玄幻小说改编的电视剧,完美世界 http://jinxw.cn Mon, 30 Oct 2023 07:52:53 +0000 zh-Hans hourly 1 https://wordpress.org/?v=6.7.1 電阻為零的超導(dǎo)微處理器問(wèn)世 需保持-263℃以下超低溫 http://jinxw.cn/2023/10/30/%e7%94%b5%e9%98%bb%e4%b8%ba%e9%9b%b6%e7%9a%84%e8%b6%85%e5%af%bc%e5%be%ae%e5%a4%84%e7%90%86%e5%99%a8%e9%97%ae%e4%b8%96-%e9%9c%80%e4%bf%9d%e6%8c%81-263%e2%84%83%e4%bb%a5%e4%b8%8b%e8%b6%85%e4%bd%8e/ http://jinxw.cn/2023/10/30/%e7%94%b5%e9%98%bb%e4%b8%ba%e9%9b%b6%e7%9a%84%e8%b6%85%e5%af%bc%e5%be%ae%e5%a4%84%e7%90%86%e5%99%a8%e9%97%ae%e4%b8%96-%e9%9c%80%e4%bf%9d%e6%8c%81-263%e2%84%83%e4%bb%a5%e4%b8%8b%e8%b6%85%e4%bd%8e/#respond Mon, 30 Oct 2023 07:52:53 +0000 http://demo1.htjiankang.cn/?p=59 時(shí)至今日，計(jì)算機(jī)使用了驚人的能量。根據(jù)最近的一項(xiàng)估計(jì)，單是數(shù)據(jù)中心就消耗了全球2%的電力，到本世紀(jì)末，這一數(shù)字預(yù)計(jì)將攀升至8%。不過(guò)，為了扭轉(zhuǎn)這一趨勢(shì)，或許處于計(jì)算機(jī)世界中心的微處理器，可以以全新的方式進(jìn)行流線型設(shè)計(jì)。

日本的一組研究人員將這一想法發(fā)揮到了極致，他們發(fā)明了一種超導(dǎo)微處理器MANA——它是一種電阻為零的微處理器，也是世界上第一個(gè)絕熱超導(dǎo)體微處理器。上個(gè)月發(fā)表在IEEE《固體電路》（Solid-State Circuits）雜志上的一項(xiàng)研究描述了這種新型設(shè)備，這是同類設(shè)備中的第一個(gè)。

導(dǎo)體微處理器為提高計(jì)算效率提供了一種潛在的解決方案，但事實(shí)上，目前這些設(shè)計(jì)需要10開(kāi)爾文(或-263攝氏度)以下的超冷溫度。日本的研究小組試圖創(chuàng)造一種絕熱的超導(dǎo)體微處理器，這意味著，原則上，在計(jì)算過(guò)程中，能量不會(huì)從系統(tǒng)中獲得或損失。

它由超導(dǎo)鈮組成，并依賴于被稱為絕熱量子通量參數(shù)器(AQFPs)的硬件組件。每個(gè)AQFP由幾個(gè)快速作用的約瑟夫森結(jié)開(kāi)關(guān)組成，這些開(kāi)關(guān)只需要很少的能量就可以支持超導(dǎo)體電子。MANA微處理器總共由2萬(wàn)多個(gè)約瑟夫森結(jié)（或1萬(wàn)多個(gè)AQFP）組成。

克里斯托弗·阿亞拉(Christopher Ayala)是日本橫濱國(guó)立大學(xué)高級(jí)科學(xué)研究所的副教授，他幫助開(kāi)發(fā)了這種新型微處理器。他解釋說(shuō):“用于制造微處理器的AQFPs經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，可以絕熱運(yùn)行，這樣在時(shí)鐘頻率相對(duì)較低(約10ghz)的情況下，從電源中提取的能量可以被恢復(fù)?！薄芭c傳統(tǒng)超導(dǎo)體電子器件中數(shù)百千赫茲的頻率相比，這個(gè)頻率要低得多。”

然而，這并不意味著他們的新一代設(shè)備達(dá)到了10ghz的速度。在一份新聞聲明中，Ayala補(bǔ)充道:“我們還在一個(gè)單獨(dú)的芯片上展示了微處理器的數(shù)據(jù)處理部分可以工作在2.5 GHz的時(shí)鐘頻率上，這與當(dāng)今的計(jì)算技術(shù)相當(dāng)。我們甚至預(yù)計(jì)，隨著我們對(duì)設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，這一頻率將增加到5- 10ghz。”

由于MANA微處理器需要液態(tài)氦水平的溫度，它更適合于數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)等大型計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，在這些地方可以使用低溫冷卻系統(tǒng)

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圖片來(lái)源：東京大學(xué)）

為了開(kāi)發(fā)自旋電子器件，需要設(shè)計(jì)新材料，以利用生活中尚未發(fā)現(xiàn)的量子行為。你可能很熟悉導(dǎo)體和絕緣體，它們分別傳導(dǎo)或限制電子流動(dòng)。半導(dǎo)體也很常見(jiàn)，它們通常是絕緣的，但在某些情況下會(huì)導(dǎo)電，由此成為理想的微型開(kāi)關(guān)。

在自旋電子學(xué)應(yīng)用中，需要使用一種名為拓?fù)浣^緣體的新型電子材料。與其他三種材料不同，這種材料整體絕緣，只沿表面導(dǎo)電。它并不傳導(dǎo)電子流，而是電子的自旋或角動(dòng)量。眾所周知，這種自旋電流可能成為打開(kāi)新世界的鑰匙，用于制造超高速和低功耗設(shè)備。

然而，拓?fù)浣^緣體的性能并不是完全一致，比如強(qiáng)弱之分，當(dāng)然也存在一些缺點(diǎn)。比如，在沿著整個(gè)表面?zhèn)鲗?dǎo)自旋時(shí)，參與電子往往會(huì)發(fā)生散射，從而削弱其傳遞自旋電流的能力。最近，東京大學(xué)固態(tài)物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)首次研制出一種高階拓?fù)浣^緣體。這是第三種拓?fù)浣^緣體，自2017年已出現(xiàn)相關(guān)理論。Takeshi Kondo教授表示：“我們用鉍元素制造了一種高階拓?fù)浣^緣體，可以只沿著拐角邊緣傳導(dǎo)自旋電流，基本呈一維線。由于自旋電流是一維的，而非二維，所以電子不會(huì)散射，使其保持穩(wěn)定。

為了開(kāi)發(fā)這種三維晶體，Kondo及其團(tuán)隊(duì)以某種方式將單原子厚度二維晶體片堆疊在一起。無(wú)論強(qiáng)或弱拓?fù)浣^緣體，堆疊晶片均沿相同方向排列。然而，為了構(gòu)建高階拓?fù)浣^緣體，晶片的方向交替出現(xiàn)，如同正反面相對(duì)的撲克牌。這種微妙的排列變化，使所開(kāi)發(fā)出的三維晶體發(fā)生巨大變化。

堆疊晶片通過(guò)名為范德華力（van der Waals force）的量子力聚在一起。這是罕見(jiàn)的量子現(xiàn)象之一，在晶體中將各層粘合在一起。在一定程度上，可以解釋粉末材料為何聚集在一起，并以其方式流動(dòng)。Kondo表示：“拓?fù)湫再|(zhì)的出現(xiàn)和消失，僅僅取決于二維原子片的堆疊方式，這一點(diǎn)發(fā)現(xiàn)讓人感到興奮。這讓材料設(shè)計(jì)更加自由，將帶來(lái)新的想法，如快速高效的自旋電子器件等應(yīng)用。”

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這個(gè)新的微處理器原型稱為MANA（單絕熱集成體系結(jié)構(gòu)），是世界上第一個(gè)絕熱超導(dǎo)體微處理器。它由超導(dǎo)鈮組成，并依賴于稱為絕熱量子通量參量電子（AQFP）的硬件組件。每個(gè)AQFP由幾個(gè)快速作用的約瑟夫森結(jié)開(kāi)關(guān)組成，這些結(jié)開(kāi)關(guān)只需很少的能量即可支持超導(dǎo)體電子設(shè)備。MANA微處理器總共由2萬(wàn)多個(gè)約瑟夫森結(jié)（或1萬(wàn)多個(gè)AQFP）組成。

研究人員解釋說(shuō)，用于構(gòu)建微處理器的AQFP已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以絕熱運(yùn)行，從而可在相對(duì)低的時(shí)鐘頻率（高達(dá)10GHz左右）下恢復(fù)從電源中汲取的能量。與傳統(tǒng)超導(dǎo)電子產(chǎn)品數(shù)百吉赫茲的運(yùn)行頻率相比，這個(gè)數(shù)字要低得多。但這并不意味著MANA達(dá)到了10GHz的速度。實(shí)驗(yàn)顯示，MANA的數(shù)據(jù)處理部分可在高達(dá)2.5GHz的時(shí)鐘頻率下運(yùn)行，這使其與當(dāng)今的計(jì)算技術(shù)相當(dāng)。

這種鈮基微處理器的入門(mén)價(jià)格取決于低溫和將系統(tǒng)冷卻至超導(dǎo)溫度的能源成本。不過(guò)，即使將冷卻成本計(jì)算在內(nèi)，與最先進(jìn)的半導(dǎo)體電子設(shè)備（如7納米鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）相比，AQFP的能源效率仍然高出約80倍。由于MANA微處理器需要液氦水平的低溫，因此它更適合于使用低溫冷卻系統(tǒng)的大規(guī)模計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)，例如數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)。

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