全球首款絕熱超導(dǎo)微芯片“MANA”：80倍能效、性能不掉價

超導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)超低能耗，適用于下一代數(shù)據(jù)中心和通訊網(wǎng)絡(luò)。

使用這項技術(shù)，數(shù)據(jù)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(xué)報》上。

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

“身處信息時代，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)中心的計算硬件或通信網(wǎng)絡(luò)的電子驅(qū)動設(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、日本橫濱國立大學(xué)副教授Christopher Ayala強調(diào)了改善通信基礎(chǔ)技術(shù)的重要性。

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

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(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)能高速計算任務(wù)?！?/p>

“從原型機的演示來看，AQFP兼具數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲功能。通過在另一款芯片上運行，我們證明了，微芯片數(shù)據(jù)處理部分的時鐘頻率最高可達2.5 GHz，已經(jīng)達到了行業(yè)水平。隨著我們在設(shè)計方法、實驗設(shè)置方面的改進，這個數(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，甚至超過現(xiàn)有芯片產(chǎn)品。

然而，研究小組表示事實并非如此：“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的能效仍然是當今高性能計算芯片中頂級半導(dǎo)體器件的80倍。”

“我們正努力改進技術(shù)，例如開發(fā)更緊湊的AQFP設(shè)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(shè)計方案，力求在單個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鐘頻率下穩(wěn)定運行?！?/p>

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

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

日本橫濱國立大學(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(yīng)用。