只需要7nm芯片1.25%的能耗，就能运行这颗超导芯片，包含冷却开销在内

萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

一颗7nm制程的芯片，所需能量竟然能被用来运行80个超导芯片？

没错，全球首个绝热超导微芯片MANA，现在已经问世。

这种超导芯片在处理数据时，运行效率可达2.5GHz，与目前所需的计算技术相匹配。

如果进一步研发的话，处理速度还能再进一步优化。

节省80倍能效的超导芯片

MANA（MonolithicAdiabatic iNtegration Architecture）超导芯片，由一种名为铌 （Nb）的超导金属组成。

当温度低于10开尔文（-263℃）时，就会出现超导现象。

这种芯片的关键构成部分，是一种名为AQFP （绝热量子通量参变器）的节能超导数字电子结构。

AQFP结构，能处理所有计算问题，包括数据处理和数据存储。

而它的能耗，仅为CMOS材料及计算的几万分之一。

之所以能耗这么低，源于AQFP超导材料的物理特性、断热型供电方式。

它的所有逻辑门元件，都基于超导约瑟夫结制作，这也是它超导特性的由来。

超导约瑟夫结由超导-绝缘-超导三层器件构成，能够将器件工作时的开关功耗降低至1zJ（1J=10²¹zJ）左右。

每个AQFP，由几个快速作用的超导约瑟夫结构成，只需要很少的能量，就能支持超导器件。

相比于CMOS需要直流偏置，AQFP只需要采用交流电供电，静态功耗趋近于0，还进一步降低了开关器件所需的电流。

这次推出的MANA（单片集成架构），就是一个4位AQFP微芯片的原型，它由超过10000个AQFP组成。

这种结构，目前可以稳定以2.5GHz的时钟频率运行，与目前芯片的计算能力相当。预计通过优化，能够增加至5~10GHz。

那么，这种芯片所需的冷却成本，是不是已经超过了芯片的能耗？

并非如此。

研究人员表示，即使加上冷却超导芯片的成本，整体能耗也比7nm芯片低80倍。

事实上，超导芯片的研究，已有相当长的时间。

在MANA被研制出来之前，来自日本横滨国立大学的研究人员，就在2016年成功制造了一块拥有8.3万个约瑟夫结的AQFP芯片。

而在ISCA 2019上，他们和美国东北大学的王言治研究组一起，共同提出了基于AQFP的超导量子计算技术神经网络硬件加速系统。

这种系统的能耗，比CMOS低将近7万倍，速度快30倍。

目前，团队计划进一步改善这项技术，如开发更精密的AQFP结构、提高运行速度、能效等。

为什么要开发这种微处理器？

论文一作、来自日本横滨国立大学的副教授Christopher Ayala认为，随着信息时代的发展，数字通信基础设施的能耗，会越来越高。

目前，这一类设施的能耗，已经占据全球电力的10%。

如果不从根本上改变通信基础技术，到2030年，能耗将可能占用全球用电量的50%以上。

例如，目前许多大型数据中心，不得不建在河流附近，利用流动的水冷却机器。

而MANA就是为解决这一现象而来。

研究人员认为，MANA适合被用于大型数据中心，以及超级计算机等大规模计算基础设施。

因为这些设施，既包含冷却系统，可以将MANA芯片冷却到所需温度，又非常需要数据计算和数据存储能力。

MANA的出现，将有希望对这些数据中心的能耗进行改善。

网友热议

MANA的数据，引发了不少网友的讨论。

有网友认为，这对于数据中心来说，是一件值得兴奋的事情。想象一下，处理能力一下子就便宜了80倍！

也有网友认为，虽然大型数据中心可能从中获益，但-263℃的温度，要求还是太高了。

如果只需要液氮的温度，那么这会是一次真正的芯片革命。

不过，也有网友觉得，能效这种事情并不值得太在意。

“将来，我不知道有什么东西能阻止我们分裂原子，然后拥有大量廉价能源。”

对于超导芯片的研究，你看好吗？

论文地址：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9295318

参考链接：
https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/new-superconductor-microprocessor-yields-a-substantial-boost-in-efficiency
https://news.ycombinator.com/item?id=25765128

— 完 —

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