中国正在建造一台价值10亿元的超导计算机,预计2022年完成。由于超导系统产生的电阻几乎为零,该系统最小只需传统计算机能量的1‰,研发超导计算机将大幅降低未来高性能计算所需的能耗。据悉,中国已经开发出新型超导集成电路,但美国日本在技术储备方面仍然领先。

据《南华早报》,中国正在建造一台价值 10 亿元人民币的 “超导计算机”,这是一台史无前例的机器,能够用于研发新武器、破解密码、分析情报,并且——根据官方信息和参与该项目的研究人员的说法——它能够帮助阻止能源需求的激增。

计算机是高耗电的,而且耗电越来越大。据美国半导体工业协会估计,到 2040 年,全球计算机需要的电力将超过全球的发电量,除非它们的设计方式得到大幅改善。

超导计算机是科学家提出的为减少计算机耗电给环境造成影响的最根本的技术进步之一

超导计算机这个概念建立在通过超导材料制成的过冷电路发送电流的基础上。这样的系统几乎是零电阻的,至少在理论上是这样。而且,根据一些研究的估计,它需要的电量只是传统计算机的很小一部分,从四十分之一到千分之一不等。

重大突破:中国开发出新型超导材料集成电路

中国科学家在将超导技术应用于计算机方面已经取得重大突破。他们在实验室中开发出了新型的超导材料集成电路,并测试了一种工业工艺,使得以相对低的成本大规模生产复杂的超导芯片成为可能。他们也基本完成了计算机系统的架构设计。

根据中国科学院去年 11 月启动的一项计划,目前的目标是最早在 2022 年建成并运行这台机器的原型机,该计划的预算估计高达 10 亿元人民币。

如果这些努力取得成功,将能够帮助加快研发新型热核武器、隐形喷气式飞机和下一代潜艇,这台超导计算机的中央处理器运行频率为 770 千兆赫(Ghz)或更高。相比之下,现有最快的商用处理器运行频率只有 5Ghz。

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中国科学院院长白春礼表示,超导数字电路和超导计算机将帮助中国在集成电路技术上超越其他国家。摄:Simon Song

据中国超级计算机技术领域的研究人员说,这一进展将使中国企业在全球竞争中占据上风,使节能的数据中心成为处理人工智能应用所需大数据的关键。

中科院院长白春礼表示,这项技术有助于中国挑战美国在计算机和芯片领域的主导地位

“集成电路产业是信息技术产业的核心,是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。” 白春礼今年 5 月在访问上海微系统与信息技术研究所时说,该研究所是研发超导计算机的主要机构。

“超导数字电路和超导计算机将帮助中国在集成电路技术方面’弯道超车’。” 白春礼说。

但这个项目风险很高。批评人士质疑将如此多的资金和资源投入到尚未实现的理论计算机设计中是否明智,因为其他国家的类似尝试都以失败告终。

质疑:制作超导计算机,高风险,高回报

超导现象是一个多世纪前物理学家发现的。第二次世界大战后,美国、前苏联、日本和一些欧洲国家试图建造大规模的低电阻低温冷却电路。在美国,由于这项技术在军事和情报方面具有潜在应用,得到了美国政府情报机构、国家安全局(NSA)和国防部的支持。

但是,像铌这类的超导材料的物理性质并不如传统计算机中使用的硅那样为人所了解。

结果,超导芯片的制造被证明是非常有挑战性的,而在低温下(有时接近绝对零度或零下 273 摄氏度)精确控制信息系统是一个非常困难的问题。虽然一些研究机构制造出了原型机,但没有一台可以实现大规模生产。

与此同时,基于硅的计算机速度越来越快,效率越来越高,其迅速发展为超导计算机的研发提高了标准。

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位于瑞士联邦理工学院的 IBM 的 Blue Gene Q 超级计算机。来源:Reuters

但是,硅芯片的发展似乎已经见顶,例如,高端的英特尔酷睿 i7 芯片已经在普通计算机上使用了近十年。

随着超级计算机变得越来越强大,它们的功耗也越来越大。如今最快的计算机——美国的 Summit 超算和中国的神威 · 太湖之光——都需要 30 兆瓦的电力才能满负荷运转,比洛杉矶级攻击型核潜艇产生的电力还要多。而它们的后继者,百亿亿次超级计算机(E级超算),能够达到 1000 petaflops,或每秒执行 100 亿亿次浮点运算。这类超算很可能需要一个独立的发电站。

熟悉这个项目的计算机体系结构国家重点实验室常务副主任李晓维表示,建造超导计算机的主要动机是降低未来高性能计算机的能耗

李晓维说:“它将是一台通用的计算机,能够运行各种算法…… 从文本处理到寻找大素数”,后者是破译加密信息的一种重要方法。

李晓维没有透露这台正在建造中的机器的技术细节,但他确认它不是量子计算机。

“它是构建并运行在经典架构上的,” 李晓维说。

量子计算机不使用值为 1 或 0 的位元(bits)编码信息,而是使用量子比特(qubits)。量子比特更像是开关,它可以同时是 1 和 0。大多数类型的量子计算机也需要在极其低温的环境下运行。

量子计算机被认为比经典的超导计算机更快,但可能仅限于特定的工作。但是,许多技术可以共享,可以从一个平台转移到另一个平台。

中美竞争激烈,中国正在接近超导目标

中国并不是这场竞赛的唯一参赛者。

美国国家安全局在 2014 年启动了一个类似的项目。美国国家情报总监办公室下的低温计算复杂性项目(Cryogenic Computing Complexity programme)已经与 IBM、Raytheon-BBN 和 Northrop Grumman 公司的研究团队签订合同,合作建造一台超导计算机。

“基于互补金属氧化物半导体技术的现有超级计算机的功耗、空间和冷却要求都变得难以应付,” 该项目经理 Marc Manheimer 在一份声明中说。

“基于与新型低温存储器集成的超导逻辑的计算机将允许现有计算设备算力大增,同时保持在空间和能源预算范围之内,并且可能使超级计算机的发展超出 E 级。”

在该项目的初始阶段,研究人员将开发内存和逻辑子系统的关键组件,并设计原型计算机。美国国家安全局表示,他们的目标是在将来扩大规模,将这些组件集成到一台可以工作的计算机中,并使用一套标准的基准测试程序测试其性能。

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图:超导计算机可以应用于军事。图:新华社

美国这个项目的截止日期和预算都未公布。

回到中国,总部位于深圳的芯历电子公司(Xlichip)周二证实,该公司已获得一份合同,为中科院计算技术研究所的超导计算机项目提供测试硬件。

“客户有一些特殊要求,但我们有信心拿出产品,” 该公司一位发言人说,但没有详细说明。

中国科学院半导体研究所研究员樊中朝作为专家小组成员审查了这份合同,他说,硬件是一个现场可编程门阵列(FPGA),这种可重构芯片可用于模拟和测试大型复杂集成电路的设计。

“[FPGA 测试阶段] 的整体设计已接近完成,” 他说。

有迹象表明,中国正在接近其超导目标。

根据中国科学院网站的介绍,去年,中国研究人员实现了拥有 10000 个超导结(superconducting junctions)的计算机芯片的大规模生产。相比之下,美国石溪大学(Stony Brook University)和麻省理工学院(MIT)的一个联合研究小组造出了有超过80 万个超导结的芯片。但是到目前为止,报道的大多数制造工作都是在实验室中少量进行的,而不是能够工业化生产的规模。

中科院物理研究所超导国家重点实验室超导薄膜及器件研究组的负责人郑东宁表示,如果 10000 个超导结的芯片可以大规模生产,并且缺陷率很低,那么它们可以用作超导计算机构建的基础。

“2022年实现可能有些匆忙”

郑东杰表示,中国发展新技术的决心愈加增强。许多中国公司都依赖于美国的计算芯片,这可能使公司陷入困境。

但他说,中国不应全盘指望超导计算机技术来挑战美国的主导地位。美国和日本等其他国家在这一领域的投资比中国早了许多年,尽管它们的投资规模较小,但它们在知识和经验积累方面具有很大优势。

“10 亿元人民币是很大一笔钱,但它无法解决所有剩下的问题。无论投资多么密集,一些技术问题还是可能需要好几年的时间才能找到解决方案。” 郑东杰说。

“2022 年实现可能有些匆忙。”

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超导技术的支持者认为,超导技术需要的能量只是现有计算机的一小部分。图:Alamy

中国科学技术发展战略研究院研究员魏东元表示,中国应提高该项目的透明度,并向公众提供有关其应用的更多信息。

“它可以用于天气预报,也可以用于模拟新型核武器的爆炸。一大挑战是开发一个新的操作系统。软件开发一直是中国的软肋。”

上海交通大学超级计算机科学家陈全表示,在有关下一代高性能计算机开发的学术讨论中,超导技术经常被提及。

他说,中国正在建造不止一台 E 级超算,并且“其中一台可能是超导计算机”。

什么是超导计算机?

高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连线密集排列,由于密集排列的电路在工作时会产生大量热量,所以散热问题成为超大规模集成电路中的一个难题。

超导计算机中,超大规模集成电路的连线用接近零电阻的超导材料制作,便可克服散热问题,计算机的运算速度也将大幅度提高。所谓超导,是指有些物质在接近绝对零度(-273.15°C)时,电流流动时电阻消失了。

制造超导计算机要用约瑟夫森器件。

约瑟夫森提出的超导隧道效应原理是这样的:由超导体绝缘体-超导体组成的器件,当两端加电压时,电子便会像通过隧道一样畅通无阻地从绝缘介质量穿过去,形成微小电流,而这器件两端是无电压降的。这种器件被称为约瑟夫森器件。

用约瑟夫森器件制成的计算机,称为约瑟夫森计算机,也就是超导计算机。这种计算机与其他计算机相比具有很多优点,比如说耗电低,速度快等。所以国外许多公司和机构竞相研究这种计算机。

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