2008年的芝加哥，在美國攻讀博士學位的任潔參加一次學術(shù)會議。她還沒有料到，本以為的這一次“平平無奇”的會議，將會改變她未來的人生規(guī)劃。

按照任潔的習慣，她總要在學術(shù)會議現(xiàn)場搜索中國同胞的面孔。盡管她認為，自己所在的超導(dǎo)電子學領(lǐng)域，還鮮有中國人進入。出乎意料的是，這次的會議上，她遇到了尤立星，也首次知道了上海微系統(tǒng)的超導(dǎo)電子學研究布局。

當時的尤立星，剛從美國回到上海微系統(tǒng)所，他的重要任務(wù)之一，就是宣傳將要建設(shè)的超導(dǎo)電子學卓越中心。眾所周知，我國的超導(dǎo)基礎(chǔ)研究力量強大，但在應(yīng)用研究方面相對薄弱。其中，超導(dǎo)數(shù)字電路在當時更是空白。

隨著摩爾定律的終結(jié)，后摩爾時代的國際競爭將異常激烈，面對功耗和速度的雙重挑戰(zhàn)，各國都在積極探索新路線、部署新方案。超導(dǎo)數(shù)字電路，因為有望同時跨越速度和功耗兩項半導(dǎo)體電路的物理瓶頸，成為重要的備選方案。

任潔在超導(dǎo)電子學深耕多年，2015年，任潔全職回國，成為了中心的重要力量。

任潔回國初期就意識到，我國在超導(dǎo)集成電路領(lǐng)域起步較晚，但經(jīng)過六七年的努力，任潔便和她的團隊成員以及合作者們一起，令我國的超導(dǎo)集成工藝“SIMIT-Nb03”標準首次被收錄在2020 IRDS路線圖上，打破了發(fā)達國家多年的壟斷。

事實上，除了超導(dǎo)數(shù)字電路，超導(dǎo)電子學卓越中心的其它研究均面向國家重大需求，專門解決“卡脖子”的技術(shù)難題。歸國多年，任潔與中心共成長，從單元器件到集成電路，見證著我國超導(dǎo)電子學的茁壯向上，也感受著我國對人才的全方位服務(wù)和支撐。

在墨子沙龍“她力量”專場，任潔帶著她的超導(dǎo)集成電路，為大家介紹高效節(jié)能的超算夢想。

（內(nèi)容來自墨子沙龍線下活動，演講者是中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所任潔教授。文字由林梅整理，并經(jīng)任潔教授審讀。）

? 計算機的魅力和困境??

在我心里，電子計算機應(yīng)該是人類在20世紀最偉大的一項科學技術(shù)。我想不出20世紀還有什么其它的科技發(fā)明能夠比電子計算機帶給人類的影響更為巨大。

世界上第一臺通用電子計算機誕生于美國的賓西法尼亞，它非常龐大，占地170平方米，一共使用了1萬多根的電子管，耗電量150千瓦，據(jù)說，只要它開機，整個費城的燈光都為之黯淡，它的造價也是相當昂貴，當年的造價是48萬美元，購買力大致相當于今天的2,000萬美元。

盡管代價高昂，大家還是接受了電子計算機，因為它帶來了前所未有的計算速度——每秒5000次加法或400次乘法，約為使用繼電器運轉(zhuǎn)的機電式計算機的1000倍、手工計算的20萬倍。強大的算力為我們現(xiàn)代信息時代的來臨打下基礎(chǔ)，并且能夠運用在各個方面。

電子計算機的另一個意義在于，它構(gòu)建了一個非零即一的世界。過去，人們描述世界的方式是“模擬”的，比如同樣是紅色，但是我口中的紅跟你口中的紅可能完全是兩個不同的顏色，這對于交流、邏輯判斷和計算來說，是不利的，但是電子計算機把所有的計算都歸結(jié)到非0即1的邏輯運算和算數(shù)運算。這是一個大道至簡的過程，這么復(fù)雜的世界，最終就歸結(jié)到0和1兩個數(shù)字上，去解決各種各樣的問題。

那么，計算機是如何運用0和1進行運算的呢？簡單來說，所有的計算機其實歸根到底就是開關(guān)，比如以前的電子管或者是晶體管，現(xiàn)在的晶體管或三極管等，而組成所有計算機的單元其實就是一個個簡單的邏輯門。邏輯門的功能說起來非常簡單，比如我輸入是1的時候，邏輯門讓輸出變成相反，就叫“非”門；在判斷兩個輸入的時候，如果兩個都是1，輸出才是1，這就是“與”門。

這里的0和1就是用實際中的物理量——電壓來表示的，電壓低到接近0的時候，就被認為是0，電壓高于一定值的時候，就被認為是1，這個過程拋棄了很多信息，只留下我們需要的0和1。只要提高開關(guān)速度，就能提高計算速度。

從當初占地一百多平的大家伙，到今天的超級計算機，中間還有一個很偉大的發(fā)明——集成電路，集成電路其實就是把龐然大物身上的所有元件，通過一系列的操作，集中到了我們?nèi)耸挚梢晕兆〉囊粋€晶圓上面，過去一臺大機器的任務(wù)，現(xiàn)在一個芯片就能夠完成。集成電路的發(fā)明把我們?nèi)祟悗肓藬?shù)字芯片的時代，后來就慢慢出現(xiàn)了第一臺家用電腦，以及近年來改變?nèi)祟愂澜绲囊粋€偉大的發(fā)明——數(shù)字智能手機。

如今，高性能的計算，已經(jīng)代表著科技方面綜合實力的比拼，其中一個非常具有代表性的比拼項目就是超級計算機。從1993年開始，國際上的 Top500就開始每年對超算進行評比，這種評比類似奧運會，讓大家去解決同樣一個問題，誰的峰值運算能力最快，誰就是第一名。

在這個過程中，我們中國的天河二號、神威太湖之光都曾經(jīng)榮獲過 Top500的第一名。今年2022年的6月，來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室的Frontier，力壓其它對手，摘得該榜單的冠軍。

從2013年開始，Top500不僅比算力，它新增了一個較量的環(huán)節(jié)——綠色超算。

之所以有這樣的變化，是因為想要實現(xiàn)更快的超算，它的發(fā)熱量已經(jīng)變得讓我們的經(jīng)濟難以承受。所以超算領(lǐng)域需要面對一個新的指標——不僅要快，而且要節(jié)能，也就是說，綠色超算中比拼的是能效比。

我們?nèi)祟愂澜绲某阋呀?jīng)進入E級（每秒1018次浮點運算），而下一個目標——超算Z級（每秒1021次浮點運算）的實現(xiàn)將面臨前所未有的挑戰(zhàn)，其中一大挑戰(zhàn)就是處理器的能效比。

除了超算，對于信息技術(shù)爆炸的時代，還有一個大家伙也關(guān)系到我們每天的生活，這就是數(shù)據(jù)中心。

比如，F(xiàn)acebook就把數(shù)據(jù)中心放在位于北極圈的瑞典，那里常年的平均溫度在1.3度以下，就是因為它的發(fā)熱量太高了。即便如此，它的功耗峰值達到了120兆瓦，基本上達到一個核電站的發(fā)電量。未來，一方面我們的供電不是無限的，另一方面，我們每天對數(shù)據(jù)的需求是不斷增加的，這就是數(shù)據(jù)中心面臨的矛盾。

這些問題其實在20世紀初從處理器隨摩爾定律的發(fā)展就已經(jīng)可預(yù)見。摩爾定律是由英特爾的一個創(chuàng)始人在上世紀六十年代提出的規(guī)律總結(jié)，他認為集成電路每個芯片上的晶體管的數(shù)量，也就是集成度每18個月到24個月左右就會翻一番。但是到了2000年左右，晶體管的數(shù)目雖然還在沿著摩爾定律不斷發(fā)展，但是每個芯片上的時鐘頻率和功耗其實都已經(jīng)趨于平穩(wěn)。因為當集成電路芯片上晶體管的尺寸達到了物理的一個極限的時候，不能違背物理定律去發(fā)展，這就出現(xiàn)了摩爾定律的終結(jié)。

某種意義上，如今我們已經(jīng)進入了后摩爾的時代，在后摩爾時代下，八仙過海，各顯神通，大家用各種方法致力于計算能力或信息處理的能力得到不斷提升，正因如此，國際器件與系統(tǒng)路線圖IRDS從2017年到現(xiàn)在，都有一個“beyond CMOS”的環(huán)節(jié)，包含了各種方案和顛覆性的思想，在其中低溫電子學的小分支里，超導(dǎo)集成電路一直被關(guān)注。

? 超導(dǎo)數(shù)字集成電路的基本知識??

我的研究領(lǐng)域，本質(zhì)還是一個非0即1的計算世界，但是區(qū)別于電子計算機，我們是用新型的超導(dǎo)集成電路來進一步提升我們計算的能效比。

什么是超導(dǎo)數(shù)字集成電路呢？

我們知道，集成電路就是把計算需要的所有原件都集成在芯片上，超導(dǎo)集成電路就集成在超導(dǎo)晶圓上，乍一看跟CMOS的晶圓是一樣的，但放大看，這里面的開關(guān)是一種叫做超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的器件，它的連線和存儲也都是使用超導(dǎo)材料。

超導(dǎo)晶圓

再者，這里的“數(shù)字”，是說它依舊是進行0和1的運算，只不過，這里的0和1信號不再是用電壓的高和低來代表，而是用單磁通量子的脈沖信號在超導(dǎo)環(huán)路中的有和沒有來代表0和1。

超導(dǎo)集成電路的三個特別的要素，其實就是材料、器件和邏輯。

首先是材料的發(fā)現(xiàn)。超導(dǎo)這個現(xiàn)象是1911年由H. K. Onnes 首先發(fā)現(xiàn)的，他把氦氣變成液氦，在4.2K的溫區(qū)，發(fā)覺液氨里面放入的金屬完全沒有電阻了。這就是我們低能耗的一個最基本的來源之一。此外，超導(dǎo)特有的現(xiàn)象——磁通量子化也與超導(dǎo)集成電路息息相關(guān)。磁通量子化的意思就是說，超導(dǎo)環(huán)路內(nèi)有且僅有整數(shù)倍的磁通量子，這樣，我們就可以選擇整數(shù)倍為零或一來代表邏輯的0和1。

第二點，開關(guān)器件。超導(dǎo)集成電路的開關(guān)是一個叫約瑟夫森結(jié)的器件，它像三明治一樣，是兩塊超導(dǎo)體夾以某種很薄的勢壘層，它的發(fā)明人叫約瑟夫森，他在1962年發(fā)表了關(guān)于約瑟夫森結(jié)特有的約瑟夫森效應(yīng)的論文， 11年之后因此獲得諾貝爾物理學獎。

約瑟夫森結(jié)作為一個開關(guān)，我們能夠通過一些調(diào)控讓它處在電壓為0和電壓為1的兩個不同的狀態(tài)，即實現(xiàn)開關(guān)的作用。其實，在約瑟夫森效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)不久，美國以及日本的很多計算的先鋒，都嘗試利用約瑟夫森結(jié)來進行計算機的研發(fā)，它第一代的邏輯其實就跟CMOS一樣，用電壓的高和低來代表數(shù)字的0和1，并產(chǎn)出了很多芯片。但隨著CMOS的迅速發(fā)展，約瑟夫森結(jié)作為高低電壓開關(guān)的速度并沒有壓倒性的優(yōu)勢，再加上超導(dǎo)器件對于環(huán)境要求嚴苛，人們沒有選擇使用它。

1985年，三位莫斯科國立大學的科學家提出了一種新的邏輯形式——SFQ邏輯門。它雖然還是用約瑟夫森結(jié)作為開關(guān)，但是它的數(shù)據(jù)形式從電壓電平邏輯變成了電壓脈沖的邏輯，這樣怎么進行計算呢？還是以“與”門為例，CMOS的“與”門，是通過判斷兩個輸入是高還是低來決定輸出是高還是低，但是SFQ的“與”門，比它多加了一個時鐘信號，這是因為兩個脈沖很難同時到達，所以我們允許它有一點時間間隔。我們在判斷邏輯輸出的時候，當某一個時鐘到來，我們就通過觀察距離上一個時鐘的時鐘周期內(nèi)，是否又來了一個脈沖，如果有，“與”門就輸出1，如果沒有，那就輸出0。在SFQ邏輯里，其他的門都是類似的。SFQ自從推出，很快就變成了超導(dǎo)集成電路的主流邏輯形式，因為它的優(yōu)勢是非常明顯的。與其他集成電路技術(shù)，甚至第一代的超導(dǎo)集成電路技術(shù)相比，它的門延遲小，速度更快，功耗表現(xiàn)也有幾個數(shù)量級的提升，具有一定的吸引力和應(yīng)用前景。特別是在速度方面，SFQ邏輯門一經(jīng)誕生就展現(xiàn)出了非常令人驚訝的速度。1987年就達到了30GHz，1999年，在紐約州立大學石溪分校的中國人陳偉驗證了T Flip-flop的最高工作頻率高達770GHz，接近太赫茲級別。

但是SFQ的劣勢其實也一直存在，那就是低溫的問題。比如，CMOS芯片的測試只需將芯片放在PCB板上，再將PCB板連到各種各樣的測試儀器上進行測試；對于SFQ邏輯來說，我們得把芯片所在的PCB板放在測試桿里面，再把測試桿放入低溫的環(huán)境里面，這個低溫是我們?nèi)怏w不能承受的。計算，最終是要給人服務(wù)，計算的結(jié)果需要能讓我們在室溫下看到，所以，我們不可能把超導(dǎo)集成電路放在成智能手機或者家用電腦，而超算則是它有望發(fā)揮用武之地的領(lǐng)域。

? 超導(dǎo)集成電路用于超算??

從1970年起，IBM就開始了長達十幾年的一個項目，用約瑟夫森結(jié)通過第一代的邏輯進行數(shù)字計算機的研發(fā)。十幾年之后，日本也開始了一個超導(dǎo)計算機的大項目。但這兩個項目的結(jié)果都表明，第一代邏輯雖然可以進行計算，但是它的速度相對CMOS并沒有壓倒性的優(yōu)勢。上世紀八十年代，RSFQ邏輯發(fā)現(xiàn)以后，歐洲有過相關(guān)的大型項目布局，但幾年后隨著蘇聯(lián)解體而告終。

同時，上世紀八十年代，高溫超導(dǎo)的出現(xiàn)成為物理界里程碑的事件，歐洲和日本集中精力進行高溫超導(dǎo)的研究。美國雖然也在高溫超導(dǎo)的研究上有所發(fā)力，但是從來沒有中斷過對低溫超導(dǎo)集成電路的研究。本世紀初，美國的研究積累實現(xiàn)了非常重要的兩個應(yīng)用，一個是將超導(dǎo)的SFQ電路用于國際上首個商用的量子絕熱計算機的操控，這被認為是量子計算機中的一個關(guān)鍵的技術(shù)，即超導(dǎo)集成電路的操控技術(shù)；另一個應(yīng)用是他們形成了用在一些極端條件下的射頻接收系統(tǒng)。與此同時，科學家還在底層的器件上做了很多的探索，將SFQ的功耗比實現(xiàn)一個數(shù)量級甚至幾個數(shù)量級的提升，從而進一步為實現(xiàn)它在超算中的應(yīng)用助力。

2014年開始至今，隨著摩爾時代的終結(jié)，美國為應(yīng)對中國超級計算機挑戰(zhàn)，解決大數(shù)據(jù)、云計算時代能源消耗問題，啟動了超導(dǎo)計算機計劃，超導(dǎo)集成電路進入美國很多大項目的部署。根據(jù)美國的估計，同樣運算能力下超導(dǎo)計算機的功耗僅為半導(dǎo)體超級計算機的1%。與此同時，日本的高能效超導(dǎo)處理器最新進展也表明，即使加上冷卻超導(dǎo)芯片的成本，超導(dǎo)芯片整體能耗也比7nm芯片低80倍。

這個過程中，我們中國在哪里？至少在2011年之前，超導(dǎo)集成電路領(lǐng)域還沒有中國團隊進入。令我倍感自豪的是，我們團隊是國內(nèi)第一個系統(tǒng)的在超導(dǎo)集成電路領(lǐng)域工作的團隊，當然，也離不開很多兄弟學校和科研院所與我們合作。經(jīng)過6到7年的努力， 2020年，我們自己的超導(dǎo)集成標準工藝“SIMIT-Nb03”首次被收錄在IRDS路線圖上，打破了美日德加多年的壟斷。

現(xiàn)在，我們的共同目標依舊是要助力超算的瘦身夢想。

集成電路是一個鏈條非常長的研究，設(shè)計、工藝、封裝、測試、制冷、系統(tǒng)互聯(lián)等方面都需要不停的妥協(xié)、共同進步，才能夠最終實現(xiàn)芯片的成功。目前，我們迫切需要努力的方向就是提升我們芯片的集成度，以及超導(dǎo)IC高可靠的設(shè)計方法和EDA工具等，都是我們正在探索的SFQ電路規(guī)模提升的關(guān)鍵技術(shù)。

? 作為女性科學家想說的話??

無論工作于哪一個行業(yè)，一定要找到自己想要的，然后堅持下去。我的研究生里，女生的比例與男生相當，而科研領(lǐng)域中的女生卻依舊很少，這可能是因為，進入社會之后，家庭對女性的額外壓力會提高。

拿我的經(jīng)驗來說，在我和先生事業(yè)成長的關(guān)鍵期，我們會通過商量不斷調(diào)整時間的分配和家庭責任的承擔，工作上相互支持，事實上，這種方式?jīng)]有影響他的研究，也沒有影響我的研究。從女性的角度來說，你只要想好要從事一個行業(yè)，你一定會找到一個讓你干下去的方法。

關(guān)于興趣是什么？要回答這個問題，其實是要更好的認知自己。以我自己為例，做集成電路其實也有很多種不同的研究，我在讀博期間主要的工作是在電腦上進行一些設(shè)計并完成測試，其中動手安裝芯片等測試的操作步驟我就不太擅長。后來我想，可能我個人的動手能力遠不如動腦，在做的設(shè)計的時候從一開始接觸就不討厭它，即使加班加點也不覺得這件事情讓我很痛苦，并且很快的感覺到通過努力能得到比較好的效果。如果你找到了這種感覺，也許這就是你可以發(fā)力的地方和你未來的興趣點。

任潔：研究員，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所超導(dǎo)電子學實驗室副主任。在紐約州立大學石溪分校取得博士學位，曾在領(lǐng)域知名企業(yè)從事研發(fā)工作，具有豐富的超導(dǎo)SFQ集成電路研發(fā)經(jīng)驗。于2015年加入中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所。任潔長期從事超導(dǎo)SFQ集成電路領(lǐng)域研究工作，主要研究方向為：新型低功耗超導(dǎo)邏輯電路、超導(dǎo)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、超導(dǎo)集成電路單元庫、超導(dǎo)模擬仿真等EDA、低溫探測器高速讀出等。主持了國家自然科學基金面上、重大研究計劃培育等項目、科技部重點研發(fā)青年項目、中科院A類先導(dǎo)專項項目等科研項目及人才項目，取得多項創(chuàng)新性成果，在射頻接收器、先進超導(dǎo)集成工藝等領(lǐng)域中得到了實際應(yīng)用。在SUST、ACS NANO、IEEE-TAS等期刊上發(fā)表SCI論文30余篇，申請發(fā)明專利40余件。

墨子是我國古代著名的思想家、科學家，其思想和成就是我國早期科學萌芽的體現(xiàn)。墨子沙龍的建立，旨在傳承、發(fā)揚科學傳統(tǒng)，倡導(dǎo)、弘揚科學精神，提升公民科學素養(yǎng)，建設(shè)崇尚科學的社會氛圍。

墨子沙龍面向熱愛科學、有探索精神和好奇心的普通公眾，通過面對面的公眾活動和多樣化的新媒體平臺，希望讓大家了解到當下全球最尖端的科學進展、最先進的科學思想，探尋科學之秘，感受科學之美。

墨子沙龍由中國科學技術(shù)大學上海研究院及浦東新區(qū)南七量子科技交流中心主辦，受到中國科大新創(chuàng)校友基金會、中國科學技術(shù)大學教育基金會、浦東新區(qū)科學技術(shù)協(xié)會、中國科學技術(shù)協(xié)會及浦東新區(qū)科技和經(jīng)濟委員會等支持。

編輯：黃飛

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