日本橫濱國(guó)立大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出 種原型微處理器，它使用超導(dǎo)體設(shè)備，其能源效率是當(dāng)今高性能計(jì)算系統(tǒng)微處理器中 進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備的80倍。
隨著當(dāng)今技術(shù)越來(lái)越融入我們的日常生活中，對(duì)更多計(jì)算能力的需求日益增長(zhǎng)。由于這種增加，這種增加的計(jì)算能力所消耗的能量正在急劇增加。例如，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心使用了太多的能量，而有些數(shù)據(jù)中心則建在河流附近，因此流動(dòng)的水可以用來(lái)冷卻機(jī)器。
“支持我們今天生活的信息時(shí)代的數(shù)字通信基礎(chǔ)設(shè)施目前使用了 約10％的電力。研究表明，在 壞的情況下，如果我們的通信基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)技術(shù)沒有根本變化，例如大型數(shù)據(jù)中心的計(jì)算硬件或驅(qū)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的電子設(shè)備，我們可能會(huì)看到其用電量到2030年將占 用電量的50％以上。”橫濱國(guó)立大學(xué)副教授，克里斯托弗·阿亞拉（Christopher Ayala）說研究。
該小組的研究發(fā)表在《 期刊：IEEE固態(tài)電路學(xué)報(bào)》上，詳細(xì)介紹了使用超導(dǎo)體開發(fā)出更高能效的微處理器體系結(jié)構(gòu)的努力，這些超導(dǎo)體的效率 高，但需要 定的環(huán)境條件才能運(yùn)行。
為了解決這個(gè)電源問題，研究小組探索了 種 節(jié)能的超導(dǎo)體數(shù)字電子結(jié)構(gòu)，即 熱量子通量參量電子（AQFP），作為超低功耗，高性能微處理器的基礎(chǔ)，以及用于下 代數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)的其他計(jì)算硬件。
“在本文中，我們想證明AQFP能夠進(jìn)行實(shí)用的節(jié)能高速計(jì)算，而我們通過開發(fā)并成功演示了原型4位AQFP微處理器MANA（單 熱集成架構(gòu)）， 上第 個(gè) 熱超導(dǎo)體微處理器。”
“我們的原型微處理器的演示表明，AQFP具有計(jì)算的所有方面的能力，即：數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。我們還在單獨(dú)的芯片上顯示出，微處理器的數(shù)據(jù)處理部分可以在 高時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。 2.5 GHz使它與當(dāng)今的計(jì)算技術(shù)相提并論。隨著我們?cè)谠O(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)置方面的改進(jìn)，我們甚至期望將其提高到5-10 GHz。”
但是，超導(dǎo)體需要 低的溫度才能成功運(yùn)行。有人會(huì)認(rèn)為，如果將超導(dǎo)體微處理器所需的冷卻因素考慮在內(nèi)，那么對(duì)能量的需求將變得不合需要，并超過當(dāng)今的微處理器。但是，據(jù)研究小組稱，事實(shí)并非如此：
“ AQFP是 種超導(dǎo)體電子設(shè)備，這意味著我們需要額外的功率才能將芯片從室溫降到4.2開爾文，以使AQFP進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。但是即使考慮到這種冷卻開銷，AQFP與當(dāng)今可用的高性能計(jì)算機(jī)芯片中 進(jìn)的半導(dǎo)體電子設(shè)備相比，其能源效率仍高出約80倍。”
既然團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了這種超導(dǎo)芯片架構(gòu)的概念，他們計(jì)劃對(duì)芯片進(jìn)行優(yōu)化，并確定芯片的可擴(kuò)展性和后期優(yōu)化速度。
Ayala說：“我們現(xiàn)在正在努力改進(jìn)技術(shù)，包括開發(fā)更緊湊的AQFP設(shè)備，提高運(yùn)行速度以及通過可逆計(jì)算進(jìn) 步提高能效。” “我們還在擴(kuò)展我們的設(shè)計(jì)方法，以使我們可以在單個(gè)芯片中盡可能多地安裝器件，并在高時(shí)鐘頻率下可靠地運(yùn)行所有器件。”
除構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)微處理器外，該團(tuán)隊(duì)還對(duì)研究AQFP如何協(xié)助其他計(jì)算應(yīng)用程序（如用于人工智能的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算硬件以及量子計(jì)算應(yīng)用程序）產(chǎn)生興趣。
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