一顆7nm制程的芯片,所需能量竟然能被用來(lái)運(yùn)行80個(gè)超導(dǎo)芯片?
沒(méi)錯(cuò),全球首個(gè)絕熱超導(dǎo)微芯片 MANA,現(xiàn)在已經(jīng)問(wèn)世。
這種超導(dǎo)芯片在處理數(shù)據(jù)時(shí),運(yùn)行效率可達(dá)2.5GHz,與目前所需的計(jì)算技術(shù)相匹配。
如果進(jìn)一步研發(fā)的話,處理速度還能再進(jìn)一步優(yōu)化。
節(jié)省80倍能效的超導(dǎo)芯片
MANA (MonolithicAdiabatic iNtegration Architecture)超導(dǎo)芯片,由一種名為 鈮(Nb)的超導(dǎo)金屬組成。
當(dāng)溫度低于10開(kāi)爾文 (-263℃)時(shí),就會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。
這種芯片的關(guān)鍵構(gòu)成部分,是一種名為 AQFP(絕熱量子通量參變器)的節(jié)能超導(dǎo)數(shù)字電子結(jié)構(gòu)。
AQFP結(jié)構(gòu),能處理所有計(jì)算問(wèn)題,包括 數(shù)據(jù)處理和 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
而它的能耗,僅為CMOS材料及計(jì)算的幾萬(wàn)分之一。
之所以能耗這么低,源于AQFP超導(dǎo)材料的物理特性、斷熱型供電方式。
它的所有邏輯門元件,都基于 超導(dǎo)約瑟夫結(jié)制作,這也是它超導(dǎo)特性的由來(lái)。
超導(dǎo)約瑟夫結(jié)由超導(dǎo)-絕緣-超導(dǎo)三層器件構(gòu)成,能夠?qū)⑵骷ぷ鲿r(shí)的開(kāi)關(guān)功耗降低至1zJ (1J=1021zJ)左右。
每個(gè)AQFP,由幾個(gè)快速作用的超導(dǎo)約瑟夫結(jié)構(gòu)成,只需要很少的能量,就能支持超導(dǎo)器件。
相比于CMOS需要直流偏置,AQFP只需要采用交流電供電,靜態(tài)功耗趨近于0,還進(jìn)一步降低了開(kāi)關(guān)器件所需的電流。
這次推出的MANA (單片集成架構(gòu)),就是一個(gè)4位AQFP微芯片的原型,它由超過(guò)10000個(gè)AQFP組成。
這種結(jié)構(gòu),目前可以穩(wěn)定以 2.5GHz的時(shí)鐘頻率運(yùn)行,與目前芯片的計(jì)算能力相當(dāng)。預(yù)計(jì)通過(guò)優(yōu)化,能夠增加至5~10GHz。
那么,這種芯片所需的冷卻成本,是不是已經(jīng)超過(guò)了芯片的能耗?
并非如此。
研究人員表示,即使加上冷卻超導(dǎo)芯片的成本,整體能耗也比7nm芯片 低80倍。
事實(shí)上,超導(dǎo)芯片的研究,已有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。
在MANA被研制出來(lái)之前,來(lái)自日本橫濱國(guó)立大學(xué)的研究人員,就在2016年成功制造了一塊擁有8.3萬(wàn)個(gè)約瑟夫結(jié)的AQFP芯片。
而在ISCA 2019上,他們和美國(guó)東北大學(xué)的王言治研究組一起,共同提出了基于AQFP的超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件加速系統(tǒng)。
這種系統(tǒng)的能耗,比CMOS低將近7萬(wàn)倍,速度快30倍。
目前,團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步改善這項(xiàng)技術(shù),如開(kāi)發(fā)更精密的AQFP結(jié)構(gòu)、提高運(yùn)行速度、能效等。
為什么要開(kāi)發(fā)這種微處理器?
論文一作、來(lái)自日本橫濱國(guó)立大學(xué)的副教授Christopher Ayala認(rèn)為,隨著信息時(shí)代的發(fā)展,數(shù)字通信基礎(chǔ)設(shè)施的能耗,會(huì)越來(lái)越高。
目前,這一類設(shè)施的能耗,已經(jīng)占據(jù)全球電力的10%。
如果不從根本上改變通信基礎(chǔ)技術(shù),到2030年,能耗將可能占用全球用電量的 50%以上。
例如,目前許多大型數(shù)據(jù)中心,不得不建在河流附近,利用流動(dòng)的水冷卻機(jī)器。
而MANA就是為解決這一現(xiàn)象而來(lái)。
研究人員認(rèn)為,MANA適合被用于大型數(shù)據(jù)中心,以及超級(jí)計(jì)算機(jī)等大規(guī)模計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施。
因?yàn)檫@些設(shè)施,既包含冷卻系統(tǒng),可以將MANA芯片冷卻到所需溫度,又非常需要數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。
MANA的出現(xiàn),將有希望對(duì)這些數(shù)據(jù)中心的能耗進(jìn)行改善。
網(wǎng)友熱議
MANA的數(shù)據(jù),引發(fā)了不少網(wǎng)友的討論。
有網(wǎng)友認(rèn)為,這對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō),是一件值得興奮的事情。想象一下,處理能力一下子就便宜了80倍!
也有網(wǎng)友認(rèn)為,雖然大型數(shù)據(jù)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,那么這會(huì)是一次真正的芯片革命。
不過(guò),也有網(wǎng)友覺(jué)得,能效這種事情并不值得太在意。
“將來(lái),我不知道有什么東西能阻止我們分裂原子,然后擁有大量廉價(jià)能源?!?/p>
對(duì)于超導(dǎo)芯片的研究,你看好嗎?
責(zé)任編輯:PSY
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