Skupine japonských vedcov z Jokohamskej národnej univerzity sa podarilo vytvoriť prototyp mikroprocesora, ktorý pri svojom chode spotrebuje až 80-krát menej energie ako tie najmodernejšie procesory využívajúce polovodičové komponenty (tranzistory). Hneď na úvod však treba podotknúť, že nejde o „hocijaký“ prototyp procesoru, ale o prvý adiabatický supravodivý mikroprocesor na svete, o téme informoval napríklad portál TechRadar.

Prevratná štruktúra mikroprocesoru MANA

Ako už zo samotného názvu vyplýva, mikroprocesor využíva makroskopický kvantový jav nazývaný supravodivosť. Supravodivosť je jav, kedy látka nekladie takmer žiadny (nemerateľne malý) odpor prechodu elektrického prúdu. Supravodivé materiály teda umožňujú bezstratový prenos elektrickej energie.

Mikroprocesor MANA. Yokohama National University

Supravodivý stav látok sa vyskytuje len v určitom rozsahu teplôt, ktoré zhora ohraničuje tzv. kritická teplota supravodiča. V prípade, že dokážeme daný materiál schladiť pod túto hodnotu (nie je to materiálová konštanta, závisí to vždy od rôznych činiteľov), začne materiál vykazovať supravodivé vlastnosti.

Supravodivé materiály alebo supravodivé procesory samé o sebe nie sú novinkou. Tento však na rozdiel od iných experimentálnych procesorov využíva extrémne energeticky efektívnu supravodivú elektronickú štruktúru nazývanú AQFP (Adiabatic Quantum-Flux-Parametron). Tá sa sama o sebe zakladá na tzv. Josephsonových kontaktoch (Josephson Junction), ktoré využívajú jav nazývaných Josephsonov efekt. Všetky podrobné informácie o mikroprocesore boli zverejnené prostredníctvom žurnálu IEEE Journal of Solid-State Circuits.

Celkovo sa nový 4-bitový prototyp mikroprocesora s názvom MANA (Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture) skladá z až 20 000 Josephsonových kontaktov, čo je približne 10 000 štruktúr AQFP

Ako to celé funguje?

Josephsonov efekt je špeciálny prípad tunelového javu, kedy častica porušuje princíp klasickej fyziky tým, že prechádza potenciálovou bariérou, ktorá je vyššia ako energia častice. Inými slovami Josephsonov efekt umožňuje vznik elektrického prúdu medzi dvomi supravodičmi oddelenými tenkou vrstvou izolantu.

V praxi sa v Josephsonových kontaktoch ako supravodič využíva najčastejšie niób, preto nie je žiadnym prekvapením, že aj v tomto prípade sú kontakty tvorené práve týmto materiálom, upozornil EENewsEurope.

(Poznámka redakcie: presnejšie sa uvádza zloženie „Nb/AlOx/Nb“, Josephsonové kontakty sú teda zrejme zložené zo supravodivého nióbu, medzi ktorým sa nachádza oxid hlinitý?)

Ako však už iste tušíš, využitie Josephsonových kontaktov je obmedzené potrebou supravodivého materiálu. Keďže však žiadny známy (možno predsa len nejaký) materiál nie je supravodivý pri izbovej teplote, väčšinou musia byť zariadenia využívajúce tieto kontakty, respektíve supravodivé materiály chladené kvapalným héliom až na teplotu -268,95 stupňov Celzia, čo nie je zrovna lacná záležitosť, upozorňuje portál IEEESpectrum.

Napriek svojej zložitosti a teplotným obmedzeniam mikroprocesor MANA vykazuje až 80-krát väčšiu energetickú účinnosť (to aj po započítaní energie vynaloženej na jeho chladenie) ako tie najmodernejšie polovodičové procesory vyrobené 7 nm procesom.

Héliové chladenie mikroprocesoru MANA. Christopher Ayala

Dôležité tu je znovu pripomenúť, že celá štruktúra je adiabatická, čo znamená, že mikroprocesor pri svojej činnosti nevyžaruje do okolia (takmer) žiadne teplo, teda nedochádza ani k žiadnej strate energie.

Samotný mikroprocesor MANA v súčasnosti dosahuje taktovaciu frekvenciu 2,5 GHz. Očakáva sa však, že ďalšie vylepšenia povedú k zvýšeniu frekvencie na 5 až 10 GHz. Hoci MANA svoje využitie neuplatní v domácnostiach v bežných stolových počítačoch, mohla by výrazne pomôcť so spotrebou energie/výkonom vo veľkých dátových centrách. Tie podľa dostupných informácií spotrebovávajú až 2 % všetkej vyrobenej energie na svete, pričom do roku 2030 má táto hodnota vzrásť až na 8 %.

Hlavný autor štúdie Christopher Ayala dokonca uvádza, že celá digitálno-komunikačná infraštruktúra v súčasnosti využíva približne 10 % všetkej elektriny a do roku 2030 to už bude závratných 50 %.