美专家：美国应考虑超导技术，这是先进芯片领域的希望

集微网消息，据纽约时报报道，在基础计算机技术方面发挥了关键作用的Ivan Sutherland看到了能让美国在先进芯片领域占据一席之地的方法。

自Ivan Sutherland创建Sketchpad以来已经过去了60年，Sketchpad是一个预测交互式和图形计算未来的软件系统。在20世纪70年代，他召集计算机行业建立一种具有数十万个电路的新型微芯片，这种芯片成为了今天半导体行业的基础。

现在，84岁的Sutherland博士认为，美国在一个关键时刻未能考虑替代芯片制造技术，以使美国在制造最先进的计算机方面未能夺回领先地位。

他声称，依靠过冷电子电路，这种电路在没有电阻的情况下切换，因此在更高的速度下不会产生多余的热量，计算机设计师将能够绕过更快机器的最大技术障碍。

他和一位同事最近在一篇文章中写道：“最能抓住超导数字电路机会的国家将在未来几十年里享有计算方面的优势。”

Sutherland博士的见解很重要，几十年前他在帮助创建今天制造计算机芯片的主导方法方面发挥了作用。

20世纪70年代，时任加州理工学院计算机科学系主任的Sutherland博士和他当时是施乐公司帕罗奥多研究中心的研究经理的兄弟Bert将计算机科学家Lynn Conway介绍给物理学家Carver Mead。

他们在美国发明了一种基于晶体管类型的设计，被称为互补金属氧化物半导体，或CMOS。它使得制造用于个人电脑、视频游戏和大量商业、消费和军事产品的微芯片成为可能。

现在Sutherland博士认为，应该重新审视一种比CMOS更早的，并且最开始有许多错误的替代技术。超导电子技术在20世纪50年代于麻省理工学院首创，然后在20世纪70年代由IBM公司推行，后来基本上被放弃。

1987年，最后一位苏联领导人戈尔巴乔夫在《真理报》上看到一篇文章，描述了日本微电子巨头富士通公司在低温计算方面取得的惊人进展。戈尔巴乔夫对此很感兴趣。他想知道，这难道不是苏联可以出类拔萃的一个领域吗？向苏联政治局解释的任务最终落到了莫斯科国立大学年轻的物理学副教授Likharev身上。然而，当他阅读这篇文章时，Likharev博士意识到《真理报》的记者误读了新闻稿，记者错误声称富士通超导存储芯片的速度比实际速度快五个数量级。

Likharev博士解释了这一错误，但他指出，这一领域仍然有希望。

这引发了一系列事件，通过这些事件，Likharev博士的小型实验室获得了数百万美元的研究支持，使他有可能建立一个小型研究团队，并最终在两德统一后搬迁到美国。Likharev博士在纽约石溪大学担任物理学职位，并帮助创办了Hypres公司，这是一家数字超导体公司，现在仍然存在。

这个故事可能就此结束了。但随着现代芯片制造的成本变得越来越大，这项难以捉摸的技术可能会再次获得动力。一座新的半导体工厂耗资100亿至200亿美元，并且需要长达五年的时间才能完工。

Sutherland博士认为，美国应该考虑培养一代能够跳出框框思考的年轻工程师，而不是推动效率不断下降的更昂贵的技术。

基于开关和电线的电阻降至零的超导体的计算系统，可能会解决日益困扰世界数据中心的冷却挑战。

CMOS芯片制造主要来源于中国台湾和韩国公司。美国现在正计划花费一万亿美元的近三分之一的私人和公共资金，努力重建国家的芯片产业并重新获得全球主导地位。

与Sutherland博士一样，业内其他人士也认为，CMOS制造正遇到根本性的限制，这将使他们无法承受进步的成本。

“我认为我们可以有把握地说，我们将不得不从根本上改变我们设计计算机的方式，因为我们真的正在接近目前基于硅的技术的极限，”大规模计算能源需求专家Jonathan Koomey说。

随着晶体管的尺寸缩小到只有数百或数千个原子的大小，半导体行业越来越多地收到各种技术挑战的困扰。

现代微处理器芯片也受到工程师所描述的“暗硅”的困扰。如果现代微处理器芯片上的所有数十亿个晶体管被同时使用，它们产生的热量将熔化芯片。因此，现代芯片部分被关闭，只留下一些晶体管在工作，但这使得它们的效率大大降低。

Sutherland博士表示，出于国家安全考虑，美国应该考虑替代技术。他建议，超导计算技术的优势可能首先在竞争激烈的蜂窝基站市场上发挥作用，蜂窝基站是手机发射塔内处理无线信号的专用计算机。他说，中国已经成为当前5G技术市场的主导力量，但下一代6G芯片将受益于超导处理器的极快速度和显著降低的功耗要求。

其他行业高管也同意这一观点。担任Alphabet董事长和斯坦福大学前校长的电气工程师John L. Hennessy说：“他说得对，功率问题是个大问题。”Hennessy表示，只有两种方法可以解决这个问题，要么通过新的设计来获得效率，这对通用计算机来说不太可能，要么创造一种不受现有规则约束的新技术。

超导公司Hypres的首席技术官Elie Track说：“真的有可能利用超导技术创造出相当于人类大脑的东西。与仍处于早期实验阶段的量子计算技术相比，这是现在就可以做的事情，但遗憾的是，资助机构还没有关注到它。”

每当CMOS世界似乎要接近极限时，工程技术就已经解决了问题，这导致超导计算的时代还没有到来

2019年，由Max Shulaker领导的麻省理工学院的一个研究小组宣布，它已经用碳纳米管建造了一个微处理器，其能效有望是当今硅芯片的10倍。Shulaker博士正在与亚德诺公司合作，将该技术的混合版本商业化。

他说：“我越来越相信，你不可能打败硅，它在不断成长，而且它确实很出色。”

但是，随着硅接近原子极限，替代方法再次出现希望。曾帮助创办过几家硅谷公司的斯坦福大学计算机科学家Mark Horowitz说，他不愿意低估Sutherland博士对超导电子的热情。

Mark说：“改变历史进程的人总是略带疯狂，但你知道，有时他们的疯狂是正确的。”

（校对/李梅）