新興技術領域的國際標準化之路
——以超導電子學研究參與ICE工作為例

文/尤立星 李 潔

未來的信息技術對極高靈敏度探測技術和高速、低功耗信息處理技術提出了越來越高的要求，因此半導體技術已經(jīng)無法滿足未來信息科技發(fā)展的需求。超導電子器件與電路在靈敏度、速度和功耗方面存在獨特優(yōu)勢，2017年，由國際半導體技術路線圖（ITRS）發(fā)展而來的國際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）已將超導電子學作為新興應用技術的研究領域之一。

新興技術領域的超導電子學

超導是材料在特定溫度以下突然進入無電阻狀態(tài)的一種奇特物理現(xiàn)象，最早由荷蘭科學家Onnes于1911年在金屬汞（Hg）中發(fā)現(xiàn)。超導電子學的核心理論是1962年英國科學家約瑟夫遜提出的約瑟夫遜效應。近百年以來，先后有11位科學家共6次因其在超導相關領域的杰出成就獲得諾貝爾物理學獎。百年超導研究已經(jīng)取得了很多重要的進展，先后發(fā)現(xiàn)了逾千種超導材料；對超導效應的認識也經(jīng)歷了從零電阻、抗磁性到磁通量子化和約瑟夫遜量子效應的不同階段。而基于超導特性、約瑟夫遜量子效應、磁通量子化效應等微觀理論發(fā)展起來的超導電子學是超導應用研究的主要內(nèi)容之一，并在應用方面已經(jīng)取得多項突破性進展。

超導數(shù)字電路是超導電子學的重要研究領域之一，也是集成電路技術的重要分支，超導單磁通量子電路SFQ（Single Flux Quantum）是基于約瑟夫遜效應和磁通量子化效應的低溫超導集成電路。它使用皮秒級脈沖實現(xiàn)經(jīng)典邏輯位，是對半導體集成電路在器件層面上的顛覆，具有極低位操作功耗（10J～19J，CMOS器件典型值為10J～14J）和極高速度（最高達100GHz，CMOS器件典型值為3GHz）特點。半導體數(shù)字電路已經(jīng)進入亞10nm節(jié)點，正在逼近物理極限，而速度和功耗成為難以突破的瓶頸。超導數(shù)字電路已經(jīng)成為后摩爾信息時代極具競爭力的顛覆性技術。

超導量子比特是量子計算研究的主要對象之一，它是以約瑟夫遜結(jié)為基本載體的量子兩能級系統(tǒng)。超導量子比特具有可與傳統(tǒng)的微電子加工平臺兼容、可擴展性強的優(yōu)勢，是最有前景的實現(xiàn)量子計算機的方案之一。目前國際上主要的研究機構(gòu)，包括Google和IBM在內(nèi)，都在開展超導量子比特研究。Google最新公布實現(xiàn)的量子稱霸（Quantum Supremacy）或量子優(yōu)勢（Quantum Advantage），就是指實現(xiàn)了逾50個超導量子比特。

國際上從事超導電子學研究已經(jīng)有逾50年的歷史。美國和日本等已具有幾條非常成熟穩(wěn)定的超導器件與電路工藝線。美國著名的研究機構(gòu)包括了MIT（含林肯國家實驗室）、NIST、JPL等，還有專門從事超導電路研發(fā)的高科技公司HYPRES。日本主要的研究機構(gòu)包括了AIST和NICT等。此外，歐洲也有很多大學和研究機構(gòu)在開展超導器件與電路的研發(fā)，比如德國的PTB。最近幾年，隨著量子信息技術的興起，很多大公司加入到超導量子計算的研發(fā)行列，包括Google、IBM和Microsoft等等。

目前我國從事超導電子學研究的主要機構(gòu)包括中科院（上海微系統(tǒng)所、紫金山天文臺、物理所等）、高校（南京大學、北京大學、清華大學等）以及一些行業(yè)研究所（中國計量科學院、中電集團等），在傳感器和探測器研究方面已經(jīng)具有一定的積累，部分成果已達到國際先進水平。比如中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所就有一條具有國際先進水平的超導電子器件與電路工藝線，自主研發(fā)的超導單光子探測器件、超導量子干涉器件和電路等已經(jīng)達到了國際先進水平，并實現(xiàn)量子信息、地球物理探測等多項具有國際領先水平的應用演示。又如：清華大學、中科院物理所等研制的高溫超導濾波器已經(jīng)實現(xiàn)了雷達和空間應用。

國際超導電子學標準化情況

1989年7月，國際電工委員會超導技術委員會（IEC/TC90）正式成立，負責建立與超導材料和技術相關的國際標準，包括術語和定義、測量方法、材料規(guī)格、設備和器件的性能及檢測規(guī)范。IEC/TC90的國內(nèi)技術對口單位是中國科學院物理研究所，具體負責的是全國超導標準化技術委員會（SAC/TC265）。SAC/TC265于2003年8月成立，職責分為兩部分：一是負責本領域國家標準的起草和技術審查工作；二是組織有關專家參與IEC/TC90開展的國際標準制修訂活動。SAC/TC265目前是第二屆，委員共計33名，其中屬于超導電子學領域的有11名，占總數(shù)的1/3。這些委員來自于中國科學院物理研究所、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、南京大學、電子科技大學、清華大學、北京大學、中國計量科學院等機構(gòu)。

實際上，早在SAC/TC265成立之前，在1999年我國就發(fā)布了超導電子學領域的第一個國家標準GB/T17711-1999《釔鋇銅氧（123相）超導薄膜臨界溫度Tc的直流電阻試驗方法》。這個標準的制定是由國家超導技術聯(lián)合研究開發(fā)中心組織實施的，進行了由4個單位參加的為期兩年的循環(huán)比對測試，完全由我國自主建立，起草人中很多是超導電子學領域久負盛名的專家，比如北京大學的戴遠東教授。之后，由于標準制修訂經(jīng)費的限制，我國超導領域的國家標準以采用IEC國際標準為主。目前我國已經(jīng)發(fā)布超導領域的國家標準18項，但屬于超導電子學領域的只有3項。

2015年起，由SAC/TC265提議，在全國超導學術研討會上增設了“超導標準與測試技術專題”。目前討論會已經(jīng)舉辦過三屆，主題沒有局限于超導標準，還包含一些超導測試方法和測試技術等偏學術方面的議題，對超導電子學的標準化工作起到了一些宣貫作用。值得欣慰的是，近年來國內(nèi)超導電子學領域參與標準化工作的熱情不斷提升，已經(jīng)開始自主申報國家乃至國際標準新項目提案，比如《超導納米線單光子探測器-暗計數(shù)率》項目。

另一方面，中國是IEC常任理事國，也是IEC/TC90的P成員國，因此有參加超導國際標準制修訂的權利和義務。如前所述，IEC/TC90各工作組（WG）通常在一些超導領域國際知名學術會議期間，利用傍晚的時間段召開工作會議，討論國際標準制修訂相關問題。我國目前有24名專家參加各個工作組（超導電子學領域6名），在標準制修訂工作會上代表中國發(fā)表意見。此外，由SAC/TC265組織國內(nèi)專家參加國際標準制修訂過程中的新項目提案（NP）、委員會草案（CD）、委員會投票草案（CDV）、國際標準最終草案（FDIS）共4輪文件的投票和意見反饋，對IEC投票文件的反饋率達100%，并且每次都附有修改意見，特別是對比較關鍵的NP和CDV文件，絕大多數(shù)意見和建議被各WG所接受。由于對IEC國際標準化工作的突出貢獻，近年來SAC/TC265有3名委員分別獲得2015年、2018年、2019年的IEC1906獎。

總 結(jié)

超導電子學在極高靈敏度探測和下一代信息技術等領域具有傳統(tǒng)半導體器件和電路無可比擬的優(yōu)勢。2017年，由國際半導體技術路線圖（ITRS）發(fā)展而來的國際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）已將超導電子學作為新興應用技術的研究領域之一。超導電子學目前還處于從技術到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化過程中，市場有限，但是新興技術領域的發(fā)展非常迅速。我國如果能夠早些參與其國際標準化活動，將對未來在產(chǎn)業(yè)化進程中起到至關重要的推動作用。

參與國際標準化活動是一個很好的與其他國家的專家進行溝通交流的機會。多溝通，減少分歧，對于互相理解、建立互信很有幫助。這也是一個國家進行國際交流，加入地球村的有效途徑。標準化工作是一個多邊協(xié)商機制，每個國家都是平等的，推動全球標準化工作需要包括中國在內(nèi)的所有國家一起出力。