中國耗資10億打造超導計算機，挑戰美國晶元霸主地位
【導讀】中國正在建造一台價值10億元的超導計算機，預計2022年完成。由於超導系統產生的電阻幾乎為零，該系統最小只需傳統計算機能量的1‰，研發超導計算機將大幅降低未來高性能計算所需的能耗。據悉，中國已經開發出新型超導集成電路，但美國日本在技術儲備方面仍然領先。
據《南華早報》，中國正在建造一台價值 10 億元人民幣的 「超導計算機」，這是一台史無前例的機器，能夠用於研發新武器、破解密碼、分析情報，並且——根據官方信息和參與該項目的研究人員的說法——它能夠幫助阻止能源需求的激增。
計算機是高耗電的，而且耗電越來越大。據美國半導體工業協會估計，到 2040 年，全球計算機需要的電力將超過全球的發電量，除非它們的設計方式得到大幅改善。
超導計算機是科學家提出的為減少計算機耗電給環境造成影響的最根本的技術進步之一。
超導計算機這個概念建立在通過超導材料製成的過冷電路發送電流的基礎上。這樣的系統幾乎是零電阻的，至少在理論上是這樣。而且，根據一些研究的估計，它需要的電量只是傳統計算機的很小一部分，從四十分之一到千分之一不等。
重大突破：中國開發出新型超導材料集成電路
中國科學家在將超導技術應用於計算機方面已經取得重大突破。他們在實驗室中開發出了新型的超導材料集成電路，並測試了一種工業工藝，使得以相對低的成本大規模生產複雜的超導晶元成為可能。他們也基本完成了計算機系統的架構設計。
根據中國科學院去年 11 月啟動的一項計劃，目前的目標是最早在 2022 年建成並運行這台機器的原型機，該計劃的預算估計高達 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新型熱核武器、隱形噴氣式飛機和下一代潛艇，這台超導計算機的中央處理器運行頻率為 770 千兆赫（Ghz）或更高。相比之下，現有最快的商用處理器運行頻率只有 5Ghz。
中國科學院院長白春禮表示，超導數字電路和超導計算機將幫助中國在集成電路技術上超越其他國家。攝：Simon Song
據中國超級計算機技術領域的研究人員說，這一進展將使中國企業在全球競爭中佔據上風，使節能的數據中心成為處理人工智慧應用所需大數據的關鍵。
中科院院長白春禮表示，這項技術有助於中國挑戰美國在計算機和晶元領域的主導地位。
「集成電路產業是信息技術產業的核心，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業。」 白春禮今年 5 月在訪問上海微系統與信息技術研究所時說，該研究所是研發超導計算機的主要機構。
「超導數字電路和超導計算機將幫助中國在集成電路技術方面』彎道超車』。」 白春禮說。
但這個項目風險很高。批評人士質疑將如此多的資金和資源投入到尚未實現的理論計算機設計中是否明智，因為其他國家的類似嘗試都以失敗告終。
質疑：製作超導計算機，高風險，高回報
超導現象是一個多世紀前物理學家發現的。第二次世界大戰後，美國、前蘇聯、日本和一些歐洲國家試圖建造大規模的低電阻低溫冷卻電路。在美國，由於這項技術在軍事和情報方面具有潛在應用，得到了美國政府情報機構、國家安全局（NSA）和國防部的支持。
但是，像鈮這類的超導材料的物理性質並不如傳統計算機中使用的硅那樣為人所了解。
結果，超導晶元的製造被證明是非常有挑戰性的，而在低溫下（有時接近絕對零度或零下 273 攝氏度）精確控制信息系統是一個非常困難的問題。雖然一些研究機構製造出了原型機，但沒有一台可以實現大規模生產。
與此同時，基於硅的計算機速度越來越快，效率越來越高，其迅速發展為超導計算機的研發提高了標準。
位於瑞士聯邦理工學院的 IBM 的 Blue Gene Q 超級計算機。來源：Reuters
但是，硅晶元的發展似乎已經見頂，例如，高端的英特爾酷睿 i7 晶元已經在普通計算機上使用了近十年。
隨著超級計算機變得越來越強大，它們的功耗也越來越大。如今最快的計算機——美國的 Summit 超算和中國的神威 · 太湖之光——都需要 30 兆瓦的電力才能滿負荷運轉，比洛杉磯級攻擊型核潛艇產生的電力還要多。而它們的後繼者，百億億次超級計算機（E級超算），能夠達到 1000 petaflops，或每秒執行 100 億億次浮點運算。這類超算很可能需要一個獨立的發電站。
熟悉這個項目的計算機體系結構國家重點實驗室常務副主任李曉維表示，建造超導計算機的主要動機是降低未來高性能計算機的能耗。
李曉維說：「它將是一台通用的計算機，能夠運行各種演算法…… 從文本處理到尋找大素數」，後者是破譯加密信息的一種重要方法。
李曉維沒有透露這台正在建造中的機器的技術細節，但他確認它不是量子計算機。
「它是構建並運行在經典架構上的，」 李曉維說。
量子計算機不使用值為 1 或 0 的位元（bits）編碼信息，而是使用量子比特（qubits）。量子比特更像是開關，它可以同時是 1 和 0。大多數類型的量子計算機也需要在極其低溫的環境下運行。
量子計算機被認為比經典的超導計算機更快，但可能僅限於特定的工作。但是，許多技術可以共享，可以從一個平台轉移到另一個平台。
中美競爭激烈，中國正在接近超導目標
中國並不是這場競賽的唯一參賽者。
美國國家安全局在 2014 年啟動了一個類似的項目。美國國家情報總監辦公室下的低溫計算複雜性項目（Cryogenic Computing Complexity programme）已經與 IBM、Raytheon-BBN 和 Northrop Grumman 公司的研究團隊簽訂合同，合作建造一台超導計算機。
「基於互補金屬氧化物半導體技術的現有超級計算機的功耗、空間和冷卻要求都變得難以應付，」 該項目經理 Marc Manheimer 在一份聲明中說。
「基於與新型低溫存儲器集成的超導邏輯的計算機將允許現有計算設備算力大增，同時保持在空間和能源預算範圍之內，並且可能使超級計算機的發展超出 E 級。」
在該項目的初始階段，研究人員將開發內存和邏輯子系統的關鍵組件，並設計原型計算機。美國國家安全局表示，他們的目標是在將來擴大規模，將這些組件集成到一台可以工作的計算機中，並使用一套標準的基準測試程序測試其性能。
圖：超導計算機可以應用于軍事。圖：新華社
美國這個項目的截止日期和預算都未公布。
回到中國，總部位於深圳的芯歷電子公司（Xlichip）周二證實，該公司已獲得一份合同，為中科院計算技術研究所的超導計算機項目提供測試硬體。
「客戶有一些特殊要求，但我們有信心拿出產品，」 該公司一位發言人說，但沒有詳細說明。
中國科學院半導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，硬體是一個現場可編程門陣列（FPGA），這種可重構晶元可用於模擬和測試大型複雜集成電路的設計。
「[FPGA 測試階段] 的整體設計已接近完成，」 他說。
有跡象表明，中國正在接近其超導目標。
根據中國科學院網站的介紹，去年，中國研究人員實現了擁有 10000 個超導結（superconducting junctions）的計算機晶元的大規模生產。相比之下，美國石溪大學（Stony Brook University）和麻省理工學院（MIT）的一個聯合研究小組造出了有超過80 萬個超導結的晶元。但是到目前為止，報道的大多數製造工作都是在實驗室中少量進行的，而不是能夠工業化生產的規模。
中科院物理研究所超導國家重點實驗室超導薄膜及器件研究組的負責人鄭東寧表示，如果 10000 個超導結的晶元可以大規模生產，並且缺陷率很低，那麼它們可以用作超導計算機構建的基礎。
「2022年實現可能有些匆忙」
鄭東傑表示，中國發展新技術的決心愈加增強。許多中國公司都依賴於美國的計算晶元，這可能使公司陷入困境。
但他說，中國不應全盤指望超導計算機技術來挑戰美國的主導地位。美國和日本等其他國家在這一領域的投資比中國早了許多年，儘管它們的投資規模較小，但它們在知識和經驗積累方面具有很大優勢。
「10 億元人民幣是很大一筆錢，但它無法解決所有剩下的問題。無論投資多麼密集，一些技術問題還是可能需要好幾年的時間才能找到解決方案。」 鄭東傑說。
「2022 年實現可能有些匆忙。」
超導技術的支持者認為，超導技術需要的能量只是現有計算機的一小部分。圖：Alamy
中國科學技術發展戰略研究院研究員魏東元表示，中國應提高該項目的透明度，並向公眾提供有關其應用的更多信息。
「它可以用於天氣預報，也可以用於模擬新型核武器的爆炸。一大挑戰是開發一個新的操作系統。軟體開發一直是中國的軟肋。」
上海交通大學超級計算機科學家陳全表示，在有關下一代高性能計算機開發的學術討論中，超導技術經常被提及。
他說，中國正在建造不止一台 E 級超算，並且「其中一台可能是超導計算機」。
什麼是超導計算機？
高速計算機要求集成電路晶元上的元件和連線密集排列，由於密集排列的電路在工作時會產生大量熱量，所以散熱問題成為超大規模集成電路中的一個難題。
超導計算機中，超大規模集成電路的連線用接近零電阻的超導材料製作，便可克服散熱問題，計算機的運算速度也將大幅度提高。所謂超導，是指有些物質在接近絕對零度（-273.15°C）時，電流流動時電阻消失了。
製造超導計算機要用約瑟夫森器件。
約瑟夫森提出的超導隧道效應原理是這樣的：由超導體絕緣體-超導體組成的器件，當兩端加電壓時，電子便會像通過隧道一樣暢通無阻地從絕緣介質量穿過去，形成微小電流，而這器件兩端是無電壓降的。這種器件被稱為約瑟夫森器件。
用約瑟夫森器件製成的計算機，稱為約瑟夫森計算機，也就是超導計算機。這種計算機與其他計算機相比具有很多優點，比如說耗電低，速度快等。所以國外許多公司和機構競相研究這種計算機。
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