突破能耗屏障超導計算機技術初探

李實

計算機是推動人類進入信息技術時代的核心設備。隨著計算機和相關產業的快速發展，人類社會的技術能力也得到了大幅度的增強，互聯互通的程度也得到了極大提高。但是，隨著計算機持續發展以及人類所使用計算機的數量成倍增加，計算機背后的能耗問題逐漸凸顯了出來。2015年，《EnergyEfficiency》（能源效率）雜志就曾經披露過一個研究報告，其中顯示游戲PC的耗電量占據了當年所有PC耗電量的21%，達到了75TWh，相當于1.6億臺冰箱的耗電量。而根據2017年的數據，當時全球數據中心的總耗電量約為416TWh，約占當年地球總發電量的3%。除此之外，隨著全球超級計算機的發展和不斷增加的部署，超算背后的能耗問題也越來越受到大家的關注，比如目前全球排名第一的超算—日本Fugaku，其功耗就高達29899kW，相當于它運行1小時就需消耗接近3萬度電，這還不包含為這個超算提供服務的相關設備以及維護的消耗。

另一方面，計算機和相關設備不斷提升的能耗需求也帶來了一個嚴重的問題—那就是散熱。有人甚至估計，未來超算等設備有可能不得不建立在河流、湖泊甚至南北極周圍，因為超算在達到其計算能力的上限之前，散熱和功耗問題將首先成為最大的攔路虎，需要流動的河水、湖水或者極地的低溫氣候才能使得超算等設備處于能正常工作的溫度區間。因此從現在的技術發展來看，計算機尤其是超算等設備的功耗和散熱等問題，可能在不久之后的未來成為阻擋人們獲取更多算力的絆腳石。

為了解決這個問題，研究人員開始考慮現有技術路徑之外的實現方法。比如采用全新的計算架構、專用單元或者不斷改善軟件架構等。不過，這都沒有一個技術來得直接，那就是利用超導效應和量子力學有關技術來實現超導計算機。超導的特性就是沒有電阻、能耗極低，這有助于幫助人們建立低功耗的計算設備。在超導計算機的研發上，從1956年麻省理工D.A.Buck的《Thecryotron—asuperconductivecomputercomponent》論文中提到了的超導狀態實現量子計算的構想開始，人們就不斷地努力著。現在，包括中國、歐盟、日本和美國等都在超導計算上推出了各自獨特的技術和構想。近期，來自日本橫濱國立大學的研究人員在論文《MANA：AMonolithicAdiabaticiNtegrationArchitectureMicroprocessorUsing1.4-zJ/opUnshuntedSuperconductorJosephsonJunctionDevices》中提到了一種超導計算機的實現方式。借由這個論文，我們一起來了解一下超導計算機以及相關的內容。

超導約瑟夫結構和AQFP邏輯

如果要制作一臺計算機，那么首先得擁有制造計算機芯片最基本的材料，然后再制作出非門、與門、與非門等一系列具有功能的邏輯門，并將其配合使用實現功能。在目前的硅基芯片中，人們使用半導體材料，制作出了P型半導體、N型半導體、PN結等結構，經過組合使用后，獲得了一個完整的半導體芯片和相關功能。

如果是超導計算機的話，也需要進行類似的步驟。在這里，本文首先先介紹一個概念，那就是超導約瑟夫森結。

超導約瑟夫森結是目前超導計算研發中的一個重要方向。約瑟夫森結由兩個互相微弱連接的超導體構成。這里的微弱連接是指兩個超導體之間可以使用薄絕緣層，或者一小段非超導金屬，抑或是一小段可以弱化接觸點超導性的狹窄部分，不同的連接有著不同的名稱，比如SIS、SNS或者SsS，本文中使用的是SIS。

超導約瑟夫森結的特性是具有臨界電流。當流過超導約瑟夫森結的電流小于臨界電流時，超導約瑟夫森結的兩端是沒有電壓降低的。但是如果流過超導約瑟夫森結的電流稍大于臨界電流，就會觸發多重安德烈夫反射，這在電路測試中會表現為明顯的尖峰。繼續增大電流并超過超導體之間絕緣體的帶隙的話，電流和電壓的表現就會變得很線性。由于超導約瑟夫森結在臨界電流上的獨特表現，使之有可能成為邏輯電路的候選結構。

實際上根據日本橫濱國立大學的論文，超導約瑟夫森結已經成功實現了多種邏輯電路結構，包括高效快速單通量邏輯結構（ERSFQ）、高效SFQ邏輯（eSFQ）、互反量子邏輯（RQL）、LR偏置RSFQ邏輯以及低壓RSFQ邏輯（LV-RSFQ）等。但這些邏輯都屬于非絕熱邏輯，雖然借由超導特性，無論這些邏輯單元以什么頻率工作，他們的開關能量消耗都是不變的。但是考慮其非絕熱邏輯電路的特性，其工作能耗較高，不是超導計算機最佳選擇。實際上，日本研究人員使用的是一種絕熱邏輯電路，所謂絕熱邏輯電路，是指電路可以通過回收節點電容上的電荷至電源實現能量的重復利用，相比非絕熱邏輯電路，絕熱邏輯電路消耗電能大幅度降低，其能量消耗只會隨著頻率上升而上升，并且呈現線性狀態。另外，在時鐘頻率方面，絕熱電路時鐘頻率最高大約為10GHz，再高可能無法保持絕熱狀態，但是非絕熱電路的時鐘頻率最高可以達到770G Hz，但是代價是開關能量可能更高。

日本研究人員使用的是一種被稱為絕熱量子通量參數邏輯電路（AQFP）的設計，這種電路在使用無分流超導約瑟夫森結器件的測試中，在4.2K的溫度以及四相5GHz交流電的驅動下，每個邏輯開關的能量僅為每單位1.4zJ，大約是1×10的-21次方焦耳。考慮到將周圍環境降低至4.2K的能量開銷，因此將每個AQFP邏輯開關的能量乘以1000，結果為1.4aJ，也這也僅僅是1×10的-18次方焦耳。這個數值相比目前7nm工藝、0.8V電壓下的類似電路，其效率高出大約80倍。實際上，即使考慮散熱所需的能量開銷，擴大1000倍也是一個非常夸張的數字了。由于AQFP工作在超導狀態下，其功耗相對非超導狀態下的電路存在好幾個數量級的優勢，因此無論怎么比較，它依舊能夠帶來巨大而顯著的能耗降低。

從AQFP到MANA

在這里，研究人員確定了使用AQFP來制造超導計算機，并給出了一個由AQFP制造出來的加法器。研究人員發現，由于互連線存在寄生電感，因此AQFP單元的驅動距離很有限，大約只有1mm，之后就必須插入另一個緩沖區作為中繼器來放大信號。當然，在真正的芯片制造中，這樣的問題可能會得到比較好的解決。在解決了這些問題之后，研究人員們帶來了一個被稱為MANA的微架構，也就是MonolithicAdiabaticiNtegrationArchitecture絕熱集成微處理器架構。

研究人員推出MANA架構的目的是為了證明AQFP邏輯也能夠執行計算，包括邏輯處理和數據存儲等，并且所有的這些工作都可以基于單一技術、單個邏輯家族以及單個芯片內完成。由于這個芯片僅僅用于驗證芯片邏輯設計和工作可行性，因此包括芯片的IPC、吞吐量等指標就不在研究人員的考慮之內了。并且，由于這是一種全新的芯片體系結構，它缺乏系統集成工具，所有的設計都是由手工完成的，因此整體規模比較小，架構也相對簡單，時鐘單元方面采用了四相時鐘設計，需要程序控制予以配合。

研究人員給出的MANA的架構圖、支持的核心指令等。MANA的功能包括指令緩沖、解碼、發出以及帶有外部IO訪問的RF階段、執行階段和回寫階段等。在架構圖中，研究人員使用不同顏色標識了MANA的不同部分。其中綠色的是指令的緩沖、存儲和發出部分，包括4×16b的緩存、PC&指令fetch以及指令解碼、棕色的RFX寄存器階段、橙色的ALU和位移執行階段、藍色的數據回寫和緩沖階段。

整個MANA的處理過程非常簡單。比如它的寄存器只是一個16×4b容量的、2讀/1寫的小型寄存器。寄存器的$14和$15用于保存IO數據、$0是恒定的零寄存器。外部IO數據通過串行方式進入$14和$15，其中前者包含內存字節數據比較高的部分，后者包含比較低的部分。數據進入后，控制標志就可以標明$14和$15是可以進行處理的有效數據，被送入后面的執行部分。執行部分只有一個4bit的整數ALU和一個4bit的位移單元，值得一提的是，這兩個單元是串行的，也就是說無論數據是否需要進行整數或者位移計算，都必須通過這兩個單元。數據經過處理后，再交給回寫單元進行判斷。

整個處理器的架構可以用“簡陋”來形容，考慮到MANA只是用于驗證AQFP是否可以實現制作超導計算機，因此這樣的邏輯關系和計算架構也基本夠用了。

在基本架構確定了之后，研究人員就可以根據這個基本架構來搭建包括軟件環境、組合邏輯設計、內存、時鐘方面的設計了，另外他們還需要進行組件集成。實際上由于這類芯片采用了全新的架構，其絕大部分部件都是沒有先例可循的，因此研發人員不得不采用手工制造的方式來完成。在超導材料方面，AQPF制作采用的是金屬鈮和絕緣層氧化鋁，因此又被稱為Nb-AlO材料。金屬鈮在10K以下的溫度時能夠呈現超導特性，最終芯片也要工作在這個溫度下。

從MANA到第一個測試芯片

MANA從藍圖到實際產品采用的是AISTHSTP10kA/cm2Nb/AlOx/Nb超導芯片制作工藝。不過有點令人沮喪的是，由于前期對芯片尺寸的估計比較保守，因此后期不得不使用較大的1cm×1cm的基板來完成芯片制作，但是研究人員發現他們的高頻率探頭設備不支持這么大的尺寸，不得不改用低頻率探頭來完成有關功能的測試，并且整個芯片的頻率被限定在100KHz之下，也就是0.1MHz。但是，研究人員為了證明MANA真的能在高頻率也就是GHz下運行，在后期也單獨制作了一個包括ALU和數據轉移器的小尺寸設備，這個芯片被稱為“EX”，其尺寸只有2mm×3.5mm，運行頻率大于1GHz，并成功完成了測試。

測試人員將整個芯片放置在溫度僅為4.2K的液氦中進行測試工作。在經過一系列的設置和啟動后，測試人員開始在較低的頻率也就是100KHz下運行MANA芯片，并演示了2個簡單的四指令程序，比如讓數據和寄存器某位數據相加，比較兩個數據的大小，讓寄存器內數據相加，比如“3+2”、“9-5”、“9-（4+3）”等操作，同時還使用示波器進行探測，以確定芯片是真的在工作且工作后的結果是正確的。

對于“EX”芯片，由于缺失部分功能，因此研發人員只能用一些更簡單方法測試，包括臨界進位傳播測試，其中控制信號被設置為固定的加法。測試總共在12個EX芯片上完成，其中7個可以完成正確的功能，最大工作頻率約為1.2GHz～2.5GHz。一些芯片的輸出不穩定或者振蕩，可能是由于磁通捕獲或者其他原因等。

如何判斷超導芯片的功耗和性能

MANA的出現和成功實踐，證明超導材料、AQFP制造芯片是完全可行的。那么，超導芯片和傳統芯片在能耗、性能方面孰優孰劣呢？

MANA在研發和測試中使用的是液氦冷卻，因此研發人員認為，這樣一來，這種芯片所對應的計算機設備，是不可能出現在移動市場、個人電腦市場的，針對的只能是超大型計算機，也就是超算。

首先，研究人員使用了兩臺LindeLR280液氦冷卻系統，并且認為整個系統包括室內其余的設備總計需要2MW電源功率。接下來，研究人員計算了在2MW的冷卻設備支持下，采用AQPF芯片實現類似GA100和英特爾北極星芯片的功能的話，能夠冷卻多少芯片。為此，研發人員設定了2個假定條件，A是假設在芯片模擬中，采用AQPF的數量和現在的芯片晶體管數量相當，B是采用AQPF的數量是4倍于現在的晶體管才能實現相同的性能。相比之下，B假定顯得相當保守。

在這個估計中，以AQPF芯片在1.5GHz運行時開關總量為0.2zJ每單位、5GHz以1.4zJ每單位來計算的話，在4.4K的溫度下，以AQPF芯片制作的GA100GPU，在假設A下功耗為15.2mW，在假設B下為60.9mW，以AQPF制作的英特爾CPU在假設A下為0.7mW，在假設B下為2.9mW。無論是CPU還是GPU，其功耗都顯著低于現有產品好幾個數量級。比如GA100芯片，實際應用中TDP功耗不會低于350W，相比采用AQPF材料制作并保持超導狀態的話，功耗高了大約23026倍。因此，即使采用2MW冷卻設計，整個系統也能容納A假設下的66980個GPU和1429000個CPU，或者B假設下的16750個GPU和357100個CPU。

那么，以兩臺LindeLR280液氦冷卻系統冷卻的AQFP超算能達到怎樣的計算水平呢？以美國能源部的百億億次計算機為例，這款計算機需要的冷卻功耗是20MW，達到的計算能力預計超過1EFLOPS。如果同樣冷卻功耗的LindeLR280液氦冷卻系統組建AQFP超導超算的話，使用AQPF版本的英偉達GA100芯片，A預測下雙精度性能可以高達6.5EFLOPS，B預測下也能達到1.6EFLOPS。對于英特爾來說，A預測下計算性能可達23.3EFLOPS，B預測下則為5.8EFLOPS。由于這只是預測，實際的計算性能更可能會位于A和B條件預測之中。但即使如此，這也已經是一個令人驚訝的性能表現數據了。

可能只是一小步，但是也能看到未來

從本文對日本研究人員所做的工作介紹來看，目前超導計算機和相關產品的研究，已經從之前的理論進入了實際階段，研究人員開始試制超導芯片并進行了簡單測試，然后通過實驗數據預估了超導計算機在超算等同檔次設備上的應用情況。當然，日本研究人員本次進行的研究還是初步的，它只是超導計算的一小步，但是可以窺探到的未來卻是廣闊而不可限量的。

接下來，人們會在超導材料、制造工藝以及實現方式上面做更多的探索，比如目前采用金屬鈮和相匹配的液氦，成本過于昂貴，如果換用高溫超導材料會不會得到同樣的結果且更為容易生產和推廣？如果最終高溫超導材料能做到液氮溫度下超導且可以用于計算機設計的話，那么超導芯片必將快速崛起。還有在芯片設計環境、軟件配套上的一系列產品，可以想象這又是一個龐大的萬億級別市場。超導的未來，值得期待。