使用超导体做的微处理器，能耗比为当前产品的80倍

日本横滨国立大学的研究人员最近使用超导体开发出了一种微处理器，其能效比比当今最高性能的计算系统中的微处理器中最先进的半导体设备高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日益增长。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，因此流动的水可以用来冷却机器。

“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设施的基础技术没有根本变化，例如大型数据中心的计算硬件或驱动通信网络的电子设备，到2030年，其用电量可能会上升到全球用电量的50％以上。”横滨国立大学副教授Christopher Ayala说。

该小组的研究发表在《期刊：IEEE固态电路期刊》上，详细介绍了使用超导体开发出更高能效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，即绝热量子通量参量电子（adiabatic quantum-flux-parametron：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。

“在这个设计中，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4位AQFP微处理器MANA（Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture)，世界上第一个绝热超导体微处理器。”

“我们的微处理器的演示表明，AQFP能够进行所有方面的计算，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最高时钟频率下运行。2.5 GHz使它与当今的计算技术相提并论。随着我们在设计方法和实验装置方面的改进，我们甚至期望将其频率提高到5-10 GHz。”

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受欢迎，并且将超过当今的微处理器。但是，据研究小组称，事实并非如此：

“ AQFP是一种超导体电子设备，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，AQFP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，其能源效率仍高出约80倍。”

既然团队已经证明了这种超导芯片架构的概念，他们计划对芯片进行优化，并确定芯片的可扩展性和后期优化速度。

Ayala说：“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，并通过可逆计算进一步提高能效。” “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器件，并在高时钟频率下可靠地运行所有器件。”

除了构建标准微处理器之外，该团队还对研究AQFP如何在其他计算应用程序（例如为人工智能的神经形态计算硬件以及量子计算应用程序中提供帮助）。