În prezent, computerele folosesc o cantitate foarte mare de energie. Potrivit unei estimări recente, doar centrele de date consumă 2% din energia electrică a lumii, cifră care se așteaptă să urce la 8% până la sfârșitul acestui deceniu. Pentru aplatizarea acestei tendințe, microprocesorul, componenta principală a computerului, ar putea fi eficientizat în moduri complet noi.
Un grup de cercetători din Japonia a dus această idee la limită, creând un microprocesor supraconductor, adică unul ce prezintă rezistență electrică zero. Noul dispozitiv, primul de acest fel, este descris într-un studiu publicat în luna decembrie 2020, în cadrul IEEE Journal of Solid-State Circuits.
Microprocesoarele supraconductoare ar putea oferi o potențială soluție în ceea ce privește eficientizarea consumului de energie. Totuși, în prezent, aceste dispozitive necesită funcționarea la temperaturi de sub 10 Kelvin (sau -263 grade Celsius). Grupul de cercetare din Japonia a încercat dezvoltarea unui microprocesor supraconductor adiabatic. Acest lucru se traduce prin faptul că, în principiu, în timpul procesului de calcul, energia rămâne constantă.
(c) Christopher Ayala
În prezent, există mai multe tipuri de microprocesoare semiconductoare adiabatice. Totuși, noul prototip de microprocesor, numit MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture), este primul microprocesor supraconductor adiabatic din lume. Acesta este fabricat din niobiu supraconductor și se bazează pe componente hardware numite parametri de flux cuantic adiabatic (AQFP). Fiecare AQFP este compus dintr-o serie de comutatoare de joncțiune Josephson cu acțiune rapidă, care necesită foarte puțină energie pentru a susține electronica supraconductorilor. Microprocesorul MANA este format din peste 20.000 de joncțiuni Josephson (sau mai mult de 10.000 AQFP).
Christopher Ayala, profesor în cadrul Institutului de Științe Avansate din Universitatea Națională Yokohama, din Japonia, a ajutat la dezvoltarea noului microprocesor. „AQFP-urile utilizate pentru construirea microprocesorului au fost optimizate pentru a funcționa adiabatic, astfel încât energia extrasă din sursa de alimentare să poată fi recuperată la frecvențe relativ scăzute de până la aproximativ 10 GHz. Această valoare este una mică în comparație cu sutele de GHz întâlnite, în mod uzual, în cadrul electronicii convenționale a supraconductorilor”, a declarat acesta.
Cu toate acestea, pentru moment, dispozitivul grupului nu poate atinge frecvențe de 10 GHz. „În cadrul unor teste, am arătat faptul că partea de procesare a datelor poate ajunge la frecvențe de până la 2,5 GHz, aceasta fiind una similară cu cea dezvoltată de tehnologiile actuale de calcul. Pe măsură ce îmbunătățim metodologia noastră de proiectare și configurația experimentală, ne așteptăm ca frecvența de lucru să crească la 5-10 GHz”, a declarat Ayala, în cadrul unui comunicat de presă.
În ceea ce privește costul de funcționare al microprocesorul pe bază de niobiu, acesta este unul ridicat din cauza criogenizării și a energiei consumate pentru răcirea sistemului, până la temperaturi supraconductoare.
„Totuși, chiar și atunci când ținem cont de aceste costuri, AQFP este, încă, de aproximativ 80 de ori mai eficient, din punct de vedere energetic, decât dispozitivele electronice semiconductoare de ultimă generație, precum FinFET”, a declarat Ayala.
Întrucât microprocesorul MANA necesită temperaturi de funcționare similare cu cele ale heliului lichid, acesta ar putea fi implementat în cadrul infrastructurilor de calcul pe scară largă, precum centre de date și supercomputere, unde ar putea fi utilizate sisteme de răcire criogenice.
„Majoritatea acestor obstacole reprezintă domenii de cercetare pe care le-am investigat intens și în cadrul cărora avem, deja, direcții de dezvoltare promițătoare”, a declarat Ayala.
