曾被放弃的超导芯片，会是突破物理极限的希望吗？

本文来自微信公众号：世界科学 （ID：World-Science），编译：希区客，原文标题：《“计算机图形学之父”预测新的芯片制造技术会是怎样的》，题图来自：视觉中国

Sketchpad，别名“机器人绘图员”，一款诞生于20世纪60年代的革命性软件系统，被视作CAD（计算机辅助设计）的始祖，也是交互式计算机图形学的里程碑，其创制者伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）则被誉为“计算机图形学之父”。

到20世纪70年代，苏泽兰推动计算机行业创建了一种具备数十万个电路的微芯片——如今成为了半导体行业的基石。

今年84岁的他认为，美国在关键时刻没有筹谋新的、可助其重夺最先进计算机制造领先地位的芯片技术。

新的芯片制造技术会是怎样的？根据苏泽兰的说法，过冷电子电路能在无电阻情况下切换，从而在更高速度下不产生过多热量，计算机设计师可借此绕过最大的技术障碍，得到更快的机器。

苏泽兰还与一位同事撰文写道：“最能够抓住超导数字电路（superconducting digital circuit）这一机遇的国家，将在未来几十年拥有计算优势。”

苏泽兰博士创建的Sketchpad

1970年代，时任加州理工学院计算机科学系主任的苏泽兰与其兄长、后来成为施乐帕罗奥多研究中心研究经理的伯特·苏泽兰（Bert Sutherland），一起向物理学家卡弗·米德（Carver Mead）介绍了计算机科学家林恩·康威（Lynn Conway）。

这四人组开创了一种基于CMOS晶体管的新设计。CMOS全称“互补金属氧化物半导体”（complementary metal-oxide semiconductor），是一种场效应晶体管制造工艺，诞生于20世纪60年代。它的出现使生产个人电脑、视频游戏以及各种商业、消费和军事产品所需的微芯片成为可能。

而苏泽兰如今的观点是，一种比CMOS更早出现的替代技术，曾经并不成功甚至问题百出的技术，似乎值得我们重新审视。

被放弃的超导芯片重启新航向

超导电子技术，由麻省理工学院（MIT）于1950年代率先提出，到1970年代成为IBM的追求目标，之后却又被人们放弃了。

1987年，苏联最后一任领导人米哈伊尔·戈尔巴乔夫（Mikhail Gorbachev）在《真理报》上读到一篇文章。文章介绍了日本微电子巨头富士通（Fujitsu）在低温计算方面取得的惊人进步。

戈尔巴乔夫对此很感兴趣。苏联难道不能在这一领域做得出类拔萃吗？他想听听专业人士的意见。

于是，向苏联政治局作五分钟简报的任务落到了莫斯科国立大学年轻的物理学副教授康斯坦丁·利哈列夫（Konstantin Likharev）身上。

一份由麻省理工学院林肯实验室制作、苏泽兰博士在家中打印输出的电路

但当利哈列夫博士读到《真理报》文章时，他意识到文章作者误读了新闻，也错误地将富士通超导存储芯片的运行速度夸大了5个数量级。

利哈列夫解释了文章错误，不过也指出该领域仍有希望。之后，他的小型实验室获得数百万美元的科研资助，从而有能力建立一个小型研究团队，并最终在柏林墙倒塌后搬迁到美国。

利哈列夫后进入纽约石溪大学任职，并帮助创办了Hypres——至今仍在的一家数字超导体公司。

超导芯片的故事看起来早已结束。但正如苏泽兰所言，这项难以捉摸的技术有望再获动力，开辟新路，因为现代芯片制造成本非常巨大——要知道新建一座半导体工厂需耗资100亿至200亿美元，且最多5年方可完工。

苏泽兰认为，美国不应推动效率越来越低、成本越来越高的技术，而要培训能够另辟蹊径的新一代年轻工程师。

6G芯片和超导处理器

基于超导体的计算系统，开关和电线电阻降至零的计算系统，有望解决日益困扰数据中心的冷却难题。

目前，CMOS芯片制造由中国台湾和韩国的企业主导。美国正计划从近1万亿美元的私人和公共资金中拿出1/3，尽力重建自己的芯片产业并重新获得全球主导地位。

包括苏泽兰在内的很多专业人士都认为CMOS制造正触及基本极限，更进一步的代价会大到不可接受。

可以这么说，我们将不得不从根本上改变设计计算机的方式，因为我们正在接近当前硅基技术所能达到的极限。

随着晶体管尺寸缩小至仅有数千甚至数百个原子大小，半导体行业也越发受制于各类技术瓶颈。

苏泽兰持有的60年代世界最强大计算机TX-2的数千个模块之一

另一方面，目前在用的微处理器芯片存在“自熔”的难题：

如果同时使用芯片上全部数十亿个晶体管，它们产生的热量足以熔化芯片。因此，只会有一部分晶体管在任何时候都处于工作状态——这大大限制了芯片效率。

苏泽兰表示，出于国家安全原因，美国应考虑替代技术。超导计算技术的优势可能首先会在竞争激烈的蜂窝基站市场中发挥作用。

蜂窝基站是信号塔内处理无线信号的专用计算机。中国已成为当前5G技术市场的主导力量，而下一代6G芯片将受益于超导处理器的极速和低功耗要求。

模仿人类大脑的计算机？

Alphabet董事长、曾经的斯坦福大学校长约翰·L·亨尼西（John L. Hennessy）表示：“只有两种方法可以解决难题。要么，通过新设计提高芯片效率，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制约的新技术。”

能否创造出模仿人类大脑的计算机呢？这将会是低功耗计算效率的奇迹。

超导公司Hypres的首席技术官埃利·特拉克（Elie Track）表示：“使用超导技术创建类似人脑的东西确实极具潜力。与仍处于早期实验阶段的量子计算技术相比，这是现阶段可以做到的事情。但很遗憾，尚无资助机构关注它。”

超导计算的时代可能还没有到来，部分原因在于，每当CMOS世界似乎要遇到足以终结它的挑战时，聪明的工程师却先一步解决了问题。

2019年，由马克斯·舒拉克（Max Shulaker）领导的MIT团队宣布，他们已经用碳纳米管构建了一个微处理器，其能效有望达到当前硅芯片的10倍。舒拉克正与半导体制造商亚德诺（Analog Devices）合作，将该技术的混合版本商业化。

不过随着硅接近原子极限，超导版本的替代方法无疑充满竞争力。斯坦福计算机科学家马克·霍洛维茨（Mark Horowitz）表示，受苏泽兰博士喜爱的超导电子技术不应当被低估。

“改变历史进程的人总会有点疯狂，但你知道，他们往往是正确的。”

资料来源：A Tech Industry Pioneer Sees a Way for the U.S. to Lead in Advanced Chips

本文来自微信公众号：世界科学 （ID：World-Science），编译：希区客