日本研发超导微芯片 MANA：频率2.5 GHz，80倍能效

芯东西 12 月 30 日消息，日本横滨国立大学的研究人员开发出了一种应用超导体器件的微芯片原型机 “MANA”。

超导体需要在极低温的环境下才能正常运行。然而即便算上降温能耗，其能效仍然能达到当今高性能计算芯片中顶级半导体器件的 80 倍。

这项新发明名为 “绝热量子通量参变器”（adiabatic quantum-flux-parametron，即 “AQFP”），用其组装的微芯片能在维持高性能的同时实现超低能耗，适用于下一代数据中心和通讯网络。

使用这项技术，数据运算的能源消耗在未来可能将大幅降低。这项研究成果发布在《IEEE 固态电路学报》上。

▲《MANA: A Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture Microprocessor Using 1.4-zJ/op Unshunted Superconductor Josephson Junction Devices》一文发表在《IEEE 固态电路学报》上

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一、“烧电”的数据计算：2030 年占全球用电量的 50% 以上

随着现代技术愈发深入日常生活，提升计算能力的呼声日益高昂。相应地，更大的计算能力意味着更多的能源消耗。

例如，由于能耗太大，一些数据中心直接选址在河边，利用流动的河水来给机器降温。

“身处信息时代，数字通信基础设施至关重要，其能耗几乎占到全球电力的 10%。研究表明，如果不从根本上改变通信基础技术，如改善大型数据中心的计算硬件或通信网络的电子驱动设备，截止到 2030 年，数字通信基础设施的能耗最多将占全球用电量的 50%以上。”该研究的一作、日本横滨国立大学副教授 Christopher Ayala 强调了改善通信基础技术的重要性。

二、“节能”的超导体 AQFP：能效是顶尖半导体器件的 80 倍

为了解决这一难题，日本横滨国立大学的科研团队研发了一种高度节能的超导体电子器件，名为 “绝热量子通量参变器（AQFP）”，用这种器件组装的微芯片能在维持高性能的同时实现超低能耗，因此格外适用于下一代数据中心和通讯网络。

在论文中，研究团队详细介绍了研发这款超导芯片的过程，还证明了它的高性能表现。

Ayala 说道：“在这篇论文中，我们研发并成功演示了 4 位 AQFP 微芯片的原型机，名为 “MANA（Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture，单绝热集成架构）”——全球第一款绝热超导体微芯片，证明了 AQFP 有能力完成节能高速计算任务。”

“从原型机的演示来看，AQFP 兼具数据处理和数据存储功能。通过在另一款芯片上运行，我们证明了，微芯片数据处理部分的时钟频率最高可达 2.5 GHz，已经达到了行业水平。随着我们在设计方法、实验设置方面的改进，这个数字有望提高到 5-10 GHz。”

然而，超导体需要在极低温的环境下才能正常运行。有人质疑，如果将冷却超导芯片的成本考虑在内，其总体能耗将大幅上升，甚至超过现有芯片产品。

然而，研究小组表示事实并非如此：“AQFP 是一种超导体电子设备，只有将芯片温度降至 4.2K（即 - 268.95℃），AQFP 才能进入超导状态。然而，即便算上降温的能耗，AQFP 的能效仍然是当今高性能计算芯片中顶级半导体器件的 80 倍。”

三、加速超导芯片技术研发

在如今证明了超导芯片架构的概念之后，该研究团队计划进一步优化芯片，从而确定芯片的可扩展性和优化后速度。

“我们正努力改进技术，例如开发更紧凑的 AQFP 设备，提高运行速度，以及通过可逆计算进一步提高能效。”Ayala 谈及未来发展计划时这样说道， “此外，我们也在努力改善设计方案，力求在单个芯片中集成尽可能多的超导体器件，确保所有器件都能在高时钟频率下稳定运行。”

除构建标准微芯片外，该团队希望能进一步探索 AQFP 的计算应用场景，如用作人工智能的神经形态计算硬件，或用在量子计算方面。

结语：超导计算领域的希望之光？

早在 1956 年，麻省理工的 D.A. Buck 就在《The cryotron—a superconductive computer component》一文中提出了用超导体实现量子计算的构想。然而受限于当时的技术水平，超导计算还仅仅停留在理论层面。

之后的 60 多年里，半导体技术飞速发展，市场规模不断扩张，而超导计算领域始终缺乏大的突破。

日本横滨国立大学研发的这款 “MANA”是世上首款绝热超导芯片，尽管还停留在原型机的层面，但是它创造性地提出了一套可行的解决方案，有望在未来降低高性能计算的超高能耗，从而得到更广泛的应用。

来源：TechXplore

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