超導(dǎo)，對(duì)半導(dǎo)體意味著什么？

　　最近，隨著韓國(guó)團(tuán)隊(duì)公布據(jù)稱具有常溫超導(dǎo)潛力的LK-99材料以及其制備方法后，在全世界的科研界掀起了一陣旋風(fēng)，各個(gè)團(tuán)隊(duì)都試圖從實(shí)驗(yàn)和理論角度證實(shí)(或者證偽)LK-99的常溫超導(dǎo)特性。

　　LK-99成為全球科研界關(guān)注焦點(diǎn)的主要原因在于常溫超導(dǎo)如果真的實(shí)現(xiàn)，將會(huì)使得超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)門檻大大降低，從而讓諸多基于超導(dǎo)的應(yīng)用得到廣泛應(yīng)用。而在這些基于超導(dǎo)的應(yīng)用中，和半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)系*的，可謂就是量子計(jì)算機(jī)了。

　　量子計(jì)算機(jī)和常規(guī)計(jì)算機(jī)的主要不同在于，常規(guī)計(jì)算機(jī)中每一個(gè)數(shù)字位僅僅代表1bit信息，該數(shù)字位要么是0，要么是1。所有基于常規(guī)計(jì)算機(jī)(圖靈機(jī))的算法也是基于這樣的假設(shè)去設(shè)計(jì)的，而事實(shí)上這樣的假設(shè)帶來了一些計(jì)算上的限制，這也導(dǎo)致了許多重要的問題使用圖靈機(jī)的算法求解無法在合理的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算。這其中就包括了一系列科學(xué)計(jì)算問題(例如化合物性質(zhì)模擬，量子過程模擬等)，*化問題(例如最短路徑以及交通*規(guī)劃等)以及解密計(jì)算等。這些問題通常稱之為NP問題，即使用圖靈機(jī)無法在多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜度之內(nèi)完成計(jì)算的問題(一般認(rèn)為在計(jì)算時(shí)間與計(jì)算規(guī)模之間呈多項(xiàng)式關(guān)系的問題都是可以在可控時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算，而如果計(jì)算的時(shí)間與計(jì)算規(guī)模呈指數(shù)關(guān)系那么就無法在合理的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算了)。

　　為了解決這些常規(guī)圖靈機(jī)無法在合理時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算的問題，量子計(jì)算機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。量子計(jì)算機(jī)中，不再使用暢通的數(shù)字位，而是使用量子位(qubit)。量子位和傳統(tǒng)的數(shù)字位*的不同在于量子位可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)疊加，即一個(gè)量子位可以同時(shí)處于0狀態(tài)或者1狀態(tài)，而僅僅在讀出結(jié)果的時(shí)候會(huì)根據(jù)各個(gè)狀態(tài)的概率分布回歸到1或者0。因此，利用量子位這樣神奇的特性，量子計(jì)算機(jī)可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)完成一系列NP問題的求解，從而在需要使用NP算法的重要領(lǐng)域(包括前面提到的科學(xué)計(jì)算和*化問題)中發(fā)揮極其重要的作用，讓之前無法精確求解的問題能完成精確求解。

　　目前，已經(jīng)有谷歌、IBM、IMEC等全球*的科研機(jī)構(gòu)完成量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)的制備，而在這些主流的量子計(jì)算機(jī)中，量子位都是通過超導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的。具體的原理是，量子位使用超導(dǎo)LC諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，這樣的超導(dǎo)LC網(wǎng)絡(luò)在約瑟夫森效應(yīng)的作用下將會(huì)有量子化的能量狀態(tài)，從而能表征量子化的0和1。

　　在常溫超導(dǎo)出現(xiàn)之前，超導(dǎo)需要的溫度很低(通常非常接近*零度，例如10mK級(jí)別)，在這樣的條件下量子計(jì)算機(jī)需要巨大的冷卻設(shè)備，從而限制了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及;因此如果常溫超導(dǎo)真正實(shí)現(xiàn)，將會(huì)成為該領(lǐng)域重要的推動(dòng)力。

　　超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)芯片設(shè)計(jì)

　　眾所周知，目前計(jì)算機(jī)架構(gòu)中的主要組成部分(包括處理器，存儲(chǔ)器)都由半導(dǎo)體芯片實(shí)現(xiàn)，而在使用超導(dǎo)的量子計(jì)算機(jī)中，也離不開半導(dǎo)體芯片。

　　如前所述，量子位可以由超導(dǎo)LC諧振電路實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于量子位的控制則可以通過給超導(dǎo)LC電路注入不同的激勵(lì)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。具體來說，會(huì)需要給量子位的LC諧振電路注入交流信號(hào)(XY)和直流信號(hào)(Z)。交流信號(hào)通常是一個(gè)經(jīng)過調(diào)制的脈沖，而直流信號(hào)則需要能完成精確控制幅度。這樣的量子位控制經(jīng)由基于半導(dǎo)體的ASIC芯片來實(shí)現(xiàn)。

　　在量子位控制ASIC中，芯片要實(shí)現(xiàn)的主要功能是高信噪比的信號(hào)調(diào)制：其中XY通路需要產(chǎn)生脈沖，而Z通路則主要是直流信號(hào)。事實(shí)上，這樣的需求在目前的無線通信應(yīng)用中已經(jīng)非常常見，因此量子位控制ASIC的電路設(shè)計(jì)事實(shí)上和射頻電路也很類似。舉例來說，谷歌的量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)在今年的ISSCC上發(fā)布了其最新一代的量子位控制ASIC電路設(shè)計(jì)。XY通路方面，電路架構(gòu)和射頻芯片中的IQ調(diào)制發(fā)射器很接近：首先在基帶使用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(DAC)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號(hào)，然后模擬基帶信號(hào)再通過上變頻電路變頻到射頻頻率(通常是5-7 GHz范圍)，并且用這樣的射頻調(diào)制信號(hào)去控制XY通路。

　　在Z通路方面，由于需要精確控制Z的直流值，電路可以使用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字控制信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。

　　由此可見，量子計(jì)算離不開半導(dǎo)體芯片來控制量子位，這樣的控制是通過產(chǎn)生調(diào)制脈沖信號(hào)或者直流信號(hào)來完成的，這樣的過程和無線通信很接近，因此主流的量子位控制電路和無線通信中的射頻電路也很接近。

　　量子位控制芯片的挑戰(zhàn)

　　量子位控制芯片設(shè)計(jì)可以參照目前已有的射頻電路，但是也有自己的挑戰(zhàn)。

　　清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的低溫超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)量子位控制芯片，發(fā)表在ISSCC 2023上

　　首先，目前的超導(dǎo)都需要在幾乎是*零度的溫度下工作，考慮到制冷設(shè)備，量子位控制芯片也需要在接近*零度的條件下工作(3-4 K)。但是，目前主流芯片設(shè)計(jì)PDK中的晶體管建模的低溫范圍僅僅覆蓋到零下40度(即233 K)，離量子位控制芯片需要的3-4 K相距甚遠(yuǎn)。如果沒有好的PDK建模，勢(shì)必會(huì)對(duì)量子位控制芯片設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。PDK*步需要解決基本建模的問題，即在如此低的溫度條件下，一個(gè)典型的晶體管行為(包括電流、噪聲、非線性等)是如何的。在完成基本建模之后，PDK還必須要提供低溫條件下晶體管行為的統(tǒng)計(jì)建模，包括晶體管的mismatch、不同工藝角下的晶體管性能差異，而如果要進(jìn)一步擴(kuò)大量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模，需要使用更大的量子位控制芯片，那么大規(guī)模芯片上的片上工藝差異建模也會(huì)變得重要。這一步將會(huì)是量子位控制芯片進(jìn)入量產(chǎn)的重要一步。

　　目前，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)以及相關(guān)芯片的設(shè)計(jì)主要由高校以及科技公司(例如谷歌、IBM)的相關(guān)研究部門主導(dǎo)，常用的半導(dǎo)體芯片工藝是成熟的28nm。為了讓超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)真正進(jìn)入量產(chǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)的相關(guān)公司(包括EDA、代工廠等)也必須能有相應(yīng)的動(dòng)作。在這個(gè)方向，Synopsis已經(jīng)和英國(guó)的其他六個(gè)高校研究機(jī)構(gòu)組成了一個(gè)低溫芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)，其中由Synopsis提供基于TCAD的EDA能力，幫助完成低溫半導(dǎo)體相關(guān)的建模工作，目標(biāo)是能夠在未來提供經(jīng)過驗(yàn)證的低溫半導(dǎo)體芯片IP，從而加速整個(gè)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。

　　除了低溫之外，量子位控制芯片的噪聲和非線性性能也很重要：量子位的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)就是保真度(fidelity)，為了實(shí)現(xiàn)量子位數(shù)量的提升，每個(gè)量子位的保真度都必須做到99.9%或者更高，否則量子計(jì)算機(jī)會(huì)由于每個(gè)量子位保真度不夠而無法完成有效的計(jì)算;而量子位的保真度和量子位控制芯片的噪聲和非線性性能息息相關(guān)。由于量子位控制芯片和射頻芯片架構(gòu)相似，因此在射頻芯片中出現(xiàn)的噪聲和非線性問題也會(huì)同樣出現(xiàn)在量子位控制芯片中。為了確保保真度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，量子位控制芯片的信噪比(SDR)要到達(dá)35dB以上，這就需要量子位控制芯片中的每個(gè)模塊(例如DAC、LO等)都有很好的噪聲和線性度，同時(shí)從架構(gòu)角度也要保證LO泄漏等指標(biāo)要足夠低。

　　最后，從冷卻角度考慮，量子位控制芯片的功耗也不能太大。在低溫超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中，量子位控制芯片的功耗如果太大，則其散發(fā)的熱量會(huì)超過冷卻設(shè)備的能力范圍，從而讓超導(dǎo)量子位的溫度過高而無法真正工作在超導(dǎo)狀態(tài)。通常來說，需要量子位控制芯片的功耗控制在10-20 mW/qubit以下來滿足溫度控制的需求。

　　常溫超導(dǎo)若實(shí)現(xiàn)，將推動(dòng)量子位控制芯片快速發(fā)展

　　前述的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和量子位控制芯片都需要工作在接近*零度溫度范圍里，而如果常溫超導(dǎo)(例如LK-99的超導(dǎo)性真正被驗(yàn)證)實(shí)現(xiàn)并且可以用來制造量子位的話，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)可望會(huì)獲得跨越式發(fā)展。在常溫超導(dǎo)的條件下，目前量子計(jì)算機(jī)中需要的超低溫冷卻設(shè)備就無須再使用，這就大大降低了量子計(jì)算機(jī)制備的門檻，讓更多機(jī)構(gòu)有機(jī)會(huì)能加入量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)工作。

　　從另一個(gè)角度來看，即使超導(dǎo)的門檻降低了，但是對(duì)于量子位控制芯片的需求并沒有變低：目前量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要瓶頸就是量子位和相關(guān)處理的保真度，因此量子位控制芯片的性能至關(guān)重要。如果LK-99這樣的常溫超導(dǎo)真的變成現(xiàn)實(shí)且使用在量子計(jì)算機(jī)里面，我們預(yù)計(jì)對(duì)于量子計(jì)算機(jī)芯片有如下影響：

　　如果量子位控制芯片可以在常溫下工作，這對(duì)于相關(guān)芯片器件建模的要求降低了(即可以使用已經(jīng)經(jīng)過大量驗(yàn)證的常溫PDK來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì))，另外對(duì)于量子位控制芯片的功耗要求也可會(huì)更寬松一些(由于只需控制在常溫下工作，因此散熱的需求降低了)

　　超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)性能提升的需求會(huì)大幅加快，在這個(gè)角度來看量子位保真度需求更高了(例如如果需要把量子位數(shù)量提升到上千個(gè)，則保真度可能99.9%已經(jīng)不夠用，需要到99.99%甚至99.999%)，這就對(duì)于量子位控制芯片的性能提出了更高的需求：信噪比，線性度等等都需要大幅提高來滿足需求

　　最后，量子位控制芯片的電路設(shè)計(jì)會(huì)進(jìn)一步進(jìn)化，來滿足量子計(jì)算機(jī)的需求。量子位控制芯片會(huì)進(jìn)一步從無線通信芯片電路的已有研究中獲取靈感，同時(shí)也會(huì)需要能夠解決自己獨(dú)特的挑戰(zhàn)。隨著越來越多的科研團(tuán)隊(duì)關(guān)注超導(dǎo)量子計(jì)算，預(yù)計(jì)該領(lǐng)域會(huì)成為芯片電路研究領(lǐng)域一個(gè)新的熱門方向。