全球首顆絕熱超導微晶片誕生!所需能耗僅 7 奈米晶片的 1.25% 倍

【我們為什麼挑選這篇文章】建立大型數據中心耗能又耗電,除了需要完整的電力供應,還需要有豐沛、流動的水來冷卻機器。日本科學家研發出一款超導晶片,其消耗能量極低,冷卻所需的耗能不只低,速度也快,可解決超導量子計算規模化量產中遇到的難題,被認為很適合用於大型數據中心以及超級電腦等大規模的計算基礎設施。(責任編輯:賴佩萱)

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作者:量子位

一顆 7 nm 製程的晶片,所需能量竟然能被用來運行 80 個超導晶片?

沒錯,全球首個絕熱超導微晶片 MANA,現在已經問世。

這種超導晶片在處理數據時,運行效率可達 2.5 GHz,與目前所需的計算技術相匹配。

如果進一步研發的話,處理速度還能再進一步優化。

可節省 80 倍能耗的超導晶片——MANA

MANA(MonolithicAdiabatic iNtegration Architecture)超導晶片,由一種名為鈮(Nb)的超導金屬組成。

當溫度低於 10 開爾文(-263℃)時,就會出現超導現象 。這種晶片的關鍵構成部分,是一種名為 AQFP(絕熱量子通量參變器)的節能超導數字電子結構。

AQFP 結構,能處理所有計算問題,包括數據處理和數據儲存,而它的能耗,僅為 CMOS 材料及計算的幾萬分之一。

能耗為什麼可以這麼低?

之所以能耗這麼低,源於 AQFP 超導材料的物理特性、斷熱型供電方式。它的所有邏輯門元件,都基於超導約瑟夫結製作,這也是它超導特性的由來。

超導約瑟夫結由超導-絕緣-超導三層器件構成,能夠將器件工作時的開關功耗降低至 1 zJ(1 J=10²¹ zJ)左右。

每個 AQFP,由幾個快速作用的超導約瑟夫結構成,只需要很少的能量,就能支持超導器件。

相比於 CMOS 需要直流偏置,AQFP 只需要採用交流電供電,靜態功耗趨近於 0,還進一步降低了開關器件所需的電流。

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

這種結構,目前可以穩定以 2.5 GHz 的時鐘頻率運行,與目前晶片的計算能力相當。預計通過優化,能夠增加至 5~10 GHz。

冷卻這塊超導晶片的功耗也低的驚人

那麼,這種晶片所需的冷卻成本,是不是已經超過了晶片的能耗?

並非如此。

研究人員表示,即使加上冷卻超導晶片的成本,整體能耗也比 7 nm 晶片低 80 倍。

事實上,超導晶片的研究,已有相當長的時間。

在 MANA 被研製出來之前,來自日本橫濱國立大學的研究人員,就在 2016 年成功製造了一塊擁有 8.3 萬個約瑟夫結的 AQFP 晶片。而在 ISCA 2019 上,他們和美國東北大學的王言治研究組一起,共同提出了基於 AQFP 的超導量子計算技術神經網路硬體加速系統。

這種系統的能耗,比 CMOS 低將近 7 萬倍,速度快 30 倍。

目前,團隊計劃進一步改善這項技術,如開發更精密的 AQFP 結構、提高運行速度、能效等。

為什麼要開發這種微處理器?

論文 一作、來自日本橫濱國立大學的副教授 Christopher Ayala 認為,隨著訊息時代的發展,數字通訊基礎設施的能耗,會越來越高。

目前,這一類設施的能耗,已經佔據全球電力的 10%。

如果不從根本上改變通訊基礎技術,到 2030 年,能耗將可能佔用全球用電量的 50%以上。

例如,目前許多大型數據中心,不得不建在河流附近,利用流動的水冷卻機器。而 MANA 就是為解決這一現象而來。

研究人員認為,MANA 適合被用於大型數據中心,以及超級電腦等大規模計算基礎設施。 因為這些設施,既包含冷卻系統,可以將 MANA 晶片冷卻到所需溫度,又非常需要數據計算和數據儲存能力。

MANA 的出現,將有希望對這些數據中心的能耗進行改善。

網友熱議,反應兩極

MANA 的數據,引發了不少網友的討論。有網友認為,這對於數據中心來說,是一件值得興奮的事情。想像一下,處理能力一下子就便宜了 80 倍!

也有網友認為,雖然大型數據中心可能從中獲益,但 -263℃ 的溫度,要求還是太高了。如果只需要液氮的溫度,那麼這會是一次真正的晶片革命。

不過,也有網友覺得,能效這種事情並不值得太在意。「將來,我不知道有什麼東西能阻止我們分裂原子,然後擁有大量廉價能源。」

對於超導晶片的研究,你看好嗎?

參考資料

spectrum

(本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈只需要 7 nm 芯片 1.25% 的能耗,就能運行這顆超導芯片,包含冷卻開銷在內 〉)

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