Microprocesseur extrêmement économe en énergie développé à l’aide de supraconducteurs

Des chercheurs de l’Université nationale de Yokohama au Japon ont développé un prototype de microprocesseur utilisant des dispositifs supraconducteurs qui sont environ 80 fois plus écoénergétiques que les dispositifs à semi-conducteurs de pointe que l’on trouve dans les microprocesseurs des systèmes informatiques haute performance d’aujourd’hui.

Alors que les technologies d’aujourd’hui s’intègrent de plus en plus dans notre vie quotidienne, le besoin de plus de puissance de calcul ne cesse de croître. En raison de cette augmentation, la consommation d’énergie de cette puissance de calcul croissante augmente énormément. Par exemple, les centres de données modernes utilisent tellement d’énergie que certains sont construits près des rivières afin que l’eau courante puisse être utilisée pour refroidir les machines.

<< L'infrastructure de communication numérique qui soutient l'ère de l'information dans laquelle nous vivons aujourd'hui utilise actuellement environ 10% de l'électricité mondiale. Des études suggèrent que dans le pire des cas, s'il n'y a pas de changement fondamental dans la technologie sous-jacente de notre infrastructure de communication, comme le matériel informatique dans les grands centres de données ou l'électronique qui alimente les réseaux de communication, nous pourrions voir sa consommation d'électricité augmenter à plus de 50% de l'électricité mondiale d'ici 2030 », déclare Christopher Ayala, professeur associé à l'Université nationale de Yokohama et auteur principal de l’étude.

Les recherches de l’équipe, publiées dans Journal: IEEE Journal of Solid-State Circuits, détaille un effort pour développer une architecture de microprocesseur plus économe en énergie utilisant des supraconducteurs, des dispositifs qui sont incroyablement efficaces, mais qui nécessitent certaines conditions environnementales pour fonctionner.

Pour s’attaquer à ce problème d’alimentation, l’équipe a exploré l’utilisation d’une structure électronique numérique supraconductrice extrêmement économe en énergie, appelée paramètre adiabatique de flux quantique (AQFP), comme élément constitutif de microprocesseurs ultra-basse puissance et hautes performances, et autre matériel informatique pour la prochaine génération de centres de données et de réseaux de communication.

«Dans cet article, nous voulions prouver que l’AQFP est capable de calcul pratique à grande vitesse économe en énergie, et nous l’avons fait en développant et en démontrant avec succès un prototype de microprocesseur AQFP 4 bits appelé MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture), le premier microprocesseur supraconducteur adiabatique au monde », a déclaré Ayala.

“La démonstration de notre prototype de microprocesseur montre que l’AQFP est capable de tous les aspects de l’informatique, à savoir: le traitement et le stockage de données. Nous montrons également sur une puce séparée que la partie informatique du microprocesseur peut fonctionner jusqu’à une fréquence d’horloge de 2,5 GHz, ce qui est comparable aux technologies informatiques actuelles. Nous nous attendons même à ce que cela augmente à 5-10 GHz à mesure que nous améliorons notre méthodologie de conception et notre configuration expérimentale », a déclaré Ayala.

Cependant, les supraconducteurs nécessitent des températures extrêmement froides pour fonctionner correctement. On pourrait penser que si vous prenez en compte le refroidissement requis pour un microprocesseur supraconducteur, le besoin en énergie deviendrait indésirable et dépasserait les microprocesseurs actuels. Mais selon l’équipe de recherche, ce n’était étonnamment pas le cas:

«L’AQFP est un dispositif électronique supraconducteur, ce qui signifie que nous avons besoin d’une puissance supplémentaire pour refroidir nos puces de la température ambiante à 4,2 Kelvin afin de permettre aux AQFP de passer à l’état supraconducteur. Mais même en tenant compte de cette surcharge de refroidissement, l’AQFP est encore 80 fois plus économe en énergie que les dispositifs électroniques à semi-conducteurs de pointe que l’on trouve dans les puces informatiques hautes performances disponibles aujourd’hui. “

Maintenant que l’équipe a prouvé le concept de cette architecture de puce supraconductrice, elle prévoit d’optimiser la puce et de déterminer l’évolutivité et la vitesse de post-optimisation de la puce.

«Nous travaillons actuellement à l’amélioration de la technologie, y compris le développement de dispositifs AQFP plus compacts, en augmentant la vitesse de fonctionnement et en augmentant encore davantage l’efficacité énergétique grâce au calcul réversible», a déclaré Ayala. «Nous adaptons également notre approche de conception afin que nous puissions intégrer autant d’appareils que possible dans une seule puce et les faire fonctionner tous de manière fiable à des fréquences d’horloge élevées.

En plus de construire des microprocesseurs standard, l’équipe est également intéressée à examiner comment les AQFP pourraient aider dans d’autres applications informatiques telles que le matériel informatique neuromorphique pour l’intelligence artificielle ainsi que les applications d’informatique quantique.

Fourni par l’Université nationale de Yokohama