Prototypowy adiabatyczny mikroprocesor nadprzewodnikowy zużywa minimalne ilości energii

Naukowcy z Uniwersytetu Narodowego w Jokohamie zbudowali prototypowy adiabatyczny mikroprocesor nadprzewodnikowy, który może poszczycić się bardzo niskim zużyciem energii. Podawana jest wartość niższa o kilkadziesiąt razy od tej, którą potrzebują urządzenia półprzewodnikowe w obecnie stosowanych układach.

Zapotrzebowanie na moc obliczeniową

Moc obliczeniowa to coś, czego w obecnych czasach nigdy nie jest za dużo. Potrzebuje jej niemal każdy, kto korzysta z nowych technologii. Każde urządzenie elektroniczne ma jakiś mikroprocesor lub jego namiastkę. Potężniejsze maszyny są w stanie dokonywać obliczeń, na które niedawno nie mogły sobie pozwolić najpotężniejsze komputery domowe. Aplikacje na naszych smartfonach obliczeń potrzebnych do ich działania dokonują dzięki superkomputerom lub układom chmurowym. Zwracają one wyniki do aplikacji przez internet.

Wraz ze wzrostem znaczenia systemów obliczeniowych, większość krajów i korporacji dąży do uzyskania przewagi dotyczącej mocy stosowanych komputerów. Wiele z tych superkomputerów wykorzystywanych jest w sposób przynoszący korzyści wszystkim. Spora część używana jest też w mniej etyczny sposób.

Dzięki mocnym komputerom możliwe jest nie tylko tworzenie nowych leków, lepsze przewidywanie pogody, czy sprawdzanie różnorakich teorii dotyczących matematyki, fizyki lub chemii. Niektórzy używają mocy obliczeniowej do łamania haseł, tworzenia nowych broni, czy wspierania modyfikacji genetycznych, które nie zawsze przynoszą dobre rezultaty.

Jednym z najnowszych osiągnięć w dziedzinie osiągania wielkich mocy obliczeniowych są komputery kwantowe. W specyficznych zastosowaniach okazują się o rzędy wielkości szybsze od klasycznych maszyn, które znaliśmy do niedawna. Procesory kwantowe budowane są już nie tylko przez najbogatsze i dysponujące najnowszą technologią firmy. Prace nad ich realnym wykorzystaniem potrwają jeszcze przez najbliższe lata.

Naukowcy z Uniwersytetu Narodowego w Jokohamie zbudowali prototypowy energooszczędny adiabatyczny mikroprocesor nadprzewodnikowy.

Chłodzenie układów obliczeniowych

Wszystkie urządzenia elektryczne zużywają prąd. Jedne więcej, a inne mniej. Komputery do działania potrzebują jej zazwyczaj dość sporo, bo każdy podzespół wymaga zasilania. Procesory CPU i GPU zużywają jej najwięcej, co widać często po dodatkowych liniach zasilania i potężnych systemach chłodzenia.

Zwykłe procesory mogą działać znacznie szybciej, niż w klasycznych komputerach, ale wymagają do tego specyficznych warunków. Wykorzystywane są między innymi przez tak zwanych overclockerów, którzy prześcigają się w podkręcaniu podzespołów tak, aby działały często nawet dwukrotnie szybciej niż w tradycyjnych warunkach. Uzyskują to, używając specjalnie przerobionych płyt głównych i potężnych zasilaczy, oferujących znacznie większą moc. Układy pracując wydzielają potężne ilości ciepła, które rozpraszane zwykle jest radiatorami i wentylatorami, ale overclockerzy stosują systemy wykorzystujące często ciekły azot. Skroplony gaz ma temperaturę około -200 stopni Celsjusza. Wrze on już w temperaturze około -196°C, a zamienia się w ciało stałe przy -210°C.

Chłodzenie prewodników do tak niskich temperatur może sprawić, że staną się one nadprzewodnikami, czyli ich opór elektryczny spadnie do zera.

Obniżanie zużycia energii elektrycznej

Zużycie energii elektrycznej przez obecnie stosowane układy jest obniżane na najróżniejsze sposoby. Skracane są odległości pomiędzy układami, a także stosowane są doskonalsze procesy pozwalające na budowanie mniejszych transformatorów. Wynajdywane są nowe stopy metali zapewniające lepsze przewodnictwo elektryczne i niższe straty energii na wydzielanie ciepła. Nowoczesne procesory, takie jak stosowane w komputerach, konsolach czy smartfonach, mają coraz lepsze współczynniki szybkości na Wat zużytej do pracy energii. Niemniej nadal poszukiwane są nowe drogi i rozwiązania.

„Infrastruktura komunikacji cyfrowej obsługująca erę informacyjną, w której żyjemy obecnie, zużywa obecnie około 10 proc. światowej energii elektrycznej. Badania sugerują, że w najgorszym przypadku, jeśli nie nastąpi fundamentalna zmiana w podstawowej technologii naszej infrastruktury komunikacyjnej, takiej jak sprzęt komputerowy w dużych centrach danych lub elektronika, która napędza sieci komunikacyjne, zużycie energii elektrycznej może wzrosnąć do 50 proc. światowej energii elektrycznej do 2030 r. ” – mówił Christopher Ayala, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Narodowym w Jokohamie i główny autor badań nad nowymi mikroprocesorami.

Badania zespołu naukowców z Uniwersytetu Narodowego w Jokohamie dotyczyły stworzenia mikroprocesora, który zużywałby do pracy minimalne ilości energii. W swojej pracy postanowili sięgnąć po nadprzewodniki, dzięki którym wewnętrzny opór układu elektronicznego byłby znikomy. To pozwoliłoby zminimalizować ilość wydzielanego ciepła, co przełożyłoby się na lepsze spożytkowanie dostarczonej energii.

Adiabatyczny mikroprocesor nadprzewodnikowy

W wyniku poczynionych prac zbadano wykorzystanie układu nazwanego adiabatic quantum-flux-parametron (AQFP) do budowy mikroprocesorów. Opisano to w tekście dostępnym na IEEE Explore.

„W tym artykule chcieliśmy udowodnić, że AQFP jest zdolny do praktycznego, energooszczędnego, szybkiego przetwarzania i zrobiliśmy to, opracowując i pomyślnie demonstrując prototypowy 4-bitowy mikroprocesor AQFP o nazwie MANA (Monolityczna Adiabatyczna Architektura Integracyjna), pierwszy na świecie mikroprocesor z nadprzewodnikiem adiabatycznym. Demonstracja naszego prototypowego mikroprocesora pokazuje, że AQFP jest w stanie obsłużyć wszystkie aspekty obliczeń, a mianowicie: przetwarzanie i przechowywanie danych. Pokazujemy również na oddzielnym układzie, że część mikroprocesora przetwarzająca dane może działać z częstotliwością zegara do 2,5 GHz, co dorównuje dzisiejszym technologiom komputerowym. Spodziewamy się nawet, że wzrośnie to do 5–10 GHz w miarę ulepszania naszej metodologii projektowania i konfiguracji eksperymentalnej.” – powiedział Ayala.

Specyficzne warunki pracy AQFP

Warto wziąć pod uwagę fakt, że takie układy wymagają do pracy specyficznych warunków, zbliżonych do tych, które mają miejsce przy oveclockingu. Chodzi i zapewnienie możliwości schłodzenia całego układu do temperatury około -269°C, pozwalającej osiągnąć nadprzewodnictwo i utrzymania stabilności tego środowiska przez cały czas pracy układu.

Takie warunki można osiągnąć, stosując różnorakie metody, ale wszystkie wymagają dostarczenia urządzeniom odpowiedniej ilości… energii. Naukowcy twierdzą jednak, że zastosowanie ich mikroprocesora oraz zapewnienie mu warunków do pracy jest i tak około 80 razy bardziej energooszczędne w porównaniu z obecnie stosowanymi mikroprocesorami.

Dalsze prace zespołu mają na celu optymalizację całości tak, aby można było wykorzystać adiabatyczny mikroprocesor nadprzewodnikowy w większej skali, czyli zmultiplikować go w jednym układzie. Może to być jeden z przełomów w dziedzinie tworzenia nowoczesnych, ultrawydajnych i niskoenergetycznych procesorów komputerowych.

Źródło: IEEE Explore