超导微处理器比7纳米芯片能耗少1.25倍

超导微处理器比7纳米芯片能耗少1.25倍
2021年01月16日 12:40 半导体行业观察

来源:内容来源IEEE」,谢谢。

今天,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电力的2%,到十年末,这一数字有望攀升到8%。为了逆转这种趋势,也许可以以全新的方式简化位于计算机世界中心的微处理器。 

日本的一组研究人员将这一想法发挥到了极致,从而创建了一种超导微处理器-电阻为零。上个月在IEEE固态电路杂志上发表的一项研究中对 这种新器件进行了首次介绍。

超导体微处理器可以为提高能源效率的计算能力提供潜在的解决方案,但事实上,这些设计目前需要低于10开尔文(或-263摄氏度)的超冷温度。日本的研究小组试图创建一种绝热的超导体微处理器,这意味着,从原理上讲,在计算过程中不会从系统中获得或损失能量。

在存在绝热半导体微处理器的同时,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。每个AQFP都由几个快速作用的Josephson结开关组成,这些结开关需要很少的能量来支持超导体电子设备。MANA微处理器总共由20,000多个Josephson结(或10,000多个AQFP)组成。

Christopher Ayala是高级科学研究所的副教授日本横滨国立大学副教授,他帮助开发了新的微处理器。他解释说:“用于构建微处理器的AQFP已经过优化,可以绝热运行,从而可以在相对低的时钟频率(高达10 GHz左右)下恢复从电源中汲取的能量。” “与传统超导电子产品中通常发现的数百吉赫兹相比,这个数字很低。”

但是,这并不意味着该小组的当前设备达到了10 GHz的速度。Ayala在新闻稿中补充说:“我们还在单独的芯片上显示,微处理器的数据处理部分可以在高达2.5 GHz的时钟频率下运行,这使其与当今的计算技术相当。我们甚至期望随着我们在设计方法和实验设置方面的改进而增加到5-10 GHz。” 

基于铌的微处理器的入门价格当然是低温和将系统冷却至超导温度所需的能源成本。  

“但是,即使考虑到这种冷却开销,”Ayala说:“与最先进的半导体电子设备(例如7纳米FinFET)相比,AQFP的能源效率仍然高出约80倍,今天就可以使用。”

由于MANA微处理器需要液氦水平的温度,因此它更适合于可以使用低温冷却系统的大规模计算基础架构,例如数据中心和超级计算机。

他说:“这些障碍中的大多数(即区域效率以及延迟和电源时钟网络的改进)是我们一直在大量研究的研究领域,并且我们已经有了可喜的发展方向。

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