一顆7nm制程的芯片，所需能量竟然能被用來運行80個超導芯片？

沒錯，全球首個絕熱超導微芯片 MANA，現在已經問世。

這種超導芯片在處理數據時，運行效率可達2.5GHz，與目前所需的計算技術相匹配。

如果進一步研發的話，處理速度還能再進一步優化。

節省80倍能效的超導芯片

MANA （MonolithicAdiabatic iNtegration Architecture）超導芯片，由一種名為 鈮（Nb）的超導金屬組成。

當溫度低于10開爾文 （-263℃）時，就會出現超導現象。

這種芯片的關鍵構成部分，是一種名為 AQFP（絕熱量子通量參變器）的節能超導數字電子結構。

AQFP結構，能處理所有計算問題，包括 數據處理和 數據存儲。

而它的能耗，僅為CMOS材料及計算的幾萬分之一。

之所以能耗這么低，源于AQFP超導材料的物理特性、斷熱型供電方式。

它的所有邏輯門元件，都基于 超導約瑟夫結制作，這也是它超導特性的由來。

超導約瑟夫結由超導-絕緣-超導三層器件構成，能夠將器件工作時的開關功耗降低至1zJ （1J=1021zJ）左右。

每個AQFP，由幾個快速作用的超導約瑟夫結構成，只需要很少的能量，就能支持超導器件。

相比于CMOS需要直流偏置，AQFP只需要采用交流電供電，靜態功耗趨近于0，還進一步降低了開關器件所需的電流。

這次推出的MANA （單片集成架構），就是一個4位AQFP微芯片的原型，它由超過10000個AQFP組成。

這種結構，目前可以穩定以 2.5GHz的時鐘頻率運行，與目前芯片的計算能力相當。預計通過優化，能夠增加至5~10GHz。

那么，這種芯片所需的冷卻成本，是不是已經超過了芯片的能耗？

并非如此。

研究人員表示，即使加上冷卻超導芯片的成本，整體能耗也比7nm芯片 低80倍。

事實上，超導芯片的研究，已有相當長的時間。

在MANA被研制出來之前，來自日本橫濱國立大學的研究人員，就在2016年成功制造了一塊擁有8.3萬個約瑟夫結的AQFP芯片。

而在ISCA 2019上，他們和美國東北大學的王言治研究組一起，共同提出了基于AQFP的超導量子計算技術 神經網絡硬件加速系統。

這種系統的能耗，比CMOS低將近7萬倍，速度快30倍。

目前，團隊計劃進一步改善這項技術，如開發更精密的AQFP結構、提高運行速度、能效等。

為什么要開發這種微處理器？

論文一作、來自日本橫濱國立大學的副教授Christopher Ayala認為，隨著信息時代的發展，數字通信基礎設施的能耗，會越來越高。

目前，這一類設施的能耗，已經占據全球電力的10%。

如果不從根本上改變通信基礎技術，到2030年，能耗將可能占用全球用電量的 50%以上。

例如，目前許多大型數據中心，不得不建在河流附近，利用流動的水冷卻機器。

而MANA就是為解決這一現象而來。

研究人員認為，MANA適合被用于大型數據中心，以及超級計算機等大規模計算基礎設施。

因為這些設施，既包含冷卻系統，可以將MANA芯片冷卻到所需溫度，又非常需要數據計算和數據存儲能力。

MANA的出現，將有希望對這些數據中心的能耗進行改善。

網友熱議

MANA的數據，引發了不少網友的討論。

有網友認為，這對于數據中心來說，是一件值得興奮的事情。想象一下，處理能力一下子就便宜了80倍！

也有網友認為，雖然大型數據中心可能從中獲益，但-263℃的溫度，要求還是太高了。

如果只需要液氮的溫度，那么這會是一次真正的芯片革命。

不過，也有網友覺得，能效這種事情并不值得太在意。

“將來，我不知道有什么東西能阻止我們分裂原子，然后擁有大量廉價能源。”

對于超導芯片的研究，你看好嗎？

責任編輯：PSY