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云计算对电力的需求不断增长，这给环境、成本和计算资源带来了巨大压力。超导数字技术因其高能源效率和计算密度而成为满足这些需求的潜在解决方案。与传统的CMOS技术相比，超导数字技术在能源效率方面可以提高100倍，计算密度则可以提高1000倍。
Part 1可持续硬件的需求
到2040年，全球约50%的电力将用于计算，预计计算性能也将超出当前最先进的CMOS计算和存储系统的能力。这一增长大多源自数据中心的增加，导致能源消耗的不可持续性。
因此，需要设计出新的计算系统，能够显著提高能源效率和计算密度。超导数字技术正是利用了材料在低温下接近于零的电阻来实现这一目标。
● 超导数字技术的原理
超导数字技术的高效率基于以下三个物理原理：
◎ 零电阻：超导材料在低温下没有电阻，因此电能不会在传输过程中损耗。
◎ 迈斯纳效应：超导体在低温下排除磁场，使超导环内的磁通量成为量子化单位，可用于信息编码。
◎ 约瑟夫森效应：超导层间的非超导材料在达到临界电流前允许超电流流过，当超过临界电流时，产生电压脉冲，耗散极少能量。这些脉冲用于数据编码和逻辑操作。
● 加速深度学习和量子计算的发展
超导数字技术并非旨在取代传统技术，而是补充CMOS，推动新领域的创新。它将支持人工智能和机器学习处理的增长，并提供基于云的大型AI模型训练所需的可持续计算能力。
超导技术还可能改变当前的计算范式，使得节能紧凑的服务器能够靠近目标应用程序，连接边缘和云端。这将使许多应用领域受益，包括智能电网、智慧城市和移动医疗系统。
Part 2系统技术共同开发的重要性
为了确保超导材料和设备的创新能够有效地传播到整个系统，需要自上而下的系统驱动选择与自下而上的技术和集成成熟之间形成一个持续的、迭代的循环。
例如，在不同计算规模下比较传统AI系统和低温超导AI系统的电力成本，发现操作规模越大，收益越高。冷却开销在大规模下变得不显著，使基于超导的系统更节能。
● 技术方面的进展
Imec的研究人员在300毫米洁净室中使用先进的制造工艺，开发了基于NbTiN材料的超导互连、HZO电容器和约瑟夫森结。这些元件在低温下具有出色的性能和工艺控制，为构建高性能、低功耗的超导数字系统奠定了基础。特别是，NbTiN材料在缩小尺寸潜力和与标准CMOS工艺兼容性方面表现出色。
● 扩展路线图和首个里程碑
Imec的宏伟目标是将超导技术从当前的0.25µm光刻节点扩展到28nm节点。这将使时钟速度和设备密度与7nm CMOS技术相当，同时在互连性能和能效方面大幅领先。
Imec计划逐渐缩小约瑟夫森结和互连的尺寸，提高时钟频率，并逐步堆叠更多的逻辑芯片，最终实现鞋盒大小的数据中心。
小结
超导数字技术有望颠覆AI和ML的路线图，通过实现能源效率和计算密度的重大飞跃。这需要系统技术的共同优化，确保整个系统堆栈能够保持增益。基于缩小约瑟夫森结和互连、提高时钟频率以及堆叠电路板和单个逻辑芯片的路线图，将使数据服务器缩小到鞋盒大小。Imec已经在缩小基于NbTiN的互连线、HZO电容器和αSi-Josephson结方面取得了第一个里程碑，并将继续推进超导数字技术的发展。