半导体厂赶工拼订单 台湾量子硬件制造难产

2022年有望成为量子电脑硬件技术的突破年。虽然台湾在全球半导体制造占半壁江山，讽刺的是，台湾却因为太成功而在量子电脑技术上远远落后竞争对手。

在2022年上半，有一连串量子技术的新突破问世，同时有更多的应用正在商业化，进展比以前快得多。由于台湾学术界缺乏制造设备和经验，量子硬件的进展受到阻碍。但问题是：为什麽没有来自台湾护国群山的半导体制造业者前来帮助？

台湾量子国家队面临的困境是，半导体制造商忙于赶订单，无暇协助制造量子硬件设备。如果说量子电脑的竞争有如量子专家、IEEE和美国物理学会研究员张庆瑞博士所描述的「科技的世界大战」，那麽现在台湾量子团队的情况几乎就是在手无寸铁、赤手空拳在参战。

台湾量子电脑暨信息科技协会(TAQCIT)执行监事长林育中说：「如果台湾的量子硬件不先落实，我担心落后差距会愈来愈大。」

「我们还没有找到有兴趣协助制程的半导体制造商，」台湾大学物理系教授管希圣博士告诉DIGITIMES。他笑着说，脸上带着一丝尴尬，「他们现在可能产线全开，赶着完成他们的订单。谁会愿意腾出一些产能专门用于开发量子芯片呢？这的确是一个两难的问题。」

量子技术竞争正加速进行

相比之下，2022年第1季以来，全世界有一连串的硬件突破陆续亮相。GlobalFoundries在3月发表新一代矽光子解决方案，为光收发模块、AI芯片和量子计算提供制造平台。英特尔和QuTech在4月宣布，量子位元在一家半导体工厂成功地大规模生产，产量达到95%；史丹福大学利用声子纠缠微型机械振荡器，推进量子计算和传感应用的研究；IonQ还推出IonQ Forte，这是一款拥有32个量子位元的新一代量子电脑，其架构由软件演算法控制。近期传闻华为也即将发布量子电脑。

在软件领域也有新的进展。加拿大Nanoacademic Technologies和国内的本源量子计算科技，分别发布量子芯片的电子设计自动化(EDA)软件。量子EDA有望克服量子芯片生产中的许多现有瓶颈。

在其当地硬件制造商的支持下，在量子技术领域起步较早的国内、美国和欧洲的学术机构和技术新创有望扩大领先优势。据知情人士透露，台湾在制造量子点、量子位元、控制板和光子量子位元制造方面均陷入困境。

但全世界的半导体产能都很紧绌，国外的量子创新和研究单位如何克服这个问题？「像PsiQuantum和IonQ这样的新创，从资本市场上和创投业者募得的资金非常充足。他们向半导体公司下订单，并得到硬件的生产，」林育中称。GlobalFoundries正在与PsiQuantum合作开展光子量子项目，英特尔与QuTech合作，IonQ有来自德国博世集团的投资。

林育中认为，「政府对发展量子产业缺乏长远的政策规划，如果请求晶圆制造商协助未果，至少应该拨款让研究团队去寻找并支付代工服务。」

2022年3月，台湾宣布成立 「量子国家队」，将在5年内投资80亿元新台币(约2.8亿美元)。目前已经确定17个子项目，有24个业者参与，包括联发科、中华电信、富士康、联亚光电、台湾富士通等，主要集中在量子电脑硬件技术、光子量子技术、量子电脑软件技术等3个主要方向。 虽然学术、研究机构和技术公司之间的合作是可以期待的，但由于缺乏商业诱因，半导体产业界的参与意愿不高。

量子计算的市场规模仍处于萌芽状态，这可能是台湾的晶圆代工制造商目前不感兴趣的原因。根据Research Dive的数据，截至2020年，量子计算的规模只有9,000万美元，但预计到2027年将达到6.67亿美元。虽然富士康表现出兴趣并参加国家队，但本身并没有技术成熟的晶圆厂。

管希圣表示，台大的研究团队已经提出1种高保真的量子逻辑闸的控制方案，但学术界缺乏制造量子硬件设备和经验来进行测试与概念验证。半导体产业在制造方面的协助，对于加速开发和测试设备是必不可少的。「如果量子位元可以用半导体材料和设备制造，正如英特尔和QuTech的最新成果所显示的那样，台湾的半导体产业应该有一个很好的利基。」

英特尔超车台积电　

管希圣强调：「英特尔在量子方面的最新技术突破最重要的意义在于，他们利用先进的制程技术成功制造大量的矽量子位元器件。该器件通常是通过电子束微影技术在一个小碎片上制作的，但他们用12英寸的硅片DUV技术制作，这与目前的半导体制程设备和技术一致。」 管希圣解释说，其涵义是用现有的制程设备和技术在硅片上制造量子位元的可能扩展性。英特尔已经投资开发半导体量子点、量子位元和量子控制芯片，也开始开发大规模低温自动测试工具。

这表明英特尔有意进一步发展其在量子电脑制造方面的业务。「如果量子位元也能在4K(指绝对温标)下工作，那麽量子位元芯片就可以和低温(cryogenic)CMOS控制线路芯片合起来，简化彼此的拉线以及量子态读取的复杂线路问题，且同时可增加在同样冷却能力的低温设备中可工作的位元数，」管希圣说：「量子点已经被证明可以在4K下操作 ，所以如果能使用半导体制造的量子位元，有机会推展到4K下运作，会有优势。」

「英特尔在开发量子技术方面投入如此之多，说明他们看到未来机会，」管希圣补充道，这取决于领导人对其公司的愿景和定位。「英特尔目前做的是简单的量子位元制造，良品率达到95%，但将来变得更复杂时，就很难保持良率了，所以台湾的半导体产业，如台积电，就很适合从事这项工作。」

现在，英特尔在量子技术方面已比台积电更早取得先发优势。它将如何使量子成为竞争中的筹码，还有待观察。

量子与传统电脑整合是未来的趋势

「在未来5～10年内，每个平台肯定会竞争看谁能先造出100万个量子位元，因为只有这样，我们才能实现具有纠错能力的商业化量子电脑，并为商业应用提供可靠的高速计算。」林育中说。

管希圣强调，低温和体积是量子技术的要素，但并非非常严重的缺陷。「以目前量子演算法的发展，量子电脑不会完全取代传统电脑的所有工作和计算，每个国家可能只需要几台就可以做大规模、复杂、可靠的量子计算。即使需要足球场大小的空间来容纳量子电脑，也不是问题。」

量子计算的推广和应用，关键在于能否制造出稳定、纠错、高效能的量子电脑硬件设备和软件，以及社会各产业积极研究和开发，将量子计算用于计算模拟和商业应用。

「我们将看到将量子与超级电脑整合在一起的混合机器，这是很多人认为在不久的将来比较可行的方向，也需要更多的努力，」林育中说。近期NVIDIA在ISC22国际超级电脑大会上也发布多项研发与应用成果，认为高效能运算与量子运算的混合架构时机已经来临。半导体业界人士认为，一旦CPU／GPU+QPU混合架构成熟，领先取得量产QPU能力的业者，恐将抢走台积电的CPU和GPU客户。

林育中总结道，「量子电脑的商业化及其与传统电脑的整合，将与台湾经济所深度依赖的半导体和信息通讯产业高度相关，甚至可能创造出新的产业和经济价值。台湾若要从这产业中取得经济利益的话，现在就要急起直追。」

责任编辑：张兴民