日本研发的超导微芯片MANA:频率2.5 GHz 能效80倍

12月30日，日本横滨国立大学的研究人员利用超导体设备开发了一种微芯片原型“MANA”。

超导体需要在极低的温度下正常工作。但即使计入冷却能耗，其能效仍可达到当今高性能计算芯片中顶级半导体器件的80倍。

这项新发明被称为“绝热量子通量参数化”(AQFP)，用它组装的微芯片可以在保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信网络。

使用这项技术，未来数据计算的能耗可能会大大降低。研究结果发表于《IEEE 固态电路学报》。

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

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一、“烧电”的数据计算：2030 年占全球用电量的 50% 以上

随着现代科技在日常生活中的深入，对提高计算能力的要求越来越高。因此，更大的计算能力意味着更多的能耗。

例如，由于高能耗，一些数据中心直接位于河边，使用流动的河水来冷却机器。

“在信息时代，数字通信基础设施非常重要，其能耗几乎占全球电力的10%。研究表明，如果不从根本上改变基本的通信技术，如提高大型数据中心的计算硬件或通信网络的电子驱动设备，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。”日本横滨国立大学副教授克里斯托弗阿亚拉强调了改进基础通信技术的重要性。

二、“节能”的超导体 AQFP：能效是顶尖半导体器件的 80 倍

为了解决这个问题，日本横滨国立大学的研究小组开发了一种高节能超导体电子器件，叫做“绝热量子通量变换器(AQFP)”。用这种器件组装的微芯片可以在保持高性能的同时实现超低能耗，因此特别适合下一代数据中心和通信网络。

在论文中，研究小组详细介绍了这种超导芯片的研制过程，并证明了它的高性能。

Ayala说：“本文中，我们开发并成功演示了4位AQFP微芯片的原型，命名为“Mana(单片绝热集成架构)”——，世界上第一个绝热超导体微芯片，证明AQFP具有完成节能高速计算任务的能力。”

“从样机的演示来看，AQFP兼具数据处理和数据存储功能。通过在另一个芯片上运行，证明了微芯片数据处理部分的时钟频率可以达到2.5 GHz，达到了行业水平。随着我们在设计方法和实验设置上的改进，这个数字有望提高到5-10 GHz。”

然而，超导体需要在极低的温度下正常工作。有人质疑，如果把冷却超导芯片的成本考虑在内，整体能耗会显著增加，甚至超过现有的芯片产品。

但研究小组表示情况并非如此：“AQFP是一种超导体电子器件，只有当芯片温度降至4.2K(即-268.95)时，AQFP才能进入超导状态。但就算算上散热的能耗，AQFP的能效依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

在验证了超导芯片架构的概念后，研究小组计划进一步优化芯片，以确定优化后的可扩展性和速度。

“我们正在努力改进技术，例如开发更紧凑的AQFP设备，提高运行速度，并通过可逆计算进一步提高能效。”Ayala在谈到未来发展计划时表示，“此外，我们也在努力完善设计方案，努力将尽可能多的超导体器件集成在单个芯片上，以确保所有器件都能在高时钟频率下稳定工作。”

除了建造标准微芯片，该团队希望进一步探索AQFP的计算应用场景，例如用于人工智能或量子计算的神经形态计算硬件。

结论：超导计算的希望之光

早在1956年，麻省理工学院的D.A. Buck在文章《The cryotron—a superconductive computer component》中就提出了用超导体实现量子计算的想法。但由于当时的技术水平，超导计算只停留在理论层面。

在随后的60年里，半导体技术发展迅速，市场规模不断扩大，但超导计算领域始终缺乏大的突破。

日本横滨国立大学研制的“MANA”是世界上第一个绝热超导芯片。虽然还停留在原型层面，但创造性地提出了一套可行的解决方案，有望降低未来高性能计算的超高能耗，从而得到广泛应用。