全球首款絕熱超導微芯片“MANA”：80倍能效、性能不掉價

超導體需要在極低溫的環境下才能正常運行。然而即便算上降溫能耗，其能效仍然能達到當今高性能計算芯片中頂級半導體器件的80倍。

這項新發明名為“絕熱量子通量參變器”（adiabatic quantum-flux-parametron，即“AQFP”），用其組裝的微芯片能在維持高性能的同時實現超低能耗，適用于下一代數據中心和通訊網絡。

使用這項技術，數據運算的能源消耗在未來可能將大幅降低。這項研究成果發布在《IEEE固態電路學報》上。

例如，由于能耗太大，一些數據中心直接選址在河邊，利用流動的河水來給機器降溫。

“身處信息時代，數字通信基礎設施至關重要，其能耗幾乎占到全球電力的10％。研究表明，如果不從根本上改變通信基礎技術，如改善大型數據中心的計算硬件或通信網絡的電子驅動設備，截止到2030年，數字通信基礎設施的能耗最多將占全球用電量的50％以上。”該研究的一作、日本橫濱國立大學副教授Christopher Ayala強調了改善通信基礎技術的重要性。

在論文中，研究團隊詳細介紹了研發這款超導芯片的過程，還證明了它的高性能表現。

Ayala說道：“在這篇論文中，我們研發并成功演示了4位AQFP微芯片的原型機，名為“MANA（Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture，單絕熱集成架構）”——全球第一款絕熱超導體微芯片，證明了AQFP有能力完成節能高速計算任務。”

“從原型機的演示來看，AQFP兼具數據處理和數據存儲功能。通過在另一款芯片上運行，我們證明了，微芯片數據處理部分的時鐘頻率最高可達2.5 GHz，已經達到了行業水平。隨著我們在設計方法、實驗設置方面的改進，這個數字有望提高到5-10 GHz。”

然而，超導體需要在極低溫的環境下才能正常運行。有人質疑，如果將冷卻超導芯片的成本考慮在內，其總體能耗將大幅上升，甚至超過現有芯片產品。

然而，研究小組表示事實并非如此：“AQFP是一種超導體電子設備，只有將芯片溫度降至4.2K（即-268.95℃），AQFP才能進入超導狀態。然而，即便算上降溫的能耗，AQFP的能效仍然是當今高性能計算芯片中頂級半導體器件的80倍。”

“我們正努力改進技術，例如開發更緊湊的AQFP設備，提高運行速度，以及通過可逆計算進一步提高能效。”Ayala談及未來發展計劃時這樣說道， “此外，我們也在努力改善設計方案，力求在單個芯片中集成盡可能多的超導體器件，確保所有器件都能在高時鐘頻率下穩定運行。”

除構建標準微芯片外，該團隊希望能進一步探索AQFP的計算應用場景，如用作人工智能的神經形態計算硬件，或用在量子計算方面。

之后的60多年里，半導體技術飛速發展，市場規模不斷擴張，而超導計算領域始終缺乏大的突破。

日本橫濱國立大學研發的這款“MANA”是世上首款絕熱超導芯片，盡管還停留在原型機的層面，但是它創造性地提出了一套可行的解決方案，有望在未來降低高性能計算的超高能耗，從而得到更廣泛的應用。