日本橫濱國立大學的研究人員最近使用超導體開發出了一種微處理器，其能效比比當今最高性能的計算系統中的微處理器中最先進的半導體設備高80倍。
隨著當今技術越來越融入我們的日常生活中，對更多計算能力的需求日益增長。由於這種增加，這種增加的計算能力所消耗的能量正在急劇增加。例如，現代數據中心使用了太多的能量，而有些數據中心則建在河流附近，因此流動的水可以用來冷卻機器。
“支持我們今天生活的信息時代的數字通信基礎設施目前消耗了全球約10％的電力。研究表明，在最壞的情況下，如果我們的通信基礎設施的基礎技術沒有根本變化，例如大型數據中心的計算硬件或驅動通信網絡的電子設備，到2030年，其用電量可能會上升到全球用電量的50％以上。”橫濱國立大學副教授Christopher Ayala說。
該小組的研究發表在《期刊：IEEE固態電路期刊》上，詳細介紹了使用超導體開發出更高能效的微處理器體系結構的努力，超導體效率極高，但需要某些環境條件才能運行。
為了解決這個電源問題，研究小組探索了一種極節能的超導體數字電子結構，即絕熱量子通量參量電子（adiabatic quantum-flux-parametron：AQFP），作為超低功耗，高性能微處理器的基礎，以及用於下一代數據中心和通信網絡的其他計算硬件。
“在這個設計中，我們想證明AQFP能夠進行實用的節能高速計算，而我們通過開發併成功演示了4位AQFP微處理器MANA（Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture)，世界上第一個絕熱超導體微處理器。”
“我們的微處理器的演示表明，AQFP能夠進行所有方面的計算，即：數據處理和數據存儲。我們還在單獨的芯片上顯示出，微處理器的數據處理部分可以在最高時鐘頻率下運行。2.5 GHz使它與當今的計算技術相提並論。隨著我們在設計方法和實驗裝置方面的改進，我們甚至期望將其頻率提高到5-10 GHz。”
但是，超導體需要極低的溫度才能成功運行。有人會認為，如果將超導體微處理器所需的冷卻因素考慮在內，那麼對能量的需求將變得不受歡迎，並且將超過當今的微處理器。但是，據研究小組稱，事實並非如此：
“ AQFP是一種超導體電子設備，這意味著我們需要額外的功率才能將芯片從室溫冷卻到4.2開爾文，以使AQFP進入超導狀態。但是即使考慮到這種冷卻開銷，AQFP與當今可用的高性能計算機芯片中最先進的半導體電子設備相比，其能源效率仍高出約80倍。”
既然團隊已經證明瞭這種超導芯片架構的概念，他們計劃對芯片進行優化，並確定芯片的可擴展性和後期優化速度。
Ayala說：“我們現在正在努力改進技術，包括開發更緊湊的AQFP設備，提高運行速度，並通過可逆計算進一步提高能效。” “我們還在擴展我們的設計方法，以使我們可以在單個芯片中儘可能多地安裝器件，並在高時鐘頻率下可靠地運行所有器件。”
除了構建標準微處理器之外，該團隊還對研究AQFP如何在其他計算應用程序（例如為人工智能的神經形態計算硬件以及量子計算應用程序中提供幫助）。
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