中國(guó)耗資10億打造超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，挑戰(zhàn)美國(guó)芯片霸主地位

據(jù)《南華早報(bào)》，中國(guó)正在建造一臺(tái)價(jià)值 10 億元人民幣的 “超導(dǎo)計(jì)算機(jī)”，這是一臺(tái)史無(wú)前例的機(jī)器，能夠用于研發(fā)新武器、破解密碼、分析情報(bào)，并且——根據(jù)官方信息和參與該項(xiàng)目的研究人員的說(shuō)法——它能夠幫助阻止能源需求的激增。

計(jì)算機(jī)是高耗電的，而且耗電越來(lái)越大。據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)，到 2040 年，全球計(jì)算機(jī)需要的電力將超過(guò)全球的發(fā)電量，除非它們的設(shè)計(jì)方式得到大幅改善。

超導(dǎo)計(jì)算機(jī)是科學(xué)家提出的為減少計(jì)算機(jī)耗電給環(huán)境造成影響的最根本的技術(shù)進(jìn)步之一。

超導(dǎo)計(jì)算機(jī)這個(gè)概念建立在通過(guò)超導(dǎo)材料制成的過(guò)冷電路發(fā)送電流的基礎(chǔ)上。這樣的系統(tǒng)幾乎是零電阻的，至少在理論上是這樣。而且，根據(jù)一些研究的估計(jì)，它需要的電量只是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的很小一部分，從四十分之一到千分之一不等。

重大突破：中國(guó)開(kāi)發(fā)出新型超導(dǎo)材料集成電路

中國(guó)科學(xué)家在將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)方面已經(jīng)取得重大突破。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)出了新型的超導(dǎo)材料集成電路，并測(cè)試了一種工業(yè)工藝，使得以相對(duì)低的成本大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)雜的超導(dǎo)芯片成為可能。他們也基本完成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院去年 11 月啟動(dòng)的一項(xiàng)計(jì)劃，目前的目標(biāo)是最早在 2022 年建成并運(yùn)行這臺(tái)機(jī)器的原型機(jī)，該計(jì)劃的預(yù)算估計(jì)高達(dá) 10 億元人民幣。

如果這些努力取得成功，將能夠幫助加快研發(fā)新型熱核武器、隱形噴氣式飛機(jī)和下一代潛艇，這臺(tái)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的中央處理器運(yùn)行頻率為 770 千兆赫（Ghz）或更高。相比之下，現(xiàn)有最快的商用處理器運(yùn)行頻率只有 5Ghz。

據(jù)中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的研究人員說(shuō)，這一進(jìn)展將使中國(guó)企業(yè)在全球競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)上風(fēng)，使節(jié)能的數(shù)據(jù)中心成為處理人工智能應(yīng)用所需大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

圖1：中科院院長(zhǎng)白春禮表示，超導(dǎo)數(shù)字電路和超導(dǎo)計(jì)算機(jī)將幫助中國(guó)在集成電路技術(shù)上超越其他國(guó)家。

中科院院長(zhǎng)白春禮表示，這項(xiàng)技術(shù)有助于中國(guó)挑戰(zhàn)美國(guó)在計(jì)算機(jī)和芯片領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

“集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)?！?白春禮今年 5 月在訪問(wèn)上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所時(shí)說(shuō)，該研究所是研發(fā)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的主要機(jī)構(gòu)。

“超導(dǎo)數(shù)字電路和超導(dǎo)計(jì)算機(jī)將幫助中國(guó)在集成電路技術(shù)方面’彎道超車’。” 白春禮說(shuō)。

但這個(gè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)很高。批評(píng)人士質(zhì)疑將如此多的資金和資源投入到尚未實(shí)現(xiàn)的理論計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中是否明智，因?yàn)槠渌麌?guó)家的類似嘗試都以失敗告終。

質(zhì)疑：制作超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，高風(fēng)險(xiǎn)，高回報(bào)

超導(dǎo)現(xiàn)象是一個(gè)多世紀(jì)前物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的。第二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本和一些歐洲國(guó)家試圖建造大規(guī)模的低電阻低溫冷卻電路。在美國(guó)，由于這項(xiàng)技術(shù)在軍事和情報(bào)方面具有潛在應(yīng)用，得到了美國(guó)政府情報(bào)機(jī)構(gòu)、國(guó)家安全局（NSA）和國(guó)防部的支持。

但是，像鈮這類的超導(dǎo)材料的物理性質(zhì)并不如傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中使用的硅那樣為人所了解。

結(jié)果，超導(dǎo)芯片的制造被證明是非常有挑戰(zhàn)性的，而在低溫下（有時(shí)接近絕對(duì)零度或零下 273 攝氏度）精確控制信息系統(tǒng)是一個(gè)非常困難的問(wèn)題。雖然一些研究機(jī)構(gòu)制造出了原型機(jī)，但沒(méi)有一臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

與此同時(shí)，基于硅的計(jì)算機(jī)速度越來(lái)越快，效率越來(lái)越高，其迅速發(fā)展為超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的研發(fā)提高了標(biāo)準(zhǔn)。

但是，硅芯片的發(fā)展似乎已經(jīng)見(jiàn)頂，例如，高端的英特爾酷睿 i7 芯片已經(jīng)在普通計(jì)算機(jī)上使用了近十年。

隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)變得越來(lái)越強(qiáng)大，它們的功耗也越來(lái)越大。如今最快的計(jì)算機(jī)——美國(guó)的 Summit 超算和中國(guó)的神威 · 太湖之光——都需要 30 兆瓦的電力才能滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，比洛杉磯級(jí)攻擊型核潛艇產(chǎn)生的電力還要多。而它們的后繼者，百億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)（E級(jí)超算），能夠達(dá)到 1000 petaflops，或每秒執(zhí)行 100 億億次浮點(diǎn)運(yùn)算。這類超算很可能需要一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電站。

熟悉這個(gè)項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任李曉維表示，建造超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的主要?jiǎng)訖C(jī)是降低未來(lái)高性能計(jì)算機(jī)的能耗。

李曉維說(shuō)：“它將是一臺(tái)通用的計(jì)算機(jī)，能夠運(yùn)行各種算法…… 從文本處理到尋找大素?cái)?shù)”，后者是破譯加密信息的一種重要方法。

李曉維沒(méi)有透露這臺(tái)正在建造中的機(jī)器的技術(shù)細(xì)節(jié)，但他確認(rèn)它不是量子計(jì)算機(jī)。

“它是構(gòu)建并運(yùn)行在經(jīng)典架構(gòu)上的，” 李曉維說(shuō)。

量子計(jì)算機(jī)不使用值為 1 或 0 的位元（bits）編碼信息，而是使用量子比特（qubits）。量子比特更像是開(kāi)關(guān)，它可以同時(shí)是 1 和 0。大多數(shù)類型的量子計(jì)算機(jī)也需要在極其低溫的環(huán)境下運(yùn)行。

量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為比經(jīng)典的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)更快，但可能僅限于特定的工作。但是，許多技術(shù)可以共享，可以從一個(gè)平臺(tái)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)平臺(tái)。

中美競(jìng)爭(zhēng)激烈，中國(guó)正在接近超導(dǎo)目標(biāo)

中國(guó)并不是這場(chǎng)競(jìng)賽的唯一參賽者。

美國(guó)國(guó)家安全局在 2014 年啟動(dòng)了一個(gè)類似的項(xiàng)目。美國(guó)國(guó)家情報(bào)總監(jiān)辦公室下的低溫計(jì)算復(fù)雜性項(xiàng)目（Cryogenic Computing Complexity programme）已經(jīng)與 IBM、Raytheon-BBN 和 Northrop Grumman 公司的研究團(tuán)隊(duì)簽訂合同，合作建造一臺(tái)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。

“基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)的現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)的功耗、空間和冷卻要求都變得難以應(yīng)付，” 該項(xiàng)目經(jīng)理 Marc Manheimer 在一份聲明中說(shuō)。

“基于與新型低溫存儲(chǔ)器集成的超導(dǎo)邏輯的計(jì)算機(jī)將允許現(xiàn)有計(jì)算設(shè)備算力大增，同時(shí)保持在空間和能源預(yù)算范圍之內(nèi)，并且可能使超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展超出 E 級(jí)?！?/p>

在該項(xiàng)目的初始階段，研究人員將開(kāi)發(fā)內(nèi)存和邏輯子系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，并設(shè)計(jì)原型計(jì)算機(jī)。美國(guó)國(guó)家安全局表示，他們的目標(biāo)是在將來(lái)擴(kuò)大規(guī)模，將這些組件集成到一臺(tái)可以工作的計(jì)算機(jī)中，并使用一套標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)測(cè)試程序測(cè)試其性能。

美國(guó)這個(gè)項(xiàng)目的截止日期和預(yù)算都未公布。

回到中國(guó)，總部位于深圳的芯歷電子公司（Xlichip）周二證實(shí)，該公司已獲得一份合同，為中科院計(jì)算技術(shù)研究所的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)項(xiàng)目提供測(cè)試硬件。

“客戶有一些特殊要求，但我們有信心拿出產(chǎn)品，” 該公司一位發(fā)言人說(shuō)，但沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明。

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員樊中朝作為專家小組成員審查了這份合同，他說(shuō)，硬件是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），這種可重構(gòu)芯片可用于模擬和測(cè)試大型復(fù)雜集成電路的設(shè)計(jì)。

“［FPGA 測(cè)試階段］ 的整體設(shè)計(jì)已接近完成，” 他說(shuō)。

有跡象表明，中國(guó)正在接近其超導(dǎo)目標(biāo)。

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)站的介紹，去年，中國(guó)研究人員實(shí)現(xiàn)了擁有 10000 個(gè)超導(dǎo)結(jié)（superconducting junctions）的計(jì)算機(jī)芯片的大規(guī)模生產(chǎn)。相比之下，美國(guó)石溪大學(xué)（Stony Brook University）和麻省理工學(xué)院（MIT）的一個(gè)聯(lián)合研究小組造出了有超過(guò)80 萬(wàn)個(gè)超導(dǎo)結(jié)的芯片。但是到目前為止，報(bào)道的大多數(shù)制造工作都是在實(shí)驗(yàn)室中少量進(jìn)行的，而不是能夠工業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)模。

中科院物理研究所超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超導(dǎo)薄膜及器件研究組的負(fù)責(zé)人鄭東寧表示，如果 10000 個(gè)超導(dǎo)結(jié)的芯片可以大規(guī)模生產(chǎn)，并且缺陷率很低，那么它們可以用作超導(dǎo)計(jì)算機(jī)構(gòu)建的基礎(chǔ)。

“2022年實(shí)現(xiàn)可能有些匆忙”

鄭東杰表示，中國(guó)發(fā)展新技術(shù)的決心愈加增強(qiáng)。許多中國(guó)公司都依賴于美國(guó)的計(jì)算芯片，這可能使公司陷入困境。

但他說(shuō)，中國(guó)不應(yīng)全盤指望超導(dǎo)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)挑戰(zhàn)美國(guó)的主導(dǎo)地位。美國(guó)和日本等其他國(guó)家在這一領(lǐng)域的投資比中國(guó)早了許多年，盡管它們的投資規(guī)模較小，但它們?cè)谥R(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

“10 億元人民幣是很大一筆錢，但它無(wú)法解決所有剩下的問(wèn)題。無(wú)論投資多么密集，一些技術(shù)問(wèn)題還是可能需要好幾年的時(shí)間才能找到解決方案。” 鄭東杰說(shuō)。

“2022 年實(shí)現(xiàn)可能有些匆忙?！?/p>

中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院研究員魏東元表示，中國(guó)應(yīng)提高該項(xiàng)目的透明度，并向公眾提供有關(guān)其應(yīng)用的更多信息。

“它可以用于天氣預(yù)報(bào)，也可以用于模擬新型核武器的爆炸。一大挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)一個(gè)新的操作系統(tǒng)。軟件開(kāi)發(fā)一直是中國(guó)的軟肋?！?/p>

上海交通大學(xué)超級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)家陳全表示，在有關(guān)下一代高性能計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的學(xué)術(shù)討論中，超導(dǎo)技術(shù)經(jīng)常被提及。

他說(shuō)，中國(guó)正在建造不止一臺(tái) E 級(jí)超算，并且“其中一臺(tái)可能是超導(dǎo)計(jì)算機(jī)”。

什么是超導(dǎo)計(jì)算機(jī)？

高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連線密集排列，由于密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以散熱問(wèn)題成為超大規(guī)模集成電路中的一個(gè)難題。

超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中，超大規(guī)模集成電路的連線用接近零電阻的超導(dǎo)材料制作，便可克服散熱問(wèn)題，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度也將大幅度提高。所謂超導(dǎo)，是指有些物質(zhì)在接近絕對(duì)零度（-273.15°C）時(shí)，電流流動(dòng)時(shí)電阻消失了。

超導(dǎo)技術(shù)的支持者認(rèn)為，超導(dǎo)技術(shù)需要的能量只是現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的一小部分。圖：Alamy

制造超導(dǎo)計(jì)算機(jī)要用約瑟夫森器件。

約瑟夫森提出的超導(dǎo)隧道效應(yīng)原理是這樣的：由超導(dǎo)體絕緣體-超導(dǎo)體組成的器件，當(dāng)兩端加電壓時(shí)，電子便會(huì)像通過(guò)隧道一樣暢通無(wú)阻地從絕緣介質(zhì)量穿過(guò)去，形成微小電流，而這器件兩端是無(wú)電壓降的。這種器件被稱為約瑟夫森器件。

用約瑟夫森器件制成的計(jì)算機(jī)，稱為約瑟夫森計(jì)算機(jī)，也就是超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)與其他計(jì)算機(jī)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)耗電低，速度快等。所以國(guó)外許多公司和機(jī)構(gòu)競(jìng)相研究這種計(jì)算機(jī)。