电阻为零的超导微处理器问世 能效高出半导体同类产品八十倍

根据最近的一项估计，目前数据中心的耗能已高达全球电力的2％，这一数字在10年内有望攀升到8％。为逆转这种趋势，科学家们正考虑以全新的方式简化数据中心的微处理器。日本研究人员将这一想法发挥到了极致，创建了一种电阻为零的超导微处理器。

基于AQFP的MANA微处理器。
图片来源：IEEE频谱网站

《IEEE固态电路》杂志报道，这种超导微处理器可为更高能效的计算能力提供潜在的解决方案，但新设计目前需要低于10开尔文（或—263℃）的超冷温度。研究人员创建的这种绝热超导微处理器，从原理上讲，在计算过程中不会从系统中获得或损失能量。

这个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由几个快速作用的约瑟夫森结开关组成，这些结开关只需很少的能量即可支持超导体电子设备。MANA微处理器总共由2万多个约瑟夫森结（或1万多个AQFP）组成。

研究人员解释说，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吉赫兹的运行频率相比，这个数字要低得多。但这并不意味着MANA达到了10GHz的速度。实验显示，MANA的数据处理部分可在高达2.5GHz的时钟频率下运行，这使其与当今的计算技术相当。

这种铌基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的能源成本。不过，即使将冷却成本计算在内，与最先进的半导体电子设备（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低温，因此它更适合于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。