首个绝热超导微处理器（CPU）

日本横滨国立大学的研究人员最近使用超导体开发出了一种使用未分流超导约瑟夫逊结（JJ）器件的绝热超导微处理器。其能效比比当今最高性能的计算系统中的微处理器中最先进的半导体设备高80倍。相关内容发表在《IEEE固态电路》杂志上。

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2%的电力，预计到本世纪末，这一数字将攀升至8%。不过，为了扭转这一趋势，也许位于计算机世界中心的微处理器可以以全新的方式进行精简。

超导体微处理器可以为更节能的计算能力提供一个潜在的解决方案，但目前，这些设计要求低于10开尔文的超低温（或-263摄氏度）。超导体约瑟夫逊结（JJ）器件由于在量子比特中用于量子退火和通用量子计算处理器而受到了广泛关注。JJ器件具有执行常规计算的能力，可以作为经典的数字电路运行，并且有可能成为下一代超级计算机和数据中心的节能基础。未来十年，信息和通信技术的电力需求预计将增长20％以上，基于JJ的超导体可作为技术替代方案来满足其发展需求。

图2，左图：用于测试超导芯片的特制氦浸没探针的芯片端。右：氦浸没探针的连接端通过同轴电缆与测试设备相连。将探头插入液氦杜瓦中，以达到4.2开尔文的低温温度。

为此，日本的一组研究人员将这一想法发挥到了极致，创造了一个超导微处理器，一个电阻为零的微处理器，这是同类器件中的第一种。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单绝热集成体系结构（Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture，MANA），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由几个快速作用的约瑟夫逊结（JJ）器件开关组成，这些开关仅需要很少的能量来支持超导体电子设备。

MANA是在4-b数据字上运行的精简指令集计算机（RISC）和数据流体系结构的混合体，依赖于绝热量子通量参量电子（AQFP）的逻辑原语以超导铌构成。 MANA微处理器总共由20,000多个Josephson结（或10,000多个AQFP）组成。这些开关仅需要很少的能量来支持超导体电子设备。实验表明，该MANA在4.2 K的四相5 GHz正弦交流时钟驱动时，其开关能量为1.4 zJ / JJ，可以100 kHz执行的寄存器文件读写访问，算是逻辑单元执行，硬件停顿和程序分支，实现高达2.5 GHz的微处理器执行单元的高速突破芯片。

Christopher Ayala是日本横滨国立大学高级科学研究所的副教授，他帮助开发了该新型微处理器。 他解释说：“用于构建微处理器的AQFP已经过优化，可以绝热地运行，从而可在相对低的时钟频率（高达10GHz左右）下恢复从电源中汲取的能量。与传统超导电子产品数百兆赫兹的运行频率相比，这个数字要低得多。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出，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提并论。 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。”

这种基于铌的微处理器的入门价格取决于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，与最先进的半导体电子设备（例如7纳米鳍式场效应晶体管）相比，AQFP的能源效率仍然高出约80倍。由于MANA微处理器需要液氦水平的温度，因此它更适合于可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。

该项研究结果表明AQFP 逻辑既可以处理也可以进行存储操作，具有一条通向实用绝热计算的道路，可以以低功率在高时钟频率下运行。在下一代节能型超级计算机和数据中心等应用中具有很大的潜力。