全球首款絕熱超導微晶片來了！
12月30日，日本橫濱國立大學的研究人員開發出了一種應用超導體器件的微晶片原型機 「MANA」。
據了解，這項技術名為「絕熱量子通量參變器」（adiabatic quantum－flux－parametron，即 「AQFP」），用其組裝的微晶片能在維持高性能的同時實現超低能耗，適用於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有望大幅降低。
在論文中，研究團隊詳細介紹了這款超導晶片的研發過程及演示。據悉，從原型機的演示來看，AQFP 兼具數據處理和數據存儲功能。通過在另一款晶片上運行時，微晶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。隨著研發人員在設計方法、實驗設置方面的改進，這個數字有望提高到 5－10 GHz。
通常超導體需要在極低溫的環境下才能正常運行。因此有人質疑如果將冷卻超導晶片的成本考慮在內，其總體能耗將大幅上升，甚至超過現有晶片產品。對此研發團隊表示：「AQFP 是一種超導體電子設備，只有將晶片溫度降至 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晶片中頂級半導體器件的 80 倍。」
該項研究成果已發布在《IEEE 固態電路學報》上。據了解，在證明了超導晶片架構的概念之後，該團隊希望能進一步探索 AQFP 的計算應用場景，如用作人工智慧的神經形態計算硬體，或用在量子計算方面。
研究團隊表示：「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。此外，我們也在努力改善設計方案，力求在單個晶片中集成儘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。」
何謂超導微晶片？
要了解所謂的超導微晶片就要了超導體，超導體（superconductor）其實就是超導材料，是指在某一溫度下，電阻為零的導體。
超導體不僅具有零電阻的特性，另一個重要特徵是完全抗磁性。超導體已經進行了一系列試驗性應用，並且開展了一定的軍事、商業應用，在通信領域可以作為光子晶體的缺陷材料。
超導體具備三大特性：
1、完全導電性
完全導電性又稱零電阻效應，指溫度降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現象。完全導電性適用於直流電，超導體在處於交變電流或交變磁場的情況下，會出現交流損耗，且頻率越高，損耗越大。
2、完全抗磁性
完全抗磁性又稱邁斯納效應，「抗磁性」指在磁場強度低於臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導體，超導體內部磁場為零的現象，「完全」指降低溫度達到超導態、施加磁場兩項操作的順序可以顛倒。
3、通量量子化
通量量子化又稱約瑟夫森效應，指當兩層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產生隧道電流的現象，即在超導體（superconductor）—絕緣體（insulator）—超導體（superconductor）結構可以產生超導電流。
而超導晶片也被人稱為繼電子管、電晶體之後的第三代電子器件。美國的法裡斯在1987年研製出一種示波器，這是第一臺採用超導器件的儀器。如果將超導晶片應用於計算機，運算速度可提高1 000倍。
超導技術是物理學的一項重大成就。它為人類展現出一個應用廣泛、潛力巨大的新的技術領域。超導技術的日益成熟及其廣泛運用，將使21世紀更加異彩紛呈。雖然「MANA」作為首款絕熱超導晶片，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，對於未來超高計算應用設備具有極大的性能改善左右。