室溫超導是否可以幫助降低芯片功耗呢？

先簡單介紹下超導體的幾個重要物理效應，

1）零電阻效應

在超導體的臨界溫度以下，其電阻值降為零。銅的電阻率為1.7x10^-8 Oh*m, 雖然其數(shù)值較小，但是在芯片設計中要考慮metal routing的電阻影響，過長的金屬走線會帶來一定的電壓降，可能引起IR drop的問題，使得電路中實際的電源電壓不滿足要求，超導體則不會存在該問題?；诔瑢w的零電阻效應，電流流經超導體時，不會發(fā)生衰減，有望應用于長距離直流傳電和強磁體。

2）邁斯納效應

所謂邁斯納效應(Meissner Effect), 即完全抗磁性，在臨界溫度以下，磁力線無法穿過超導體，如下圖所示。微觀的解釋是，超導體內的庫珀對在表面形成電流，表面電流產生的磁場與外加磁場在超導體內完全抵消。我們在一些視頻中看到的超導體懸浮在磁場的現(xiàn)象，即對應邁斯納效應。磁懸浮列車正是邁斯納效應的一個重要應用。

3）約瑟夫森效應

所謂約瑟夫森效應(Josephson Effect)，是指在超導體-絕緣體-超導體形成的三明治結構中(也稱為約瑟夫森結)，無外加電壓時，電子庫珀對可以通過量子隧穿越過中間的絕緣體，形成超導電流，如下圖所示。當施加直流電壓時，則會產生隨時間變化的交變電流。超導量子計算正是通過基于約瑟夫森效應構建的超導電路來實現(xiàn)。

在一些公眾號文章中，鼓吹室溫超導可以大大降低芯片功耗。我們常說的芯片，其實是半導體芯片的簡稱。而芯片的底層元器件是CMOS晶體管，通過在半導體中進行摻雜，形成P區(qū)和N區(qū)，進而形成不同功能的器件。不同元器件之間通過金屬互聯(lián)，如果使用超導體取代這些金屬互連線，則可以有效降低IR drop的風險。除此之外，室溫超導體無法插足現(xiàn)有的半導體芯片大廈。

對于芯片功耗，可以主要分為以下幾部分，

1）翻轉功耗(switching power)

翻轉功耗，即電路對負載電容充放電所消耗的功率，計算公式為，

2)短路功耗(short-circuit power)

在晶體管翻轉的過程中，對應波形上升沿和下降沿的過程中，會存在P管和N管都處于導通的狀態(tài)，此時電流從VDD流向GND, 產生功耗，如下圖所示。短路功耗和翻轉功耗都屬于動態(tài)功耗(dynamic power)。

3)漏電功耗(leakage power)

漏電功耗，即電路在靜態(tài)時由于一些寄生的漏電引起的功耗，對應晶體管不同摻雜區(qū)域形成PN結通電后的微弱電流流動。CMOS管的漏電主要包括：a)亞閾值漏電流Isub, b)柵極感應漏電流Igidl和Igisl，c)柵極漏電流Igate, d)晶體管反偏電流，如下圖所示。

隨著工藝節(jié)點的提升，相同面積中的晶體管數(shù)目增加，漏電功耗在芯片整體功耗所占的比例越來越高，超過50%，如下圖所示。

對于高速光模塊，功耗大體分為三部分，即DSP、激光器和模擬電路相關。下圖為400G ZR的功耗分解圖，其中DSP幾乎占總功耗的半壁江山，driver和TIA占27%，可調諧激光器占12%。這也是Linear drive概念受到青睞的原因，干掉功耗大戶DSP。400G光模塊的典型功耗是8-10W。

需要注意的是，對于硅光方案，其外部DFB光源的功率都比較大, 典型值為16-18dBm，考慮到DFB激光器本身的轉換效率(wall-plug efficiency)，對應的功耗較大。這也是CPO模塊中光源外置的主要原因之一，可以降低激光器散熱對硅光芯片的影響。對于像Intel的異質集成光源方案，其光功率一般不會太高。

最后再簡單聊一下，如果室溫超導得以實現(xiàn)，量子計算是否會大范圍應用，取代經典計算機？一方面，室溫超導如果實現(xiàn)，整個量子系統(tǒng)不再需要維持在低溫狀態(tài)下，但是仍然需要解決環(huán)境溫度擾動對量子態(tài)的影響。另一方面，室溫超導的實現(xiàn)將帶來量子系統(tǒng)的簡化，量子比特的數(shù)目將得以大幅度增加（IBM目前實現(xiàn)了433個量子比特的量子處理器），量子計算的商業(yè)應用將會大大加速，有望從實驗室真正走向大眾。但是從材料的研發(fā)成功，到應用到計算芯片中，還有很長的路要走，道阻且長，行則將至。

對于芯片從業(yè)人員，沒有必要恐慌，保持關注即可。目前的芯片基礎是半導體，不是超導體。即便室溫超導真的得以實現(xiàn)，半導體芯片依然會是主流，室溫超導中短期不會對芯片行業(yè)產生影響。如何有效降低芯片功耗，才是芯片工程師們更需要關注的問題。