13 января 2021

Новый экспериментальный сверхпроводящий процессор демонстрирует в 80 раз большую эффективность при тактовой частоте до 10 ГГц

dailytechinfo.org dailytechinfo.org

Исследователи из Национального университета Иокогамы (Япония), закончили разработку и провели первые испытания экспериментального микропроцессора построенного на базе сверхпроводящих базовых элентов. Этот микропроцессор с точки зрения потребляемой энергии в 80 раз более эффективен, чем нынешние вычислительные устройства, изготовленные по CMOS-технологии. В этом заключается огромная перспектива с учетом того, что 10 процентов от количества вырабатываемого на всем земном шаре электричества потребляется именно компьютерами.

Элементарной функциональной единицей схемы сверхпроводящего микропроцессора является нешунтируемый переход Джозефсона (Josephson Junction, JJ), изготовленный из сверхпроводящего материала Nb/AlOL(x)/Nb. Логический базовый блок микропроцессора, построенный на основе JJ-перереходов, называется адиабатным квантовым флюкс-параметроном (adiabatic quantum-flux-parametron, AQFP).

На базе AQFP-блоков построена схема 4-битного процессора, с гибридной архитектурой, сочетающей в себе элементы RISC-архитектуры и принципов поточной обработки информации. Изначально этот микропроцессор, получивший название MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture) и являющийся первым в мире адиабатным сверхпроводящим микропроцессором, работал на тактовой частоте в 100 кГц. В этом режиме исследователи отладили и проверили режимы работы блока логических операции (ALU), системы ввода-вывода, операций записи и чтения регистров, процедуры запуска, приостановки и завершения программ.

После отладки функциональных блоков тактовая частота микропроцессора MANA, функционирующего при температуре 4.2 Кельвина, была поднята сначала до отметки 2.5 ГГц, а чуть позже - до 5 ГГц. И уже на этой тактовой частоте были проведены измерения энергетических затрат, которые оказались равны 1.4 zJ (зета-Джоуля) на один JJ-перереход при выполнении одной любой операции.

Отметим, что "взятые" микропроцессором MANA тактовые частоты уже вполне сопоставимы со значениями тактовых частот, на которых работают традиционные современные микропроцессоры. И исследователи планируют в ближайшем времени немного модифицировать структуру AQFP-блока так, что микропроцессор сможет работать при тактовой частоте в 10 ГГц, сохранив на прежнем уровне показатель своей эффективности.