比利时微电子研究中心计划利用超导缩小计算机

主要观点总结

本文介绍了超导技术在计算领域的应用及优势。随着计算资源规模的增长，计算所需的电力能源将很快超出地球所能提供的范围，因此需要改变计算方式。超导技术提供了降低能源消耗的可能性，因为它在传输电流时不消耗能量。通过开发使用标准CMOS工具制造的超导处理单元，研究人员已经实现了处理器的节能效率是当前高效芯片的100倍。超导计算机的逻辑实现方式和约瑟夫森结的应用也进一步节省了能源。为了将实验室概念变成可制造的芯片原型，必须对整套硬件体系进行创新，包括基础材料工程、电路开发和架构设计。最终，研究人员设计出一款为人工智能处理优化设计的超导芯片，该芯片可以将一个数据中心所需的计算资源压缩到一个鞋盒大小的系统内。

关键观点总结

关键观点1: 超导技术的优势

超导技术提供了降低能源消耗的可能性，因为在传输电流时不消耗能量。它还可以提供几乎零电阻的互连，具有基于极短脉冲的数字逻辑，只需要极少能量。此外，超导技术可以实现惊人的计算密度。

关键观点2: 开发超导处理单元的挑战和创新

研究人员在比利时微电子研究中心致力于开发超导处理单元，采用了自上而下的设计方式，与互补金属氧化物半导体工程师和全栈开发团队合作，确保其可制造性。他们研究了制造工艺、软件架构、逻辑门、逻辑和内存元件的标准单元库，构建了完整的技术。

关键观点3: 超导计算机内部的逻辑实现方式

超导计算机中的逻辑运算是通过操纵约瑟夫森结环路中的微小量子化电压脉冲来实现的。具有单磁通量子持续电流的约瑟夫森结环路表示为逻辑1，而没有电流的环路表示为逻辑0。

关键观点4: 硬件体系的创新

为了将实验室概念变成可制造的芯片原型，必须对整套硬件体系进行创新，包括基础材料工程、电路开发和架构设计。研究人员放弃了实验室常用的超导材料铌，转而使用铌钛氮化物作为基础超导材料，并采用了非晶硅作为约瑟夫森结的“肉”夹层。

关键观点5: 超导技术的未来应用

超导技术可以与量子计算机无缝集成，并支持人工智能和机器学习计算量的增长。此外，它还可以用于建设占地面积很小的数据中心，这些数据中心可以放置在靠近目标应用的地方，而不必位于遥远的、耗电量大的设施中。这种技术对于即时处理数据、优化和改进决策等领域具有巨大的潜力。

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