电阻为零的超导微处理器问世
2021-02-08
14:01:20
来源: 半导体行业观察
来源：内容来自公众号「
IEEE电气电子工程师
」，作者：Michelle Hampson，谢谢。
The AQFP-based MANA microprocessor seated on a chip holder. The microprocessor die contains over 20,000 superconductor Josephson junctions. It is the first ever adiabatic superconducting microprocessor.
现如今，计算机消耗的能量惊人。根据最近的一项估计，仅数据中心就消耗了全球2%的电力，预计到本世纪末，这一数字将攀升至8%。不过，为了扭转这一趋势，也许位于计算机世界中心的微处理器可以以全新的方式进行精简。
日本的一个研究小组已经将这个想法发挥到了极限，创造了一个超导微处理器，一个电阻为零的微处理器。近日，在IEEE固态电路杂志上发表的一项研究报告中描述了这种新器件，这是同类器件中的第一种。
超导体微处理器可以为更节能的计算能力提供一个潜在的解决方案，但目前，这些设计要求超低温低于10开尔文（或-263摄氏度）。日本的研究小组试图制造一种绝热的超导体微处理器，这意味着，原则上，在计算过程中，能量不会从系统中获得或损失。
Photos: Christopher Ayala
Left: The chip-end of a custom-built helium immersion probe used to test superconducting chips. Right: The connection-end of the helium immersion probe connected to testing equipment via coaxial cables. The probe is inserted into a liquid helium dewar to achieve a cryogenic temperature of 4.2 Kelvin.
这种新的微处理器原型称为MANA（单绝热集成体系结构），是世界上第一个绝热超导体微处理器。它由超导铌组成，并依赖于称为绝热量子通量参量电子（AQFP）的硬件组件运行。每个AQFP由几个快速作用的约瑟夫森结开关组成，这些结开关只需很少的能量即可支持超导体电子设备。MANA微处理器总共由20000多个约瑟夫森结开关（或10000多个AQFPs）组成。
Christopher Ayala是日本横滨国立大学高级科学研究所（the Institute of Advanced Sciences at Yokohama National University,）的副教授，他帮助开发了这种新型微处理器。他解释说：“用于制造微处理器的AQFPs已经过优化，可以绝热工作，这样从电源中提取的能量就可以在相对较低的时钟频率下恢复到10ghz左右。与传统超导体电子学中通常发现的数百千兆赫相比，这个频率很低。”
然而，这并不意味着目前的这一代设备可以达到10GHz的速度。在一份新闻声明中，Ayala补充说：“我们还在一个单独的芯片上展示，微处理器的数据处理部分可以工作到2.5GHz的时钟频率，使其与当今的计算技术不相上下。随着我们对设计方法和实验装置的改进，我们甚至预计这一频率将提高到5-10 GHz。”
铌基微处理器的入门价格当然是低温和将系统冷却到超导温度的能源成本。“但即使考虑到这种冷却开销，”Ayala说，“AQFP的能效仍然是目前最先进的半导体电子器件（例如）7纳米FinFET的80倍。”
由于MANA微处理器需要液氦水平温度，它更适合大型计算基础设施，如数据中心和超级计算机，在那里可以使用低温冷却系统。他说：“这些障碍中的大部分，即区域效率、延迟和功率时钟网络的改进，都是我们一直在深入研究的研究领域，我们已经有了很好的发展方向。”
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