耗將大幅上升，甚至超過(guò)現(xiàn)有芯片產(chǎn)品。

然而，研究小組表示事實(shí)并非如此：“AQFP是一種超導(dǎo)體電子設(shè)備，只有將芯片溫度降至4.2K（即-268.95℃），AQFP才能進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。然而，即便算上降溫的能耗，AQFP的能效仍然是當(dāng)今高性能計(jì)算芯片中頂級(jí)半導(dǎo)體器件的80倍?！?/p>

三、加速超導(dǎo)芯片技術(shù)研發(fā)

在如今證明了超導(dǎo)芯片架構(gòu)的概念之后，該研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化芯片，從而確定芯片的可擴(kuò)展性和優(yōu)化后速度。

“我們正努力改進(jìn)技術(shù)，例如開(kāi)發(fā)更緊湊的AQFP設(shè)備，提高運(yùn)行速度，以及通過(guò)可逆計(jì)算進(jìn)一步提高能效?！盇yala談及未來(lái)發(fā)展計(jì)劃時(shí)這樣說(shuō)道，“此外，我們也在努力改善設(shè)計(jì)方案，力求在單個(gè)芯片中集成盡可能多的超導(dǎo)體器件，確保所有器件都能在高時(shí)鐘頻率下穩(wěn)定運(yùn)行?！?/p>

除構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)微芯片外，該團(tuán)隊(duì)希望能進(jìn)一步探索AQFP的計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景，如用作人工智能的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算硬件，或用在量子計(jì)算方面。

結(jié)語(yǔ)：超導(dǎo)計(jì)算領(lǐng)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(dǎo)體實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的構(gòu)想。然而受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，超導(dǎo)計(jì)算還僅僅停留在理論層面。

之后的60多年里，半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)張，而超導(dǎo)計(jì)算領(lǐng)域始終缺乏大的突破。

日本橫濱國(guó)立大學(xué)研發(fā)的這款“MANA”是世上首款絕熱超導(dǎo)芯片，盡管還停留在原型機(jī)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(lái)降低高性能計(jì)算的超高能耗，從而得到更廣泛的應(yīng)用。

責(zé)任編輯：PSY