超导计算机展望

据美国计算机协会通信网2018年10月30日消息，超导计算机能够克服互补金属氧化物半导体（CMOS）的限制，突破摩尔定律，将超级计算机的耗电量降低一百倍。现在亿亿级超级计算机需要数以兆瓦的耗电量，而同级别的超导超级计算机只需要千瓦耗电。

超导计算机利用的是一些材料在接近绝对零度时毫无电阻的特性，通常是铌。早在1911年，荷兰科学家、诺贝尔奖得主海克·卡末林·昂内斯就发现了超导的存在。然而，直到1954年，第一个超导的应用，即冷子管，才出现。冷子管的发明者是麻省理工学院林肯实验室的电子工程师达德利·艾伦·巴克。相对于互补金属氧化物半导体而言，冷子管的速度更快，耗电量却更小。只不过，它必须在超低温（−150°C/−238°F）条件下才能正常工作，而这个条件也长期限制了超导技术的开发利用。

业界认为，目前美国在超导计算机领域占据领先地位，日本也在此领域取得了长足进步。最近，中国也实施了一个耗资14.5亿的五年赶超计划，拟于2022年造出超导计算机。

但是，美国博思艾伦咨询公司的超导专家Scott Holmes称，中国的工艺在某种程度上落后于现有技术。

美国情报高级研究计划局（IARPA）的低温计算复杂性（C3）项目负责人Marc Manheimer认为，中国的超导计算机设计制造水平还不如美国。但是，在常温计算机方面中国能够如此迅速赶上来，在超导计算机方面美国也要加倍努力以防止类似情况再次发生。

迄今为止，中国在该领域取得的最大成就是制造了一个带有1万个约瑟夫森结的超导芯片（由两个或多个超导体耦合的器件通过弱连接耦合，可用于单电子晶体管）。相比之下，美国已经制造出带有超过7万个约瑟夫森结的芯片。

俄罗斯也声称，他们计划开发超导计算机组件，用于制造替代互补金属氧化物半导体的新一代计算机，从而突破摩尔定律。他们认为，这些新的可控设备最终可能改变超导技术的现状，使其成为未来高性能计算机的通用平台。

为了让美国在这场竞赛中保持领先，美国情报高级研究计划局开始资助超导计算机研究，将其作为降低超级计算机耗电量问题的长期解决方案，因为“超导技术似乎最适用于大规模计算。”

然而，在今年结束的为期四年的低温计算复杂性项目开发过程中，美国情报高级研究计划局已经不再像早期一样坚定地预测超导计算机将取代互补金属氧化物半导体计算机。

低温计算复杂性（C3）项目负责人Marc Manheimer称，其开发超导计算机的最初原因是Top500超级计算机耗费的电力巨大。但是，要保持工作环境的低温状态也需要耗费很多能源，这也限制了超导计算机无法达到数据中心的规模。最终，超导技术可能成为现有数字计算机的加速器。

带1000个约瑟夫森结的超导芯片冷却成本比CMOS冷却成本高1000倍，但它们的运行能效提高了10万倍，因此整体能效还是提高了100倍。此外，超导计算机还可通过将时钟速度提高150倍来极大地提高性能，从当前互补金属氧化物半导体的5GHz限制提高到超导体最高770GHz的水平。

低温计算复杂性（C3）项目的潜力促使IARPA启动两项新的超导计划。一个是推进超导电子设计自动化（EDA），称为SuperTools。另一个是开发超导——数字计算机接口，称为SuperCable。

C3未来工作的主要承包商——IBM、诺斯罗普·格鲁曼公司和雷声公司，将在今年晚些时候展示他们为未来的美国超导计算机设计的逻辑和存储器构建块芯片，大约在2020年将SuperTools和SuperCable用于新的EDA工具和新接口。

然而，就像之前的CMOS一样，超导计算机仍有许多障碍需要克服。 例如，超导芯片比标准芯片大得多，因为缩小其尺寸的研究比CMOS落后60年，后者将数十亿个晶体管结点封装在单个芯片上，而超导芯片较大尺寸的特征限制了每个芯片所带结数少于10万个。

关于超导计算机的工作也遭受了一些非议。

Mikhail Dorojevets是谷歌学者和石溪大学（Stony Brook University）教授，该校过去二十年来一直在进行超导计算机研究。他说，片面强调770GHz的速度，并将其作为制造超导计算机的主要原因，这是非常错误的。此外，仅仅因为可以在单个芯片上放置数千个串联连接点就轻视超导电路的复杂程度，这也是错误的。这都是以偏概全。

到目前为止，目前唯一运行的商用超导计算机来自加拿大的D-Wave Systems公司，该公司的芯片具有许多超导计算机电路，但其主要目的是利用以太量子态来执行计算。尽管如此，D-Wave已成功应对了C3，SuperTools和SuperCable面临的超导计算机设计挑战。例如，D-Wave制造了目前最小的超导芯片（240纳米，由D-Wave的代工厂，SkyWater技术制造）。它还成功地将现有的EDA工具应用于超导体（而SuperTools旨在与Synopsys的EDA工具相结合），并解决了超导电路与CMOS接口的问题（尽管规模小于SuperCable的目标）。D-Wave的任务一直比较简单，因为它专注于单一类型的计算——量子优化，而IARPA的目标是模仿当今使用的经典冯诺依曼计算机的所有功能。

D-Wave系统高级副总裁Jeremy Hilton表示，该公司正在利用强大的超导计算机逻辑在量子处理器结构中实现可扩展的架构，但D-Wave不开发经典冯诺依曼处理器。不过，他们也意识到该领域的巨大潜力，并且已经开始制造超导体集成电路。随着应用前景的明晰，D-Wave会将目光转向更加通用的设备并开发相关技术。

佛罗里达州立大学应用超导中心主任Lance Cooley表示，超导处理器的研究可以追溯到20世纪70年代，但除非必须，否则研究者不会构建超导设备，因为在室温下运行的CMOS更容易开发。然而，现在CMOS的摩尔定律正在终结，开发超导计算机必要的低温技术看上去值得进行数十亿美元的投资。

Cooley表示，由于美国国家标准与技术研究院（NIST）等机构在超导计算机方面取得了许多成功的发展，美国在此领域仍然处于领先地位。

NIST还在协助IARPA，利用其专业知识，独立评估今年晚些时候C3将在麻省理工学院林肯实验室的铌铸造厂制造的逻辑和存储电路。正如Cooley所指出的那样，NIST在超导材料方面拥有丰富的经验。事实上，在其制定的主要标准文件中，它定义了一个具有20208个超导约瑟夫森结串联的阵列（在其自己的铌铸造厂中制造）。

经过年底的最终制作阶段，NIST将在明年测试和评估IBM和诺·格的原型超导计算机芯片。此后，IARPA将决定是否向其中一个（或可能两个）提供进一步的资金支持，以生产能够加速或可能取代CMOS计算机的完整64位内核。