日本橫濱國立大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出 種原型微處理器，它使用超導體設備，其能源效率是當今高性能計算系統(tǒng)微處理器中 進的半導體設備的80倍。
隨著當今技術越來越融入我們的日常生活中，對更多計算能力的需求日益增長。由于這種增加，這種增加的計算能力所消耗的能量正在急劇增加。例如，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心使用了太多的能量，而有些數(shù)據(jù)中心則建在河流附近，因此流動的水可以用來冷卻機器。
“支持我們今天生活的信息時代的數(shù)字通信基礎設施目前使用了 約10％的電力。研究表明，在 壞的情況下，如果我們的通信基礎設施的基礎技術沒有根本變化，例如大型數(shù)據(jù)中心的計算硬件或驅動通信網(wǎng)絡的電子設備，我們可能會看到其用電量到2030年將占 用電量的50％以上。”橫濱國立大學副教授，克里斯托弗·阿亞拉（Christopher Ayala）說研究。
該小組的研究發(fā)表在《 期刊：IEEE固態(tài)電路學報》上，詳細介紹了使用超導體開發(fā)出更高能效的微處理器體系結構的努力，這些超導體的效率 高，但需要 定的環(huán)境條件才能運行。
為了解決這個電源問題，研究小組探索了 種 節(jié)能的超導體數(shù)字電子結構，即 熱量子通量參量電子（AQFP），作為超低功耗，高性能微處理器的基礎，以及用于下 代數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡的其他計算硬件。
“在本文中，我們想證明AQFP能夠進行實用的節(jié)能高速計算，而我們通過開發(fā)并成功演示了原型4位AQFP微處理器MANA（單 熱集成架構）， 上第 個 熱超導體微處理器。”
“我們的原型微處理器的演示表明，AQFP具有計算的所有方面的能力，即：數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲。我們還在單獨的芯片上顯示出，微處理器的數(shù)據(jù)處理部分可以在 高時鐘頻率下運行。 2.5 GHz使它與當今的計算技術相提并論。隨著我們在設計方法和實驗設置方面的改進，我們甚至期望將其提高到5-10 GHz。”
但是，超導體需要 低的溫度才能成功運行。有人會認為，如果將超導體微處理器所需的冷卻因素考慮在內，那么對能量的需求將變得不合需要，并超過當今的微處理器。但是，據(jù)研究小組稱，事實并非如此：
“ AQFP是 種超導體電子設備，這意味著我們需要額外的功率才能將芯片從室溫降到4.2開爾文，以使AQFP進入超導狀態(tài)。但是即使考慮到這種冷卻開銷，AQFP與當今可用的高性能計算機芯片中 進的半導體電子設備相比，其能源效率仍高出約80倍。”
既然團隊已經(jīng)證明了這種超導芯片架構的概念，他們計劃對芯片進行優(yōu)化，并確定芯片的可擴展性和后期優(yōu)化速度。
Ayala說：“我們現(xiàn)在正在努力改進技術，包括開發(fā)更緊湊的AQFP設備，提高運行速度以及通過可逆計算進 步提高能效。” “我們還在擴展我們的設計方法，以使我們可以在單個芯片中盡可能多地安裝器件，并在高時鐘頻率下可靠地運行所有器件。”
除構建標準微處理器外，該團隊還對研究AQFP如何協(xié)助其他計算應用程序（如用于人工智能的神經(jīng)形態(tài)計算硬件以及量子計算應用程序）產生興趣。
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