南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作，它的名字是 DISCOVER，這是一個(gè)相當(dāng)有趣的首字母縮略詞，代表超越 Exascale 實(shí)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)投資的超導(dǎo)計(jì)算的設(shè)計(jì)和集成。

　　顧名思義，科學(xué)家們正在尋求使用超導(dǎo)材料作為當(dāng)今半導(dǎo)體的替代品，以開發(fā)新型的超高速和高能效集成電路，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和大規(guī)模的百億億次計(jì)算。

　　創(chuàng)造每秒可提供超過 1 exaflop 或 1 quintillion 浮點(diǎn)運(yùn)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)一直是美國和包括中國在內(nèi)的國家的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略目標(biāo)，因?yàn)樗鼈兛梢燥@著加快關(guān)鍵研究項(xiàng)目的速度，從藥物發(fā)展到氣候變化模型。

　　然而，有一個(gè)擔(dān)憂是，今天設(shè)計(jì)和制造硅處理器的方法將碰壁，并且不再能夠充分?jǐn)U展以提供 exaflop 后的性能，因此需要像超導(dǎo)體研究這樣的東西來有望克服這一技術(shù)障礙。

　　NSF 負(fù)責(zé)計(jì)算和信息科學(xué)與工程的助理主任 Margaret Martonosi 表示，周五宣布授予 DISCOVER 的 1500 萬美元獎(jiǎng)金，旨在“支持在后摩爾定律時(shí)代為計(jì)算系統(tǒng)設(shè)想未來材料的努力”。

　　DISCOVER 的工作需要開發(fā)完整的硬件和軟件系統(tǒng)，“能夠設(shè)計(jì)、優(yōu)化和演示新型超導(dǎo)器件、單通量量子邏輯電路以及具有非常高性能和超高能效的超導(dǎo)系統(tǒng)，接近能量的理論極限效率。”

　　更具體地說，該團(tuán)隊(duì)專注于使用基于鈮的約瑟夫森結(jié)的芯片，該器件由兩種超導(dǎo)材料組成，通過非超導(dǎo)材料連接。這些設(shè)備只能在 4.2 開爾文(等于 -452 華氏度或 -269 攝氏度)的超低溫下運(yùn)行，并且它們“通過在超導(dǎo)回路中產(chǎn)生或消除持續(xù)電流”來存儲(chǔ) 0 和 1 的邏輯值。

　　正如 DISCOVER 所述，這些超導(dǎo)回路的真正巧妙之處在于它們“表現(xiàn)出零電阻，因此不會(huì)損失能量”。這是超導(dǎo)芯片對(duì)計(jì)算能效產(chǎn)生如此驚人影響的一個(gè)重要原因。

　　前路漫漫

　　對(duì)他們來說，未來有大量的工作要做，因此 DISCOVER 正在南加州大學(xué)維特比團(tuán)隊(duì)和其他幾所大學(xué)的研究人員之間進(jìn)行分工，其中包括阿拉巴馬州的奧本大學(xué)、紐約的康奈爾大學(xué)、波士頓的東北大學(xué)、西北大學(xué)伊利諾伊州、紐約羅切斯特大學(xué)和日本橫濱國立大學(xué)。

　　USC Viterbi 團(tuán)隊(duì)將專注于為廣泛的應(yīng)用開發(fā)超導(dǎo)電路和架構(gòu)，包括通用處理器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器和量子計(jì)算機(jī)的經(jīng)典控制系統(tǒng)。

　　另一方面，其他大學(xué)研究人員將與 USC Viterbi 團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)現(xiàn)“低溫計(jì)算核心超導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和原型設(shè)計(jì)”，該系統(tǒng)帶有令人難以置信的酷炫 SuperSoCC 首字母縮寫詞。

　　SuperSoCC 的工作將涉及新型材料和設(shè)備、片上存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)以及允許 SuperSoCC 與室溫電子設(shè)備交互的接口。

　　DISCOVER 認(rèn)為，SuperSOCC 的能效比使用硅基 CMOS 晶體管制造的傳統(tǒng)芯片至少高 100 倍，同時(shí)提供與“最先進(jìn)的”多核半導(dǎo)體芯片相同水平的性能。另一方面，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為 SuperSoCC 可以在與基于 CMOS 的芯片相同的能量水平下提供至少 100 倍的性能。

　　值得注意的是，DISCOVER 表示，盡管 SuperSOCC 需要低溫冷卻的能源成本，但這些主要收益是可能的。

　　最終，DISCOVER 希望“賦能新一代多樣化的工程師和企業(yè)家，他們將把超導(dǎo)設(shè)備和電路帶入高性能計(jì)算的主流”。

　　領(lǐng)導(dǎo) DISCOVER 的南加州大學(xué)教授和綠色計(jì)算專家馬蘇德·佩德拉姆 (Massoud Pedram) 表示：“隨著基本的 CMOS 擴(kuò)展極限近在咫尺，探索新興顛覆性計(jì)算技術(shù)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟?！?/p>