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Primeiro processador supercondutor tem eficiência energética extrema

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Primeiro processador supercondutor tem eficiência energética extrema

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No Japão, desenvolveram um microprocessador usando componentes supercondutores, que se mostraram cerca de 80 vezes mais eficientes em termos de energia do que os componentes semicondutores de última geração usados

é capaz de realizar computação de alta velocidade com eficiência energética e fizemos isso desenvolvendo e demonstrando com sucesso um microprocessador AQFP protótipo de 4 bits chamado MANA

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/12/2020
Parametron
Pesquisadores da Universidade Nacional de Yokohama, no Japão, desenvolveram um microprocessador usando componentes supercondutores, que se mostraram cerca de 80 vezes mais eficientes em termos de energia do que os componentes semicondutores de última geração usados nos microprocessadores mais modernos.

Não é nenhum segredo que componentes eletrônicos supercondutores são energeticamente mais eficientes, mas o balanço geral quase nunca é positivo, uma vez que se gasta muita energia para resfriar tudo - os supercondutores só funcionam em temperaturas criogênicas.

Para balancear melhor essa equação, Christopher Ayala e seus colegas trabalharam com uma estrutura eletrônica digital supercondutora chamada "parametron de fluxo quântico adiabático".

O parametron, um elemento de circuito lógico inventado por Eiichi Goto, em 1954, é essencialmente um circuito ressonante com um elemento reativo não-linear que oscila na metade da frequência de acionamento - essa oscilação pode representar um dígito binário pela escolha entre duas fases, deslocadas em 180 graus uma da outra. Os parametrons foram usados nos primeiros computadores japoneses, mas foram abandonados com o desenvolvimento do transístor.

Já um parametron de fluxo quântico é uma implementação do circuito usando junções Josephson, um arranjo no qual uma corrente elétrica flui indefinidamente - uma supercorrente - sem a necessidade da aplicação de uma tensão. O termo adiabático refere-se ao fato de que o circuito não troca calor com seu entorno.
Processador supercondutor
Ayala então usou essas junções Josephson supercondutoras para criar circuitos parametron, que por sua vez serviram como blocos de construção para um microprocessador de alto desempenho e que roda com um gasto mínimo de energia.

"Queríamos provar que o AQFP [parametron de fluxo quântico adiabático] é capaz de realizar computação de alta velocidade com eficiência energética e fizemos isso desenvolvendo e demonstrando com sucesso um microprocessador AQFP protótipo de 4 bits chamado MANA (Arquitetura Integrada Monolítica Adiabática), o primeiro microprocessador supercondutor adiabático do mundo," disse Ayala.

Os testes mostraram que o processador supercondutor é versátil, podendo ser usado em funções de processamento e de armazenamento de dados.

"Também mostramos em um chip separado que a parte de processamento de dados do microprocessador pode operar até uma frequência de clock de 2,5 GHz, o que o torna comparável às tecnologias de computação atuais. Esperamos inclusive um aumento para 5 a 10 GHz à medida que fazemos melhorias em nossa metodologia de projeto e configuração experimental," acrescentou Ayala.
Computações neuromórfica e quântica
E o protótipo também não deixou dúvidas quanto à sua eficiência energética geral, quando se leva em conta a energia necessária para manter o circuito supercondutor resfriado a temperaturas bem perto do zero absoluto.

"O AQFP é um dispositivo eletrônico supercondutor, o que significa que precisamos de energia adicional para resfriar nossos chips da temperatura ambiente até 4,2 Kelvin [-268,95 ºC] para permitir que os AQFPs entrem no estado supercondutor. Mas, mesmo levando em consideração esse adicional de resfriamento, o AQFP ainda é cerca de 80 vezes mais eficiente em termos de energia quando comparado aos dispositivos eletrônicos semicondutores de última geração encontrados em chips de computador de alto desempenho disponíveis atualmente," anunciou Ayala.

Agora que a equipe provou o conceito dessa arquitetura de processador supercondutor, eles planejam otimizar o chip e determinar sua escalabilidade e a velocidade de processamento que pode ser alcançada com ele.

E, além de construir microprocessadores, a equipe está interessada em examinar como os AQFPs podem ajudar em outras plataformas de computação, como na computação neuromórfica para inteligência artificial e na computação quântica.
Bibliografia:

Artigo: MANA: A Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture Microprocessor Using 1.4-zJ/op Unshunted Superconductor Josephson Junction Devices
Autores: Christopher L. Ayala, Tomoyuki Tanaka, Ro Saito, Mai Nozoe, Naoki Takeuchi
Revista: IEEE Journal of Solid-State Circuits
DOI: 10.1109/JSSC.2020.3041338

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Primeiro processador supercondutor tem eficiência energética extrema

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/12/2020 Parametron Pesquisadores da Universidade Nacional de Yokohama, no Japão, desenvolveram um microprocessador usando componentes supercondutores, que se mostraram cerca de 80 vezes mais eficientes em termos de energia do que os componentes semicondutores de última geração usados nos microprocessadores mais modernos.

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Um engenheiro brasileiro, atualmente trabalhando na Suíça, liderou uma equipe que desenvolveu um processador de computador que combina duas funções - operações lógicas e armazenamento de dados - em uma única arquitetura.

O novo processador lógica-sobre-memória é feito com transistores de efeito de campo (FET) de portas flutuantes (FGFETs).

A vantagem desses transistores é que eles podem reter cargas elétricas por longos períodos - é por isso que eles são usados em memórias flash para câmeras, celulares e computadores.

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/11/2020
Lógica sobre memória
Um engenheiro brasileiro, atualmente trabalhando na Suíça, liderou uma equipe que desenvolveu um processador de computador que combina duas funções - operações lógicas e armazenamento de dados - em uma única arquitetura.

É um grande avanço para a eletrônica e para a informática, uma vez que a união de computação e armazenamento no mesmo chip - também conhecida como "arquitetura lógica-sobre-memória" - dispensa a troca de dados entre processador e memória, tornando os computadores mais rápidos e com menor consumo de eletricidade.

Essa junção também era longamente esperada por seu potencial impacto no processamento de algoritmos de inteligência artificial.

O avanço histórico foi liderado por Guilherme Migliato Marega, engenheiro eletricista formado pela USP (Universidade de São Paulo), que atualmente trabalha na Escola Politécnica Federal de Lausanne.
Molibdenita
Para quem duvidava que o grafeno estava sendo deixado para trás na corrida rumo a uma era pós-silício, o novo chip é feito de um outro material monocristalino (2D), a molibdenita (MoS ₂).

A molibdenita, um material que consiste em uma única camada com três átomos de espessura, é um excelente semicondutor e já é o componente mais pesquisado no campo da fotônica (processadores que funcionam com luz em vez de eletricidade) e da spintrônica (uma espécie de meio caminho entre a eletrônica e a computação quântica).
Processador e memória juntos
O novo processador lógica-sobre-memória é feito com transistores de efeito de campo (FET) de portas flutuantes (FGFETs).

A vantagem desses transistores é que eles podem reter cargas elétricas por longos períodos - é por isso que eles são usados em memórias flash para câmeras, celulares e computadores.

E as propriedades elétricas exclusivas da molibdenita tornam este semicondutor particularmente sensível a cargas armazenadas em FGFETs, o que permitiu a criação de circuitos que funcionam tanto como células de armazenamento de memória quanto como transistores programáveis.

Ao usar a molibdenita, a equipe conseguiu incorporar várias funções de processamento em um único circuito com memória e alterar ambos conforme desejado.

"Essa capacidade dos circuitos de realizar duas funções é semelhante à forma como o cérebro humano funciona, onde os neurônios estão envolvidos tanto no armazenamento de memórias quanto na realização de cálculos mentais," comparou o professor Andras Kis, coordenador da equipe.

"O projeto do nosso circuito tem várias vantagens: Ele pode reduzir a perda de energia associada à transferência de dados entre unidades de memória e processadores, diminuir a quantidade de tempo necessária para operações de computação e diminuir a quantidade de espaço necessária. Isso abre as portas para dispositivos menores, mais potentes e com maior eficiência energética," acrescentou Kis.

Embora ainda seja um protótipo, a equipe está entusiasmada com a capacidade de levar a nova arquitetura rumo aos aparelhos eletrônicos e computadores vendidos no mercado: " Fizemos nosso primeiro chip há dez anos à mão. Mas, desde então, desenvolvemos um processo de fabricação avançado que nos permite fazer 80 ou mais chips em uma única rodada, com propriedades bem controladas," disse Kis.
Bibliografia:

Artigo: Logic-in-memory based on an atomically thin semiconductor
Autores: Guilherme Migliato Marega, Yanfei Zhao, Ahmet Avsar, Zhenyu Wang, Mukesh Tripathi, Aleksandra Radenovic, Andras Kis
Revista: Nature
Vol.: 587, pages 72-77
DOI: 10.1038/s41586-020-2861-0

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