让超算更快、更小、更节能——超导数字集成电路

原文作者：任洁

2008年的芝加哥，在美国攻读博士学位的任洁参加一次学术会议。她还没有料到，本以为的这一次“平平无奇”的会议，将会改变她未来的人生规划。

按照任洁的习惯，她总要在学术会议现场搜索中国同胞的面孔。尽管她认为，自己所在的超导电子学领域，还鲜有中国人进入。出乎意料的是，这次的会议上，她遇到了尤立星，也首次知道了上海微系统的超导电子学研究布局。

当时的尤立星，刚从美国回到上海微系统所，他的重要任务之一，就是宣传将要建设的超导电子学卓越中心。众所周知，我国的超导基础研究力量强大，但在应用研究方面相对薄弱。其中，超导数字电路在当时更是空白。

随着摩尔定律的终结，后摩尔时代的国际竞争将异常激烈，面对功耗和速度的双重挑战，各国都在积极探索新路线、部署新方案。超导数字电路，因为有望同时跨越速度和功耗两项半导体电路的物理瓶颈，成为重要的备选方案。

任洁在超导电子学深耕多年，2015年，任洁全职回国，成为了中心的重要力量。

任洁回国初期就意识到，我国在超导集成电路领域起步较晚，但经过六七年的努力，任洁便和她的团队成员以及合作者们一起，令我国的超导集成工艺“SIMIT-Nb03”标准首次被收录在2020 IRDS路线图上，打破了发达国家多年的垄断。

事实上，除了超导数字电路，超导电子学卓越中心的其它研究均面向国家重大需求，专门解决“卡脖子”的技术难题。归国多年，任洁与中心共成长，从单元器件到集成电路，见证着我国超导电子学的茁壮向上，也感受着我国对人才的全方位服务和支撑。

在墨子沙龙“她力量”专场，任洁带着她的超导集成电路，为大家介绍高效节能的超算梦想。

（内容来自墨子沙龙线下活动，演讲者是中国科学院上海微系统与信息技术研究所任洁教授。文字由林梅整理，并经任洁教授审读。）

在我心里，电子计算机应该是人类在20世纪最伟大的一项科学技术。我想不出20世纪还有什么其它的科技发明能够比电子计算机带给人类的影响更为巨大。

世界上第一台通用电子计算机诞生于美国的宾西法尼亚，它非常庞大，占地170平方米，一共使用了1万多根的电子管，耗电量150千瓦，据说，只要它开机，整个费城的灯光都为之黯淡，它的造价也是相当昂贵，当年的造价是48万美元，购买力大致相当于今天的2,000万美元。

尽管代价高昂，大家还是接受了电子计算机，因为它带来了前所未有的计算速度——每秒5000次加法或400次乘法，约为使用继电器运转的机电式计算机的1000倍、手工计算的20万倍。强大的算力为我们现代信息时代的来临打下基础，并且能够运用在各个方面。

电子计算机的另一个意义在于，它构建了一个非零即一的世界。过去，人们描述世界的方式是“模拟”的，比如同样是红色，但是我口中的红跟你口中的红可能完全是两个不同的颜色，这对于交流、逻辑判断和计算来说，是不利的，但是电子计算机把所有的计算都归结到非0即1的逻辑运算和算数运算。这是一个大道至简的过程，这么复杂的世界，最终就归结到0和1两个数字上，去解决各种各样的问题。

那么，计算机是如何运用0和1进行运算的呢？简单来说，所有的计算机其实归根到底就是开关，比如以前的电子管或者是晶体管，现在的晶体管或三极管等，而组成所有计算机的单元其实就是一个个简单的逻辑门。逻辑门的功能说起来非常简单，比如我输入是1的时候，逻辑门让输出变成相反，就叫“非”门；在判断两个输入的时候，如果两个都是1，输出才是1，这就是“与”门。

这里的0和1就是用实际中的物理量——电压来表示的，电压低到接近0的时候，就被认为是0，电压高于一定值的时候，就被认为是1，这个过程抛弃了很多信息，只留下我们需要的0和1。只要提高开关速度，就能提高计算速度。

从当初占地一百多平的大家伙，到今天的超级计算机，中间还有一个很伟大的发明——集成电路，集成电路其实就是把庞然大物身上的所有元件，通过一系列的操作，集中到了我们人手可以握住的一个晶圆上面，过去一台大机器的任务，现在一个芯片就能够完成。集成电路的发明把我们人类带入了数字芯片的时代，后来就慢慢出现了第一台家用电脑，以及近年来改变人类世界的一个伟大的发明——数字智能手机。

如今，高性能的计算，已经代表着科技方面综合实力的比拼，其中一个非常具有代表性的比拼项目就是超级计算机。从1993年开始，国际上的 Top500就开始每年对超算进行评比，这种评比类似奥运会，让大家去解决同样一个问题，谁的峰值运算能力最快，谁就是第一名。

在这个过程中，我们中国的天河二号、神威太湖之光都曾经荣获过 Top500的第一名。今年2022年的6月，来自美国能源部橡树岭国家实验室的Frontier，力压其它对手，摘得该榜单的冠军。

从2013年开始，Top500不仅比算力，它新增了一个较量的环节——绿色超算。

之所以有这样的变化，是因为想要实现更快的超算，它的发热量已经变得让我们的经济难以承受。所以超算领域需要面对一个新的指标——不仅要快，而且要节能，也就是说，绿色超算中比拼的是能效比。

我们人类世界的超算已经进入E级（每秒1018次浮点运算），而下一个目标——超算Z级（每秒1021次浮点运算）的实现将面临前所未有的挑战，其中一大挑战就是处理器的能效比。

除了超算，对于信息技术爆炸的时代，还有一个大家伙也关系到我们每天的生活，这就是数据中心。

比如，Facebook就把数据中心放在位于北极圈的瑞典，那里常年的平均温度在1.3度以下，就是因为它的发热量太高了。即便如此，它的功耗峰值达到了120兆瓦，基本上达到一个核电站的发电量。未来，一方面我们的供电不是无限的，另一方面，我们每天对数据的需求是不断增加的，这就是数据中心面临的矛盾。

这些问题其实在20世纪初从处理器随摩尔定律的发展就已经可预见。摩尔定律是由英特尔的一个创始人在上世纪六十年代提出的规律总结，他认为集成电路每个芯片上的晶体管的数量，也就是集成度每18个月到24个月左右就会翻一番。但是到了2000年左右，晶体管的数目虽然还在沿着摩尔定律不断发展，但是每个芯片上的时钟频率和功耗其实都已经趋于平稳。因为当集成电路芯片上晶体管的尺寸达到了物理的一个极限的时候，不能违背物理定律去发展，这就出现了摩尔定律的终结。

某种意义上，如今我们已经进入了后摩尔的时代，在后摩尔时代下，八仙过海，各显神通，大家用各种方法致力于计算能力或信息处理的能力得到不断提升，正因如此，国际器件与系统路线图IRDS从2017年到现在，都有一个“beyond CMOS”的环节，包含了各种方案和颠覆性的思想，在其中低温电子学的小分支里，超导集成电路一直被关注。

超导数字集成电路的基本知识

我的研究领域，本质还是一个非0即1的计算世界，但是区别于电子计算机，我们是用新型的超导集成电路来进一步提升我们计算的能效比。

什么是超导数字集成电路呢？

我们知道，集成电路就是把计算需要的所有原件都集成在芯片上，超导集成电路就集成在超导晶圆上，乍一看跟CMOS的晶圆是一样的，但放大看，这里面的开关是一种叫做超导约瑟夫森结的器件，它的连线和存储也都是使用超导材料。

超导晶圆

再者，这里的“数字”，是说它依旧是进行0和1的运算，只不过，这里的0和1信号不再是用电压的高和低来代表，而是用单磁通量子的脉冲信号在超导环路中的有和没有来代表0和1。

超导集成电路的三个特别的要素，其实就是材料、器件和逻辑。

首先是材料的发现。超导这个现象是1911年由H. K. Onnes 首先发现的，他把氦气变成液氦，在4.2K的温区，发觉液氨里面放入的金属完全没有电阻了。这就是我们低能耗的一个最基本的来源之一。此外，超导特有的现象——磁通量子化也与超导集成电路息息相关。磁通量子化的意思就是说，超导环路内有且仅有整数倍的磁通量子，这样，我们就可以选择整数倍为零或一来代表逻辑的0和1。

第二点，开关器件。超导集成电路的开关是一个叫约瑟夫森结的器件，它像三明治一样，是两块超导体夹以某种很薄的势垒层，它的发明人叫约瑟夫森，他在1962年发表了关于约瑟夫森结特有的约瑟夫森效应的论文， 11年之后因此获得诺贝尔物理学奖。

约瑟夫森结作为一个开关，我们能够通过一些调控让它处在电压为0和电压为1的两个不同的状态，即实现开关的作用。其实，在约瑟夫森效应被发现不久，美国以及日本的很多计算的先锋，都尝试利用约瑟夫森结来进行计算机的研发，它第一代的逻辑其实就跟CMOS一样，用电压的高和低来代表数字的0和1，并产出了很多芯片。但随着CMOS的迅速发展，约瑟夫森结作为高低电压开关的速度并没有压倒性的优势，再加上超导器件对于环境要求严苛，人们没有选择使用它。

1985年，三位莫斯科国立大学的科学家提出了一种新的逻辑形式——SFQ逻辑门。它虽然还是用约瑟夫森结作为开关，但是它的数据形式从电压电平逻辑变成了电压脉冲的逻辑，这样怎么进行计算呢？还是以“与”门为例，CMOS的“与”门，是通过判断两个输入是高还是低来决定输出是高还是低，但是SFQ的“与”门，比它多加了一个时钟信号，这是因为两个脉冲很难同时到达，所以我们允许它有一点时间间隔。我们在判断逻辑输出的时候，当某一个时钟到来，我们就通过观察距离上一个时钟的时钟周期内，是否又来了一个脉冲，如果有，“与”门就输出1，如果没有，那就输出0。在SFQ逻辑里，其他的门都是类似的。SFQ自从推出，很快就变成了超导集成电路的主流逻辑形式，因为它的优势是非常明显的。与其他集成电路技术，甚至第一代的超导集成电路技术相比，它的门延迟小，速度更快，功耗表现也有几个数量级的提升，具有一定的吸引力和应用前景。特别是在速度方面，SFQ逻辑门一经诞生就展现出了非常令人惊讶的速度。1987年就达到了30GHz，1999年，在纽约州立大学石溪分校的中国人陈伟验证了T Flip-flop的最高工作频率高达770GHz，接近太赫兹级别。

但是SFQ的劣势其实也一直存在，那就是低温的问题。比如，CMOS芯片的测试只需将芯片放在PCB板上，再将PCB板连到各种各样的测试仪器上进行测试；对于SFQ逻辑来说，我们得把芯片所在的PCB板放在测试杆里面，再把测试杆放入低温的环境里面，这个低温是我们肉体不能承受的。计算，最终是要给人服务，计算的结果需要能让我们在室温下看到，所以，我们不可能把超导集成电路放在成智能手机或者家用电脑，而超算则是它有望发挥用武之地的领域。

超导集成电路用于超算

从1970年起，IBM就开始了长达十几年的一个项目，用约瑟夫森结通过第一代的逻辑进行数字计算机的研发。十几年之后，日本也开始了一个超导计算机的大项目。但这两个项目的结果都表明，第一代逻辑虽然可以进行计算，但是它的速度相对CMOS并没有压倒性的优势。上世纪八十年代，RSFQ逻辑发现以后，欧洲有过相关的大型项目布局，但几年后随着苏联解体而告终。

同时，上世纪八十年代，高温超导的出现成为物理界里程碑的事件，欧洲和日本集中精力进行高温超导的研究。美国虽然也在高温超导的研究上有所发力，但是从来没有中断过对低温超导集成电路的研究。本世纪初，美国的研究积累实现了非常重要的两个应用，一个是将超导的SFQ电路用于国际上首个商用的量子绝热计算机的操控，这被认为是量子计算机中的一个关键的技术，即超导集成电路的操控技术；另一个应用是他们形成了用在一些极端条件下的射频接收系统。与此同时，科学家还在底层的器件上做了很多的探索，将SFQ的功耗比实现一个数量级甚至几个数量级的提升，从而进一步为实现它在超算中的应用助力。

2014年开始至今，随着摩尔时代的终结，美国为应对中国超级计算机挑战，解决大数据、云计算时代能源消耗问题，启动了超导计算机计划，超导集成电路进入美国很多大项目的部署。根据美国的估计，同样运算能力下超导计算机的功耗仅为半导体超级计算机的1%。与此同时，日本的高能效超导处理器最新进展也表明，即使加上冷却超导芯片的成本，超导芯片整体能耗也比7nm芯片低80倍。

这个过程中，我们中国在哪里？至少在2011年之前，超导集成电路领域还没有中国团队进入。令我倍感自豪的是，我们团队是国内第一个系统的在超导集成电路领域工作的团队，当然，也离不开很多兄弟学校和科研院所与我们合作。经过6到7年的努力， 2020年，我们自己的超导集成标准工艺“SIMIT-Nb03”首次被收录在IRDS路线图上，打破了美日德加多年的垄断。

现在，我们的共同目标依旧是要助力超算的瘦身梦想。

集成电路是一个链条非常长的研究，设计、工艺、封装、测试、制冷、系统互联等方面都需要不停的妥协、共同进步，才能够最终实现芯片的成功。目前，我们迫切需要努力的方向就是提升我们芯片的集成度，以及超导IC高可靠的设计方法和EDA工具等，都是我们正在探索的SFQ电路规模提升的关键技术。

作为女性科学家想说的话

无论工作于哪一个行业，一定要找到自己想要的，然后坚持下去。我的研究生里，女生的比例与男生相当，而科研领域中的女生却依旧很少，这可能是因为，进入社会之后，家庭对女性的额外压力会提高。

拿我的经验来说，在我和先生事业成长的关键期，我们会通过商量不断调整时间的分配和家庭责任的承担，工作上相互支持，事实上，这种方式没有影响他的研究，也没有影响我的研究。从女性的角度来说，你只要想好要从事一个行业，你一定会找到一个让你干下去的方法。

关于兴趣是什么？要回答这个问题，其实是要更好的认知自己。以我自己为例，做集成电路其实也有很多种不同的研究，我在读博期间主要的工作是在电脑上进行一些设计并完成测试，其中动手安装芯片等测试的操作步骤我就不太擅长。后来我想，可能我个人的动手能力远不如动脑，在做的设计的时候从一开始接触就不讨厌它，即使加班加点也不觉得这件事情让我很痛苦，并且很快的感觉到通过努力能得到比较好的效果。如果你找到了这种感觉，也许这就是你可以发力的地方和你未来的兴趣点。

任洁：研究员，博士生导师，现任中国科学院上海微系统与信息技术研究所超导电子学实验室副主任。在纽约州立大学石溪分校取得博士学位，曾在领域知名企业从事研发工作，具有丰富的超导SFQ集成电路研发经验。于2015年加入中国科学院上海微系统与信息技术研究所。任洁长期从事超导SFQ集成电路领域研究工作，主要研究方向为：新型低功耗超导逻辑电路、超导模数转换电路、超导集成电路单元库、超导模拟仿真等EDA、低温探测器高速读出等。主持了国家自然科学基金面上、重大研究计划培育等项目、科技部重点研发青年项目、中科院A类先导专项项目等科研项目及人才项目，取得多项创新性成果，在射频接收器、先进超导集成工艺等领域中得到了实际应用。在SUST、ACS NANO、IEEE-TAS等期刊上发表SCI论文30余篇，申请发明专利40余件。

墨子是我国古代著名的思想家、科学家，其思想和成就是我国早期科学萌芽的体现。墨子沙龙的建立，旨在传承、发扬科学传统，倡导、弘扬科学精神，提升公民科学素养，建设崇尚科学的社会氛围。

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