Микропроцессор на сверхпроводниках станет энергоэффективнее.

Исследователи из Национального университета Иокогамы в Японии разработали прототип микропроцессора с использованием сверхпроводников, которые примерно в 80 раз более энергоэффективны, чем современные полупроводниковые устройства, используемые в микропроцессорах современных высокопроизводительных вычислительных систем.

По мере того, как современные технологии вливаются в нашу повседневную жизнь, потребность в больших вычислительных мощностях возрастает. Из-за этого, что закономерно, возрастает потребление энергии. Например, современными центрами обработки данных используется настолько огромное количество энергии, что некоторые из них строятся рядом с реками, чтобы проточная вода могла использоваться для охлаждения оборудования.

«Цифровая коммуникационная инфраструктура, поддерживающая информационную эпоху, в которой мы живем сегодня, в настоящее время потребляет около 10% мировой электроэнергии. Исследования показывают, что в худшем случае — если не произойдет фундаментальных изменений в базовых технологиях нашей коммуникационной инфраструктуры, таких как вычислительное оборудование в крупных центрах обработки данных или электроника, управляющая сетями связи — то к 2030 году ее потребление электроэнергии может превысить 50% мирового», — говорит Кристофер Айала, доцент Иокогамского национального университета и ведущий автор исследования.

Исследования команды опубликованы в журнале: IEEE Journal of Solid-State Circuits. Статья подробно рассказывает об усилиях по разработке более энергоэффективной архитектуры микропроцессоров с использованием сверхпроводников — устройств, которые невероятно эффективны, но для работы которых требуются определенные условия окружающей среды.

Для решения этой энергетической проблемы команда исследовала использование чрезвычайно энергоэффективной сверхпроводниковой цифровой электронной структуры, называемой адиабатическим квантово-флюкс-параметрометром (AQFP). Он был применен в качестве строительного блока для сверхнизкомощных высокопроизводительных микропроцессоров и другого вычислительного оборудования.

«В этой статье мы хотели доказать, что AQFP способен к практическому применению энергоэффективных высокоскоростных вычислений. И мы сделали это, разработав и успешно продемонстрировав прототип 4-битного микропроцессора AQFP, названного MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture), первого в мире адиабатического сверхпроводникового микропроцессора», — рассказал Айала.

«Наш прототип микропроцессора показал, что AQFP способен выполнять все аспекты вычислений, а именно: обработку и хранение данных». Мы также показалина отдельном чипе, что часть микропроцессора, занимающаяся обработкой данных, может работать с тактовой частотой до 2,5 ГГц, что ставит ее в один ряд с современными вычислительными технологиями. Ожидается, что эта частота увеличится до 5-10 ГГц по мере того, как мы будем совершенствовать нашу методику проектирования и экспериментальную установку», — поделился ожиданиями автор исследования.

Однако для успешной работы сверхпроводников требуются чрезвычайно низкие температуры. Таким образом, вполне ожидаемо, что, если учесть охлаждение, необходимое для суперпроводникового микропроцессора, расход энергии может и превзойти сегодняшние микропроцессоры. У исследовательской группы на этот счет имеется иное мнение:

«AQFP — это сверхпроводниковое электронное устройство. Это означает, что нам нужна дополнительная энергия для охлаждения наших чипов от комнатной температуры до 4,2 Кельвина, чтобы AQFP перешел в сверхпроводящее состояние. Но даже с учетом дополнительных расходов на охлаждение, AQFP все еще примерно в 80 раз более энергоэффективны по сравнению с современными полупроводниковыми электронными устройствами, которые используются в доступных сегодня высокопроизводительных компьютерных чипах».

Теперь, когда команда доказала концепцию архитектуры этого сверхпроводникового чипа, они планируют оптимизировать чип и определить масштабируемость чипа и скорость после оптимизации.

В дополнение к созданию стандартных микропроцессоров, команда также заинтересована в изучении того, как AQFP могут помочь в других вычислительных приложениях, таких как нейроморфное вычислительное оборудование для искусственного интеллекта, а также в приложениях квантовых вычислений.

Предчувствуете новый виток технологического прогресса? Мы двигаемся по лестнице технологического развития день за днем. Домен .digital способен четко показать, на какой ступени вы стоите в мире технологий.