全球首款绝热超导微芯片来了！

12月30日，日本横滨国立大学的研究人员开发出了一种应用超导体器件的微芯片原型机 “MANA”。

据了解，这项技术名为“绝热量子通量参变器”（adiabatic quantum－flux－parametron，即 “AQFP”），用其组装的微芯片能在维持高性能的同时实现超低能耗，适用于下一代数据中心和通讯网络。使用这项技术，数据运算的能源消耗有望大幅降低。

在论文中，研究团队详细介绍了这款超导芯片的研发过程及演示。据悉，从原型机的演示来看，AQFP 兼具数据处理和数据存储功能。通过在另一款芯片上运行时，微芯片数据处理部分的时钟频率最高可达 2．5 GHz，已经达到了行业水平。随着研发人员在设计方法、实验设置方面的改进，这个数字有望提高到 5－10 GHz。

通常超导体需要在极低温的环境下才能正常运行。因此有人质疑如果将冷却超导芯片的成本考虑在内，其总体能耗将大幅上升，甚至超过现有芯片产品。对此研发团队表示：“AQFP 是一种超导体电子设备，只有将芯片温度降至 4．2K（即 － 268．95℃），AQFP 才能进入超导状态。然而，即便算上降温的能耗，AQFP 的能效仍然是当今高性能计算芯片中顶级半导体器件的 80 倍。”

该项研究成果已发布在《IEEE 固态电路学报》上。据了解，在证明了超导芯片架构的概念之后，该团队希望能进一步探索 AQFP 的计算应用场景，如用作人工智能的神经形态计算硬件，或用在量子计算方面。

研究团队表示：“我们正努力改进技术，例如开发更紧凑的 AQFP 设备，提高运行速度，以及通过可逆计算进一步提高能效。此外，我们也在努力改善设计方案，力求在单个芯片中集成尽可能多的超导体器件，确保所有器件都能在高时钟频率下稳定运行。”

何谓超导微芯片？

要了解所谓的超导微芯片就要了超导体，超导体（superconductor）其实就是超导材料，是指在某一温度下，电阻为零的导体。

超导体不仅具有零电阻的特性，另一个重要特征是完全抗磁性。超导体已经进行了一系列试验性应用，并且开展了一定的军事、商业应用，在通信领域可以作为光子晶体的缺陷材料。

超导体具备三大特性：

1、完全导电性

完全导电性又称零电阻效应，指温度降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象。完全导电性适用于直流电，超导体在处于交变电流或交变磁场的情况下，会出现交流损耗，且频率越高，损耗越大。

2、完全抗磁性

完全抗磁性又称迈斯纳效应，“抗磁性”指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象，“完全”指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。

3、通量量子化

通量量子化又称约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象，即在超导体（superconductor）—绝缘体（insulator）—超导体（superconductor）结构可以产生超导电流。

而超导芯片也被人称为继电子管、晶体管之后的第三代电子器件。美国的法里斯在1987年研制出一种示波器，这是第一台采用超导器件的仪器。如果将超导芯片应用于计算机，运算速度可提高1 000倍。

超导技术是物理学的一项重大成就。它为人类展现出一个应用广泛、潜力巨大的新的技术领域。超导技术的日益成熟及其广泛运用，将使21世纪更加异彩纷呈。虽然“MANA”作为首款绝热超导芯片，还停留在原型机的层面，但是它创造性地提出了一套可行的解决方案，对于未来超高计算应用设备具有极大的性能改善左右。