只需要7nm芯片1.25%的能耗，就能運(yùn)行這顆超導(dǎo)芯片，包含冷卻開銷在內(nèi)

蕭簫 2021-01-14 13:40:38 來源：量子位

蕭簫 發(fā)自 凹非寺
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一顆7nm制程的芯片，所需能量竟然能被用來運(yùn)行80個(gè)超導(dǎo)芯片？

沒錯(cuò)，全球首個(gè)絕熱超導(dǎo)微芯片MANA，現(xiàn)在已經(jīng)問世。

這種超導(dǎo)芯片在處理數(shù)據(jù)時(shí)，運(yùn)行效率可達(dá)2.5GHz，與目前所需的計(jì)算技術(shù)相匹配。

如果進(jìn)一步研發(fā)的話，處理速度還能再進(jìn)一步優(yōu)化。

節(jié)省80倍能效的超導(dǎo)芯片

MANA（MonolithicAdiabatic iNtegration Architecture）超導(dǎo)芯片，由一種名為鈮?（Nb）的超導(dǎo)金屬組成。

當(dāng)溫度低于10開爾文（-263℃）時(shí)，就會出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。

這種芯片的關(guān)鍵構(gòu)成部分，是一種名為AQFP?（絕熱量子通量參變器）的節(jié)能超導(dǎo)數(shù)字電子結(jié)構(gòu)。

AQFP結(jié)構(gòu)，能處理所有計(jì)算問題，包括數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲。

而它的能耗，僅為CMOS材料及計(jì)算的幾萬分之一。

之所以能耗這么低，源于AQFP超導(dǎo)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(dǎo)約瑟夫結(jié)制作，這也是它超導(dǎo)特性的由來。

超導(dǎo)約瑟夫結(jié)由超導(dǎo)-絕緣-超導(dǎo)三層器件構(gòu)成，能夠?qū)⑵骷ぷ鲿r(shí)的開關(guān)功耗降低至1zJ（1J=1021zJ）左右。

每個(gè)AQFP，由幾個(gè)快速作用的超導(dǎo)約瑟夫結(jié)構(gòu)成，只需要很少的能量，就能支持超導(dǎo)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(tài)功耗趨近于0，還進(jìn)一步降低了開關(guān)器件所需的電流。

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

這種結(jié)構(gòu)，目前可以穩(wěn)定以2.5GHz的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，與目前芯片的計(jì)算能力相當(dāng)。預(yù)計(jì)通過優(yōu)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(jīng)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(dǎo)芯片的成本，整體能耗也比7nm芯片低80倍。

事實(shí)上，超導(dǎo)芯片的研究，已有相當(dāng)長的時(shí)間。

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

而在ISCA 2019上，他們和美國東北大學(xué)的王言治研究組一起，共同提出了基于AQFP的超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件加速系統(tǒng)。

這種系統(tǒng)的能耗，比CMOS低將近7萬倍，速度快30倍。

目前，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步改善這項(xiàng)技術(shù)，如開發(fā)更精密的AQFP結(jié)構(gòu)、提高運(yùn)行速度、能效等。

為什么要開發(fā)這種微處理器？

論文一作、來自日本橫濱國立大學(xué)的副教授Christopher Ayala認(rèn)為，隨著信息時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字通信基礎(chǔ)設(shè)施的能耗，會越來越高。

目前，這一類設(shè)施的能耗，已經(jīng)占據(jù)全球電力的10%。

如果不從根本上改變通信基礎(chǔ)技術(shù)，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(shù)據(jù)中心，不得不建在河流附近，利用流動的水冷卻機(jī)器。

而MANA就是為解決這一現(xiàn)象而來。

研究人員認(rèn)為，MANA適合被用于大型數(shù)據(jù)中心，以及超級計(jì)算機(jī)等大規(guī)模計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施。

因?yàn)檫@些設(shè)施，既包含冷卻系統(tǒng)，可以將MANA芯片冷卻到所需溫度，又非常需要數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲能力。

MANA的出現(xiàn)，將有希望對這些數(shù)據(jù)中心的能耗進(jìn)行改善。

網(wǎng)友熱議

MANA的數(shù)據(jù)，引發(fā)了不少網(wǎng)友的討論。

有網(wǎng)友認(rèn)為，這對于數(shù)據(jù)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(wǎng)友認(rèn)為，雖然大型數(shù)據(jù)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(wǎng)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(jià)能源?！?/p>

對于超導(dǎo)芯片的研究，你看好嗎？

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

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