超导体节能微处理器，能效提升80倍学术资讯

AQFP MANA微处理器模型照片。

随着科技与生活融合程度的加深，人类对计算能力的需求也在不断攀升，这导致设备能耗爆发式增长。例如，由于会消耗大量能源，部分现代数据中心不得不建在河流附近，借助流水冷却机器。techxplore.com网站当地时间12月28日报道，日本横滨国立大学（YNU）的研究人员开发出了一种超导体微处理器的原型机，其能源效率大约是目前高性能微型处理器的80倍。论文作者、YNU副教授Christopher Ayala解释：“目前，人类信息时代的数字通信基础设施消耗的电能，约占全球电能的10%。有科学家预测：在最坏的情况下，如果计算硬件等底层技术没有根本性改变，到2030年，用电量将升至50%左右。”

Ayala团队在《IEEE固态电路学报》中详细阐述了利用超导体开发节能微处理器架构的方法。超导体是一种高效材料，但其应用条件非常苛刻。为解决能效问题，Ayala等引入一种非常节能的超导数字电子结构——绝热量子通量变参数元件（AQFP）作为超低功能、高性能微处理器和下一代数据中心计算机硬件的构筑块。Ayala说：“我们希望证明，AQFP确实能够用于节能、高速运算。为此，我们展示了4比特AQFP微处理器单片绝热集成体系架构（AQFP MANA）。这是全球首款绝热超导微处理器。AQFP能够完成数据处理和数据存储两方面的任务。我们还在一颗单独的芯片上展示了微处理器的数据处理能力——时钟频率高达2.5GHz，这与当前的计算技术相当。乐观估计下，随着设计方法和实验装置的改进，时钟频率有望提高到5~10GHz。”

然而，有人可能会提出异议，考虑到超导体微处理器需要的冷却能耗，其能量需求是否还具有优势？令人惊讶的是，Ayala团队发现这并不会对超导微处理器的应用构成威胁。Ayala说：“AQFP是一种超导体电子设备，它需要额外电能将芯片从室温冷却至4.2开尔文，从而使AQFP进入超导态。然而，即便加入冷却能耗，AQFP的能耗也仅为现有高性能计算机芯片的八十分之一。”

Ayala团队计划继续优化芯片，并确定芯片的可伸缩性和速度优化方式。Ayala说：“我们正在加紧改进技术，如开发更紧凑的AQFP设备、提高运算速度，并通过可逆计算进一步提高能源效率。我们也在对设计方案进行拓展，以便在芯片上搭载更多元件，在高时钟频率下可靠运行设备。”

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编译：雷鑫宇

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：《IEEE固态电路学报》

期刊编号：0018-9200

原文链接：

https://techxplore.com/news/2020-12-extremely-energy-efficient-microprocessor-superconductors.html