淺析超導計算機技術的發展現狀

包雷

摘 要：近年來，經濟的發展，促進我國科技水平的提升。技術是人類為了滿足社會的需要，應用科學知識，改造、保護和利用大自然，創造宜人生存的人工自然環境的方法、技能和工具、手段的總和，是人工自然物及創造過程的統一超導體作為一種新型的材料，是人們在追求零電阻的理想材料中萌育而生的，是人們應用已有知識經不懈的努力而創造出的新型材料，使我們預示到一個嶄新的社會即將到來，它將使我們的社會在各個方面發生深刻的變化。本文就超導計算機技術的發展現狀展開探討。

關鍵詞：集成電路；半導體技術；超導計算機

引言

隨著信息社會的發展，各行業對計算機性能的要求越來越高，基于半導體技術的計算機硬件的發展遇到了瓶頸。因此，世界各國都在積極推動新系統和高性能計算機技術的研究。超導計算機的概念正是在這一背景下出現的，因為超導體具有微損耗，零電阻的物理特性，因此，超導器件可以大大減少元件之間的散熱問題，從而達到提高芯片集成度、降低功耗的效果。

1 超導體的物理特性

（1）零電阻。零電阻是超導體的一個重要特性。只要進入超導態，通過超導體內的電流就可看成是無阻尼流動，表現為零電阻現象。實驗表明，超導態中零電阻現象不僅與超導體溫度有關，還與外磁場強度和通過超導體的電流有關。即使超導體的溫度了禽于l病界溫度，若外磁場很強超過了臨界磁場或者通過導體的電流超過臨界電流，超導態將被破壞。零電阻現象可以用庫拍電子對給出解釋。在超導態的基態，動量相反的電子形成庫拍電子對，沒有電流流動。當超導體處于載流的超導態時，每個庫拍對的總動量不再為零，但是，組成庫拍對的電子在互相散射過程中總動量保持不變，所以電流沒有變化。只有使庫拍對分裂的散射才有可能改變載流子的總動量，但在電流密度比較小的情形下，無法提供庫拍對分裂所需的最小能量，所以沒有電流效應。隨著電流的增長，當附加的動能超過能隙的時候，引起總動量變化（即導致庫拍對分裂）的散射就可以發生，這意味著存在臨界電流，超過臨界電流就會出現電阻。（2）邁斯納效應。一一洲完全抗磁性零電阻是超導體的一個基本特性，超導體的另一個基本特性是完全抗磁性，即邁斯納效應。1933年邁斯納等為了判斷超導態的磁性是否完全由零電阻所決定，進行了一項實驗，發現了邁斯納效應。大量實驗表明，如果先降溫，使超導體進人超導態，然后加上磁場，則它將把磁場排斥到體外；如果先加上磁場，然后降低溫度，只要溫度低于臨界溫度，磁場就會被排斥出去。不管超導體內原來有無磁場，一旦進入超導態，超導體內的磁場一定等于零，即具有完全抗磁性。超導體內的完全抗磁性根源于導體表面的屏蔽電流。當超導體進人超導態時，在其表面將產生一定的永久電流。該電流所產生的磁場在超導體內與外磁場方向相反，彼此恰好抵消。從而使超導體內的總磁場強度為零，起到屏蔽外磁場的作用。超導體的完全抗磁性會產生磁懸浮現象，磁懸浮現象在工程技術中有許多重要的應用。如用來制造磁懸浮列車和超導無摩擦軸承等。

2 超導計算機技術的應用

2.1 超導量子技術

通過對超導體中的微觀電子（庫珀對）用宏觀世界波函數加以描述，以波函數的參量變化描述大量庫珀對的集體運動。超導量子計算的基本單位是“量子比特”，超導量子器件形成能夠控制的穩定狀態，從而超導量子器件能像半導體電路一樣進行邏輯運算。但對于量子態本身是由多個本征態按一定幾率組合而成的，在發生相互作用時，將共同影響到多個本征態，由量子比特構成的數字運算邏輯，本質上相當于經典計算機的并行計算，因此，量子計算更快，更強大。當組成糾纏的兩組量子波函數其中之一受到影響時，另一組也會立刻發生變化，這種作用是不可逆的，由此便有可能遠程傳遞信息，或標志信息的狀態，從而實現高度可靠的信息加密和傳輸。超導量子器件的基本結構多是基于超導薄膜，通過光刻等手段實現陣列等復雜結構，研制具有快速開關能力的超導開關器件、超導隨機存儲器等，應用這類器件，可開發出具有超高速轉換能力（10GHz以上）和高精度（nV級）的模擬-數字轉換器件，廣泛應用于科學研究、信號處理、醫學、工業檢測等領域，這是當前量子計算技術所能預見的重要發展方向之一。超高速超導快速單通量量子（RSFQ）電路技術是構建未來超級計算機的首選技術。雖然超導量子計算和超導計算技術的實用化仍將面臨較大的原理和技術挑戰，但從超導快速單磁通量子技術的發展現狀來看，已經可以開始實施大規模的開發計劃。應當開展超導快速開關器件及基于超導結陣列電壓基準和集成超導快速開關器件的超導模數轉換和高精度電壓探測比較器的研究。該工作一方面可用于精密測量，另一方面也可作為未來超導量子計算機的數據輸入輸出單元，實現其與外界的有效接口。

2.2 超導技術在電力工程方面的應用

隨著社會的進步，對電能的需要迅速增長，但輸電過程中電能的損耗已成為日益嚴重的問題。而超導輸電，只要電流密度不超過臨界電流，超導體無電阻，原則上可以做到完全沒有焦耳熱的損耗，因而可以節省大量能源。用超導線繞制并構成閉合回路，對其勵磁，超導線圈中儲存的能量可以無損耗的長期保存，超導線圈儲能密度高（可達50J/cm3），可以瞬間輸出巨大脈沖電能。超導儲能在軍事上有著重要應用。超導線圈用于發電書毛和電動機，則可以大大提高效率，降低損耗，提高功率密度，從而導致電工領域的巨大變革。

2.3 超導技術在信息醫療和輸送系統上的應用

在醫療系統方面，利用核磁共振的磁共振圖象裝置的超導化，是超導材料在醫療系統應用的典型例子，這就是MRl裝置。除外，超導體還可做成心磁計、腦磁計、肺磁計等微弱號的傳感器。超導磁懸浮作用可使列車產生懸浮、導向和推進作用，把超導磁體裝在車廂內，軌道側則裝上起懸浮作用和推進、導向作用的兩種常規導電線圈，就可使車輪與鐵扒之間的無摩擦驅動，因此可以實現高速運轉，而且無噪聲無松動，只有風聲，軌道上不再留下痕跡。除外，利用超導電磁作用可以設想制造風磁推動船。其具體設想是：超導磁體放在船內，利用海水導電電流與磁場的相互作用而使船體取得推動力，而且不再有螺旋漿一類的轉動部件。推動力的大小與海水中導通電流值與磁場強度成正比。為了實現這一目標還有許多難題需要解決，如海水的電抗大、海水通電會出現海水電解（產生氯氣）等。由于太空是一個高真空、極低溫和無重力場的環境，因此，超導現象能大量典用于宇宙空間。一方面超導材料與元器件可利用宇宙條件進行加工制作，另一方面，超導器件可以廣泛應用于飛行器上，如微波、紅外傳感器、探測器，還可利用超導磁體裝制飛船的推進器。

3 結語

超導計算機作為引領21世紀計算機的重要發展方向，正在吸引各國的積極研究。當前雖然超導計算機的概念被廣泛提及，然而應當客觀地看到，超導計算機距離大規模應用還有很長一段路要走。眾所周知，超導體要達到超導狀態，需要極低溫的工作環境，這是一個不可回避的制約因素，在這個階段，至少應該破壞液氮溫度區（90K）以上的高溫超導材料。盡管遇到不少困難，專注于超導計算機的研究都可以為計算機技術的發展提供新的思路。

參考文獻

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