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只需要7nm芯片1.25%的能耗,就能运行这颗超导芯片,包含冷却开销

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量子位 2021-01-14 13:40

萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

一颗7nm制程的芯片,所需能量竟然能被用来运行80个超导芯片?

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没错,全球首个绝热超导微芯片MANA,现在已经问世。

这种超导芯片在处理数据时,运行效率可达2.5GHz,与目前所需的计算技术相匹配。

如果进一步研发的话,处理速度还能再进一步优化。

节省80倍能效的超导芯片

MANA(MonolithicAdiabatic iNtegration Architecture)超导芯片,由一种名为 (Nb)的超导金属组成。

当温度低于10开尔文(-263℃)时,就会出现超导现象。

这种芯片的关键构成部分,是一种名为AQFP (绝热量子通量参变器)的节能超导数字电子结构。

AQFP结构,能处理所有计算问题,包括数据处理数据存储

而它的能耗,仅为CMOS材料及计算的几万分之一。

之所以能耗这么低,源于AQFP超导材料的物理特性、断热型供电方式。

它的所有逻辑门元件,都基于超导约瑟夫结制作,这也是它超导特性的由来。

超导约瑟夫结由超导-绝缘-超导三层器件构成,能够将器件工作时的开关功耗降低至1zJ(1J=10²¹zJ)左右。

每个AQFP,由几个快速作用的超导约瑟夫结构成,只需要很少的能量,就能支持超导器件。

相比于CMOS需要直流偏置,AQFP只需要采用交流电供电,静态功耗趋近于0,还进一步降低了开关器件所需的电流。

这次推出的MANA(单片集成架构),就是一个4位AQFP微芯片的原型,它由超过10000个AQFP组成。

这种结构,目前可以稳定以2.5GHz的时钟频率运行,与目前芯片的计算能力相当。预计通过优化,能够增加至5~10GHz。

那么,这种芯片所需的冷却成本,是不是已经超过了芯片的能耗?

并非如此。

研究人员表示,即使加上冷却超导芯片的成本,整体能耗也比7nm芯片低80倍

事实上,超导芯片的研究,已有相当长的时间。

在MANA被研制出来之前,来自日本横滨国立大学的研究人员,就在2016年成功制造了一块拥有8.3万个约瑟夫结的AQFP芯片。

而在ISCA 2019上,他们和美国东北大学的王言治研究组一起,共同提出了基于AQFP的超导量子计算技术神经网络硬件加速系统。

这种系统的能耗,比CMOS低将近7万倍,速度快30倍。

目前,团队计划进一步改善这项技术,如开发更精密的AQFP结构、提高运行速度、能效等。

为什么要开发这种微处理器?

论文一作、来自日本横滨国立大学的副教授Christopher Ayala认为,随着信息时代的发展,数字通信基础设施的能耗,会越来越高。

目前,这一类设施的能耗,已经占据全球电力的10%。

如果不从根本上改变通信基础技术,到2030年,能耗将可能占用全球用电量的50%以上

例如,目前许多大型数据中心,不得不建在河流附近,利用流动的水冷却机器。

而MANA就是为解决这一现象而来。

研究人员认为,MANA适合被用于大型数据中心,以及超级计算机等大规模计算基础设施。

因为这些设施,既包含冷却系统,可以将MANA芯片冷却到所需温度,又非常需要数据计算和数据存储能力。

MANA的出现,将有希望对这些数据中心的能耗进行改善。

网友热议

MANA的数据,引发了不少网友的讨论。

有网友认为,这对于数据中心来说,是一件值得兴奋的事情。想象一下,处理能力一下子就便宜了80倍!

也有网友认为,虽然大型数据中心可能从中获益,但-263℃的温度,要求还是太高了。

如果只需要液氮的温度,那么这会是一次真正的芯片革命。

不过,也有网友觉得,能效这种事情并不值得太在意。

“将来,我不知道有什么东西能阻止我们分裂原子,然后拥有大量廉价能源。”

对于超导芯片的研究,你看好吗?

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

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

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