2008年的芝加哥，在美國攻讀博士學位的任潔參加一次學術會議。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劃。

按照任潔的習慣，她總要在學術會議現場搜索中國同胞的面孔。盡管她認為，自己所在的超導電子學領域，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的超導電子學研究布局。

當時的尤立星，剛從美國回到上海微系統所，他的重要任務之一，就是宣傳將要建設的超導電子學卓越中心。眾所周知，我國的超導基礎研究力量強大，但在應用研究方面相對薄弱。其中，超導數字電路在當時更是空白。

隨著摩爾定律的終結，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，各國都在積極探索新路線、部署新方案。超導數字電路，因為有望同時跨越速度和功耗兩項半導體電路的物理瓶頸，成為重要的備選方案。

任潔在超導電子學深耕多年，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，我國在超導集成電路領域起步較晚，但經過六七年的努力，任潔便和她的團隊成員以及合作者們一起，令我國的超導集成工藝“SIMIT-Nb03”標準首次被收錄在2020 IRDS路線圖上，打破了發達國家多年的壟斷。

事實上，除了超導數字電路，超導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，見證著我國超導電子學的茁壯向上，也感受著我國對人才的全方位服務和支撐。

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

（內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與信息技術研究所任潔教授。文字由林梅整理，并經任潔教授審讀。）

? 計算機的魅力和困境??

在我心里，電子計算機應該是人類在20世紀最偉大的一項科學技術。我想不出20世紀還有什么其它的科技發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代信息時代的來臨打下基礎，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到非0即1的邏輯運算和算數運算。這是一個大道至簡的過程，這么復雜的世界，最終就歸結到0和1兩個數字上，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，比如以前的電子管或者是晶體管，現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，集中到了我們人手可以握住的一個晶圓上面，過去一臺大機器的任務，現在一個芯片就能夠完成。集成電路的發明把我們人類帶入了數字芯片的時代，后來就慢慢出現了第一臺家用電腦，以及近年來改變人類世界的一個偉大的發明——數字智能手機。

如今，高性能的計算，已經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節——綠色超算。

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

我們人類世界的超算已經進入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）的實現將面臨前所未有的挑戰，其中一大挑戰就是處理器的能效比。

除了超算，對于信息技術爆炸的時代，還有一個大家伙也關系到我們每天的生活，這就是數據中心。

比如，Facebook就把數據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，我們每天對數據的需求是不斷增加的，這就是數據中心面臨的矛盾。

這些問題其實在20世紀初從處理器隨摩爾定律的發展就已經可預見。摩爾定律是由英特爾的一個創始人在上世紀六十年代提出的規律總結，他認為集成電路每個芯片上的晶體管的數量，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，晶體管的數目雖然還在沿著摩爾定律不斷發展，但是每個芯片上的時鐘頻率和功耗其實都已經趨于平穩。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展，這就出現了摩爾定律的終結。

某種意義上，如今我們已經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，國際器件與系統路線圖IRDS從2017年到現在，都有一個“beyond CMOS”的環節，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，超導集成電路一直被關注。

? 超導數字集成電路的基本知識??

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

什么是超導數字集成電路呢？

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，超導集成電路就集成在超導晶圓上，乍一看跟CMOS的晶圓是一樣的，但放大看，這里面的開關是一種叫做超導約瑟夫森結的器件，它的連線和存儲也都是使用超導材料。

超導晶圓

再者，這里的“數字”，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環路中的有和沒有來代表0和1。

超導集成電路的三個特別的要素，其實就是材料、器件和邏輯。

首先是材料的發現。超導這個現象是1911年由H. K. Onnes 首先發現的，他把氦氣變成液氦，在4.2K的溫區，發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，超導特有的現象——磁通量子化也與超導集成電路息息相關。磁通量子化的意思就是說，超導環路內有且僅有整數倍的磁通量子，這樣，我們就可以選擇整數倍為零或一來代表邏輯的0和1。

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

約瑟夫森結作為一個開關，我們能夠通過一些調控讓它處在電壓為0和電壓為1的兩個不同的狀態，即實現開關的作用。其實，在約瑟夫森效應被發現不久，美國以及日本的很多計算的先鋒，都嘗試利用約瑟夫森結來進行計算機的研發，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字的0和1，并產出了很多芯片。但隨著CMOS的迅速發展，約瑟夫森結作為高低電壓開關的速度并沒有壓倒性的優勢，再加上超導器件對于環境要求嚴苛，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作為開關，但是它的數據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，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，很快就變成了超導集成電路的主流邏輯形式，因為它的優勢是非常明顯的。與其他集成電路技術，甚至第一代的超導集成電路技術相比，它的門延遲小，速度更快，功耗表現也有幾個數量級的提升，具有一定的吸引力和應用前景。特別是在速度方面，SFQ邏輯門一經誕生就展現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境里面，這個低溫是我們肉體不能承受的。計算，最終是要給人服務，計算的結果需要能讓我們在室溫下看到，所以，我們不可能把超導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揮用武之地的領域。

? 超導集成電路用于超算??

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

同時，上世紀八十年代，高溫超導的出現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的研究。美國雖然也在高溫超導的研究上有所發力，但是從來沒有中斷過對低溫超導集成電路的研究。本世紀初，美國的研究積累實現了非常重要的兩個應用，一個是將超導的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鍵的技術，即超導集成電路的操控技術；另一個應用是他們形成了用在一些極端條件下的射頻接收系統。與此同時，科學家還在底層的器件上做了很多的探索，將SFQ的功耗比實現一個數量級甚至幾個數量級的提升，從而進一步為實現它在超算中的應用助力。

2014年開始至今，隨著摩爾時代的終結，美國為應對中國超級計算機挑戰，解決大數據、云計算時代能源消耗問題，啟動了超導計算機計劃，超導集成電路進入美國很多大項目的部署。根據美國的估計，同樣運算能力下超導計算機的功耗僅為半導體超級計算機的1%。與此同時，日本的高能效超導處理器最新進展也表明，即使加上冷卻超導芯片的成本，超導芯片整體能耗也比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，超導集成電路領域還沒有中國團隊進入。令我倍感自豪的是，我們團隊是國內第一個系統的在超導集成電路領域工作的團隊，當然，也離不開很多兄弟學校和科研院所與我們合作。經過6到7年的努力， 2020年，我們自己的超導集成標準工藝“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，設計、工藝、封裝、測試、制冷、系統互聯等方面都需要不停的妥協、共同進步，才能夠最終實現芯片的成功。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IC高可靠的設計方法和EDA工具等，都是我們正在探索的SFQ電路規模提升的關鍵技術。

? 作為女性科學家想說的話??

無論工作于哪一個行業，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。

拿我的經驗來說，在我和先生事業成長的關鍵期，我們會通過商量不斷調整時間的分配和家庭責任的承擔，工作上相互支持，事實上，這種方式沒有影響他的研究，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，你一定會找到一個讓你干下去的方法。

關于興趣是什么？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力的地方和你未來的興趣點。

任潔：研究員，博士生導師，現任中國科學院上海微系統與信息技術研究所超導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，曾在領域知名企業從事研發工作，具有豐富的超導SFQ集成電路研發經驗。于2015年加入中國科學院上海微系統與信息技術研究所。任潔長期從事超導SFQ集成電路領域研究工作，主要研究方向為：新型低功耗超導邏輯電路、超導模數轉換電路、超導集成電路單元庫、超導模擬仿真等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、科技部重點研發青年項目、中科院A類先導專項項目等科研項目及人才項目，取得多項創新性成果，在射頻接收器、先進超導集成工藝等領域中得到了實際應用。在SUST、ACS NANO、IEEE-TAS等期刊上發表SCI論文30余篇，申請發明專利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。墨子沙龍的建立，旨在傳承、發揚科學傳統，倡導、弘揚科學精神，提升公民科學素養，建設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大學上海研究院及浦東新區南七量子科技交流中心主辦，受到中國科大新創校友基金會、中國科學技術大學教育基金會、浦東新區科學技術協會、中國科學技術協會及浦東新區科技和經濟委員會等支持。

編輯：黃飛

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