電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）隨著摩爾定律失效，高性能計(jì)算芯片的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，數(shù)據(jù)中心集群龐大的功耗已經(jīng)成為我們不得不面臨的問(wèn)題。早在2015年SIA的預(yù)測(cè)中，到2040年全球計(jì)算資源的能源供給就不再具有可持續(xù)性，而如今隨著人工智能的爆發(fā)，計(jì)算資源的需求更是猛漲。

以用于訓(xùn)練AI大模型的計(jì)算資源為例，每六個(gè)月翻倍的速度已經(jīng)遠(yuǎn)超高性能計(jì)算集群的組建速度。無(wú)需等到2040年，到了2030年訓(xùn)練單個(gè)大模型所需的資源就將超過(guò)TOP500所有超算的算力總和，而所需要的電力供應(yīng)也將達(dá)到國(guó)家級(jí)。解決能源可持續(xù)的問(wèn)題已經(jīng)避無(wú)可避了，但除非我們放緩發(fā)展速度，或是顛覆計(jì)算方式，是很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的。

對(duì)于應(yīng)用層還沒(méi)進(jìn)入商業(yè)模式成熟和完全盈利的人工智能來(lái)說(shuō)，放緩發(fā)展速度自然是不可取的。那么也就只剩下顛覆計(jì)算方式一途，而大幅降低能耗的超導(dǎo)計(jì)算，也就理所當(dāng)然地成了多數(shù)研究的重點(diǎn)方向。

顯著降低功耗，最大開(kāi)銷成為冷卻

2020年，日本國(guó)立橫濱大學(xué)的一個(gè)研究小組就展示了一個(gè)超導(dǎo)CPU，并成功實(shí)現(xiàn)了流片。該處理器主要采用約瑟夫森結(jié)架構(gòu)打造，這是一種經(jīng)典的超導(dǎo)三層器件架構(gòu)，也是超導(dǎo)邏輯單元中取代晶體管的基礎(chǔ)元件。因?yàn)槠洫?dú)特的物理特性，該器件工作時(shí)的開(kāi)關(guān)功耗只有10-21J左右，這樣一來(lái)動(dòng)態(tài)功耗相比傳統(tǒng)CMOS器件極大降低，加之超導(dǎo)體無(wú)電阻的特性，靜態(tài)功耗無(wú)限趨近于零。

超導(dǎo)體的出現(xiàn)為降低功耗提供了最大的可能性，因?yàn)槠湓谕ㄟ^(guò)電流時(shí)并不會(huì)消耗能量。最大的能耗開(kāi)支莫過(guò)于需要在低溫下工作的冷卻方案供電，比如超導(dǎo)芯片的處理單元，往往需要低至4K的冷卻溫度。但即便如此，幾乎零電阻的互聯(lián)、基于超短脈沖構(gòu)建的數(shù)字邏輯，都為現(xiàn)代計(jì)算資源大規(guī)模擴(kuò)展提供了足夠的優(yōu)勢(shì)。

而且隨著計(jì)算資源規(guī)模的擴(kuò)大，冷卻方案開(kāi)銷的邊際成本也會(huì)越小，據(jù)imec研究表明，一旦達(dá)到數(shù)十petaflops，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)相比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)就要節(jié)能了，而這樣的算力要求，TOP500中排名前30的超算已經(jīng)可以做到了。

而Imec近期發(fā)布了他們采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造的超導(dǎo)計(jì)算單元，基于該技術(shù)打造的處理器能效將是當(dāng)下最高效芯片的100倍，甚至可以將一個(gè)數(shù)據(jù)中心級(jí)別的計(jì)算資源塞進(jìn)鞋盒大小的系統(tǒng)中。

將超導(dǎo)帶出實(shí)驗(yàn)室的方法——兼容現(xiàn)有的CMOS制造技術(shù)

盡管超導(dǎo)可以降低功耗提高計(jì)算密度，但對(duì)于目前的大部分研究來(lái)說(shuō)，都只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，要想真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)無(wú)異于癡人說(shuō)夢(mèng)。比如上文提到的橫濱國(guó)立大學(xué)超導(dǎo)CPU，就是基于超導(dǎo)鈮實(shí)現(xiàn)的，這種材料在可預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)良好，但要想用于制造工藝中就存在不少難題了。

鈮對(duì)傳統(tǒng)半導(dǎo)體加工溫度及其周圍材料都很敏感，一加熱就會(huì)失去超導(dǎo)能力，因此與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流程不兼容。為此，imec改用了氮化鈮鈦?zhàn)鳛榛A(chǔ)超導(dǎo)材料。氮化鈮鈦可以承受CMOS制造工藝所用的溫度，而且與周圍層的反應(yīng)較少。

同時(shí)imec還為約瑟夫森結(jié)的勢(shì)壘層選擇了一個(gè)新材料，無(wú)定形硅。傳統(tǒng)的約瑟夫森結(jié)勢(shì)壘層材料，比如氧化鋁等，可以在可控的條件下生長(zhǎng)，但為了達(dá)到遠(yuǎn)高于CMOS工藝芯片的密度，就必須進(jìn)一步壓縮其厚度，可這么薄的氧化物已經(jīng)到了無(wú)法制造的程度。無(wú)定形硅的出現(xiàn)，則允許使用更厚的勢(shì)壘層，實(shí)現(xiàn)210nm這樣的臨界尺寸。

在電路層面，同樣需要對(duì)邏輯和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)。Imec設(shè)計(jì)出了一種全新的邏輯架構(gòu)，名為脈沖守恒邏輯，輸入和輸出的數(shù)量保持一致，且SFQ（單通量量子）的總數(shù)保持守恒。通過(guò)不同約瑟夫森結(jié)和電容的組合將SFQ引導(dǎo)至不同輸出，從而產(chǎn)生我們常見(jiàn)的邏輯OR和AND。在Imec的設(shè)計(jì)中，SRAM也是基于約瑟夫森結(jié)重新設(shè)計(jì)的，不過(guò)DRAM還是采用傳統(tǒng)的硅工藝，但也需要從室溫降低至77K的低溫環(huán)境，用于提高效率。

鞋盒大小的數(shù)據(jù)中心，也需要3D堆疊實(shí)現(xiàn)

在基于CMOS工藝打造的數(shù)字芯片上，隨著縮小晶體管變得越來(lái)越困難，我們已經(jīng)開(kāi)始廣泛利用3D堆疊技術(shù)提高性能。但由于芯片內(nèi)部的超大功率和熱量，堆疊方案已經(jīng)逐漸面臨更大的挑戰(zhàn)，如何做好散熱成了多數(shù)3D堆疊方案必須解決的首要問(wèn)題。

對(duì)于基于超導(dǎo)體的芯片設(shè)計(jì)而言，同樣可以借助3D堆疊來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的密度。結(jié)合硅中介層和玻璃基板這樣的先進(jìn)封裝技術(shù)，將超導(dǎo)處理單元與嵌入式超導(dǎo)SRAM和DRAM堆疊在一起。芯片的大部分都將浸沒(méi)在液氮中，冷卻至4K。

在imec的模擬中，他們將100塊超導(dǎo)體芯片板打造堆疊在一起，中間只留出極小的空間，整個(gè)系統(tǒng)的體積大小只有20x20x12厘米，與一個(gè)鞋盒大小近似。但正是這樣一個(gè)鞋盒大小的系統(tǒng)，總功耗只有500kW，卻可以提供將近20exaflops（BF16）的算力。

而這僅僅是Imec路線圖中第一套方案，在后續(xù)的產(chǎn)品中，會(huì)進(jìn)一步縮小約瑟夫森結(jié)和互聯(lián)的尺寸。未來(lái)通過(guò)進(jìn)一步提高邏輯芯片的密度，芯片板的數(shù)量也會(huì)隨之減少，這樣提高性能的同時(shí)，也會(huì)降低工藝復(fù)雜性和成本。

寫在最后

盡管超導(dǎo)計(jì)算讓我們看到了可行的技術(shù)路線，但即便是imec也不認(rèn)為超導(dǎo)數(shù)據(jù)技術(shù)會(huì)取代傳統(tǒng)的CMOS計(jì)算，而只是作為部分特定應(yīng)用補(bǔ)充。這一技術(shù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景還是在大型的數(shù)據(jù)中心，為人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)處理提供基于云端的訓(xùn)練推理等，因?yàn)橹挥羞@樣的環(huán)境內(nèi)才能有條件實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)所需的冷卻技術(shù)。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，傳統(tǒng)的CMOS硅工藝依然不可取代。

值得一提的是，這一技術(shù)與Imec基于CMOS制造工藝的超導(dǎo)量子比特技術(shù)同樣可以做到無(wú)縫集成，可以說(shuō)是電子計(jì)算與量子計(jì)算的完美結(jié)合。但即便搞定了基礎(chǔ)材料工程設(shè)計(jì)，以及架構(gòu)的設(shè)計(jì)，還有電路開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)這一環(huán)目前沒(méi)有打通，需要EDA廠商為其開(kāi)發(fā)特定的流程工具。