月度归档:2012年03月

工艺

尽管英特尔依然乐观地预测将于2015年之前推出8nm制程工艺的芯片,但人们还是怀疑14nm可能将成为硅芯片尺寸的最终尽头。

近年来,芯片的发展进程始终严格遵守着“摩尔定律”,并有条不紊地进行着,直到14nm制造工艺的芯片在英特尔的实验室中被研制成功,业界开始有了担忧。

据摩尔定律所说,集成在同一芯片上的晶体管数量大约每两年增加一倍,同时相同大小的芯片将具有双倍的性能。一旦达到14nm的制程,将极其接近硅晶体的理论极限数字(大约为9nm到11nm)。

尽管英特尔依然乐观地预测将于2015年之前推出8nm制程工艺的芯片,但人们还是怀疑14nm可能将成为硅芯片尺寸的最终尽头。

纳米级芯片速度放缓

我们相信,寻找这一答案恐怕还要从芯片的发展历史说起,早在上世纪八九十年代,无论是英特尔、IBM 还是TMSC(台积电)宣布他们的晶体管产品跨越至下一个纳米级,或者其芯片的晶圆工厂进入到微米级梯队,都足以称为是令业界震惊的大事件。比如1985年,英特尔的80386处理器采用了1微米制造工艺;2004年底,微米尺寸被彻底抛弃,采用90nm的Winchester AMD 64和Prescott Pentium 4成为了当时业界的新标。

不过在最近,硅芯片的工艺制程速度被不断放缓。现阶段的数码设备所使用的处理器、传感器以及内存芯片基本都是基于45nm或60nm,因为除了英特尔以外,几乎没有哪家的硅芯片产品或技术能够达到32nm,更别提22nm了。

传统制造工艺遭遇瓶颈

原因在于,芯片在制造过程中通常会采用的自上而下、逐层制造的方法已经出现了技术瓶颈,即使在通过最新的原子层沉积技术,将芯片工艺进一步带入22nm、16甚至14nm,以及硅晶体管的“三维”结构后,恐怕就再也没路可走了。

我们知道,原子的体积非常小,例如,一个氢原子大约只是0.1nm,铯原子的体积在0.3nm左右,而硅芯片上的原子大概在0.2nm左右。如此,可以正确理解为,22或16nm的硅芯片上可以聚集几百个原子,但这并不是某一个晶体管的大小,它实际上是一种离散芯片元件距离的有效措施而已。在22nm芯片中,这种制造工艺目前只被英特尔一家所掌握,并且其相关的芯片产品Ivy Bridge也即将面向市场其中的高-K介电层只有0.5nm厚,相当于2到3个原子的厚度。

然而问题在于,世界上没有一种制造技术是完美的。当我们因为某个不适合的原子而影响了整个芯片时,它将不再可能创造出性能可靠且具备成本效益的优质电路。

突破口可能是“补充技术”

那么,究竟应该如何突破14nm的技术瓶颈,也许惟一的选择应该是改变现有芯片的制造方式,现在研究人员每年都花费大量的时间和金钱在已有的逐层蚀刻技术领域,但这并不是解决问题的方向。

未来几年的应对措施应该聚焦在那些临时补充技术上,例如IBM的“silicon glue”以及Invensas的chip-stacking技术等,这些技术既可以降低能耗,提高单芯片性能,又可以将更多晶体管汇聚到同一晶圆片上其技术关键在于,减少栅极漏电来控制功耗,以及在单晶片上构建更多数量的元件。

好在英特尔最近公布的14nm路线图已经回应了我们对于突破14nm技术瓶颈的种种揣测,也是英特尔的答案是石墨芯片、光子或量子计算机,或是转向了移动计算。不过,无论采用哪种技术,都不用太过担心如果说永无止境的硅芯片制造工艺教会了人们什么,那就是未来的电脑一定会变得更快、更便宜和更有效。(文章节选自Extreme Tech 《Is 14nm the end of the road for silicon chips?》)来源[1])

IBM超导量子比特的制备

IBM超导量子比特的制备,是以硅为基质,采用铝和铌超导体进行,两个超导电极处于氧化铝绝缘体之间。

今天的量子计算机仅仅是实验。研究人员可以串起少数量子比特,就是看似神奇的比特位,它存储“1”和“0”是在同一时间,这些稍纵即逝的创作,可以运行相对简单的运算。但IBM新的研究表明,更为复杂的量子计算机已为时不远。

采用三个量子比特的芯片,IBM为更大的量子计算机奠定了基础。

本周二,IBM公司透露,有些物理学家,在纽约约克镇高地(Yorktown Heights,)沃森研究中心(Watson Research Center)取得重大进展,创造出“超导量子比特”,这属于几个研究领域,最终会带来一种量子计算机,性能呈指数倍增长,胜过今天的经典计算机。

马蒂亚斯•斯特芬(Matthias Steffen)负责蓝色巨人(Big Blue)的量子计算的实验组,他和他的小组提高了超导量子比特的性能,提高两到四倍。“这意味着,我们可以真正开始考虑更大的系统,”他说,“把这些量子比特放在一起,可进行更大的纠错。”

大卫•迪文森佐(David DiVincenzo)是德国西部量子信息研究所余利希研究中心(Jülich Research Center)教授,他和以前的同事伊夫•斯特芬(If Steffen)也认为,IBM的新的研究不仅仅是一个里程碑。“现在,这些指标首次达到必要的水平,可以开始升级量子计算,使它更加复杂,”他说。“我认为,我们很快就会看到整体量子计算模块,而不是只有两个或三个量子比特实验。”

你办公桌上的电脑遵循经典物理学定律,也就是日常世界的物理学,而量子计算机触及令人费解的量子力学性能。在经典计算机中,晶体管存储一个单一的“比特”信息。例如,如果晶体管是“打开”的,它就存储一个“1”。“如果它关闭”,它就存储一个“0”。但是,在量子计算机中,信息呈现为一个系统,它可以同时存在两种状态,这是因为量子力学的叠加原理(superposition principle)。这样的量子比特可以同时存储“0”和“1”。

例如,信息可存储为电子自旋。“向上”自旋代表“1”。“向下”自旋代表“0”。在任何给定的时间,这个自旋可以同时既向上又向下。“这个概念在古典世界几乎没有类似的情形,”斯蒂芬说。“这几乎就像是说,我可以既在这里又在你那里,而且是在同一时间。”

然后,如果你把两个量子比特放在一起,那它们就可以存储四个值:00,01,10和11。你增加越来越多的量子比特,就可以建立一个系统,性能成指数倍增长,胜过经典计算机。比如说,你就可以破解世界上最强的加密算法,只需要几秒钟。IBM指出,有250个量子比特的量子计算机,会包含更多的比特位,数量超过宇宙中的粒子。

但制作量子计算机是不容易的。这个想法首次提出是在80年代中期,我们仍然处于试验阶段。麻烦的是,量子系统这么容易“脱散”,就是从两个同时存在的状态下降到只有一个单一的状态。你的量子比特位会非常迅速地成为普通的经典比特位。

马蒂亚斯•斯特芬和大卫•迪文森佐等研究人员的目标,就是要制成一些系统,以解决这个脱散问题。在IBM公司,斯特芬和他的小组的研究,是基于一种现象,称为超导性。从本质上讲,如果你把某些物质冷却到非常低的温度,它们就会表现出零电阻。斯特芬把这描述为某种东西,类似循环闭合电路,在其中,电流可以在同一时间流向两个方向。顺时针电流代表“1”,逆时针代表“0”。

IBM量子比特的制备,是在硅基质上进行,使用铝和铌(niobium)超导体。从本质上讲,两个超导电极处于绝缘体之间,这种绝缘体也就是所谓的约瑟夫森结(Josephson junction),属于氧化铝。诀窍在于,要保持量子系统不会消相干,时间要尽可能长。如果你能使量子比特保持量子态,时间足够长,斯蒂芬说,那你就可以制成所需的纠错系统,从而运行可靠的量子计算机。

阈值大约是10至100微秒,据斯特芬说,他的小组现在已经做到了这一点,采用的是一种“三维”量子比特,所采取的方法,最初是美国耶鲁大学(Yale University)的研究人员介绍的。十年前,消相干时间更接近一纳秒。换句话说,在过去的十多年中,研究人员已经使超导量子比特性能提高了1万多倍。

IBM小组也制作了一个“受控非门”(controlled NOT gate),采用的是传统的二维量子比特,这意味着,他们可以改变一个量子比特的状态,只需要依赖另一个量子比特的状态。这也是必要的,可以制成实用的量子计算机,斯特芬说,在95%的时间,他的小组可以成功改变这种状态,这是因为消相干时间大约是10微秒。

“所以,不仅是我们单个设备的性能非常好,”他解释说,“我们演示的两个量子比特的设备是一种基本逻辑门,也足够好,至少可接近所需的阈值,制成实用的量子计算机。我们还没有到达那里,但我们正在到那里。”

结果是,研究人员现在准备制成一个系统,可以跨越几个量子比特。“接下来的瓶颈是,如何使这些设备更佳。这个瓶颈就是如何把五个或十个这样的量子比特放在一个芯片上,”斯蒂芬说,“该设备的性能足够好,现在就可以做到这一点。问题是:“你怎么把它都放一起?”

现在,它的三维超导量子比特可以延长每个量子比特的量子状态,使持续时间达到100微秒,这一时间对于你我而言是很短的,但对于电脑而言,就相当于一生的时间,这种电脑理论上可以知道一切。他们的论文,题为《超导量子比特波导腔相干时间接近0.1毫秒》(Superconducting qubit in waveguide cavity with coherence time approaching 0.1ms),还有一篇是《完整通用量子门设置接近容错阈值采用超导量子比特》(Complete universal quantum gate set approaching fault-tolerant thresholds with superconducting qubits),昨天演示后都已散发,IBM希望,科学家们现在可以集中力量研究纠错方案,进一步改善这种技术。部分启示是,IBM制作这种量子比特,采用了传统商用芯片的制造技术:这意味着,如果突破最后的障碍,那就有可能大规模生产这种技术,可以非常迅速地上规模。IBM公司估计,再用10到15年,我们就可以有可靠的量子计算机。

 

量子计算机 15年内问世

IBM宣布在量子运算领域获得重大突破,因此人类拥有比超级计算机速度更快个人计算机的日子已不远。IBM表示,他们已创造出使用量子运算技术的工作元件,下一步是「创造出系统」。

任何超级计算机均无法与量子计算机竞速,是因量子计算机具备同时进行数百万个计算的能力,换句话说,一旦量子计算机诞生,地球上所有计算机码可能在一夕之间破解。

IBM科学家表示,他们已将量子运算的技术提升「一千倍」,原本预计50年后才会出现的量子计算机,可能15年左右即可问世。IBM科学家对能在「有生之年」见到量子计算机极感兴奋。

IBM科学家的成果之一,是将量子位元维持量子状态的时间,扩大到100个微秒(一百万分之一秒),是过去纪录的二至四倍。此一时间量是「管控」资料错误的最低门槛,达到这样目标,同时意谓科学家已可将研究转向其它的工程挑战。

科学家的下一步骤是创造系统,开发量子运算的能力。IBM科学家史泰芬说:「我们所做的量子运算工作研究显示,它不再只是强力的物理学实验,该是根据这项科学创造系统,将运算带入新领域的时候。」

IBM量子计算机取得重大突破 可进行百万项计算

新浪科技讯 北京时间3月1日消息,据美国物理学家组织网报道,IBM研究院的科学家在提高量子计算装置性能方面取得重大进展。他们做到了在减少基本运算误差的同时保持量子比特的量子机械特性完整性,从而进一步加快研制全尺寸实用量子计算机的步伐。量子计算机利用物质的量子机械行为,计算能力超过目前的任何超级计算机。

计算领域的革命

借助于IBM实验室研发的一系列技术,科学家得以减少基本运算的误差,同时保持量子比特(量子计算中携带信息的基本单位)的量子机械特性完整性。IBM采用了超导量子比特(利用已经得到验证的硅微细加工技术),能够在将来的某一天进行升级,生产数千或者数百万台量子比特计算装置。在2月27日至3月2日于美国马萨诸塞州波士顿举行的美国物理学会年度会议上,IBM的研究人员将公布他们的最新研究成果。

量子比特的特性允许量子计算机一次进行数百万项计算,台式机通常只能进行最低限度的同步计算。250量子比特所包含的比特数超过宇宙内的原子数量。量子计算机能够利用这种特性进行敏感信息的加密和解密,进而对数据加密领域产生深远影响。IBM的科学家和研究小组负责人马赛厄斯-斯特芬表示:“我们进行的量子计算机研究绝不仅仅是一次引人注目的物理学实验。现在已到了我们利用量子学知识研发相关计算系统的时候了,这种系统能够将计算领域带到一个全新的疆界。”

IBM的研究小组致力于研发能够解决现实问题的量子计算系统。量子计算机的潜在应用包括搜索由非结构化信息构成的数据库,进行任务最优化和解决此前无法解答的数学问题。普通计算机所能理解的最基本信息单位是比特。比特就像是一个电灯,可以打开和关闭,1比特只有两个值,一个是“1”,另一个是“0”。对于量子比特来说,它们的值除了可以是“1”或者“0”外,还可以让两个值同时存在。这种特性被称之为“迭加”,允许量子计算机一次进行数百万项计算。

消除量子脱散

在试图利用量子计算的运算能力过程中,科学家面临的一大挑战是控制或者消除量子脱散,也就是热量、电磁辐射和材料缺陷等干扰因子导致的计算误差。为了解决这个问题,科学家进行了多年实验,寻找减少误差以及延长量子比特保持机械特性时间的方式。如果能够在足够长的时间内保持机械特性,并且找到有效的纠错手段,量子计算机便可长时间进行复杂运算。

很多可靠系统都具有让科学家研制出功能齐备的量子计算机的能力。目光,IBM将目光聚焦超导量子比特,允许科学家快速过渡到升级和生产。最近,IBM对一个独特的三维超导量子比特装置进行了实验,实验在耶鲁大学启动。研究人员利用一个3D量子比特延长量子比特保持量子态的时间——达到100微秒,是此前纪录的2到4倍。根据IBM的研究,科学家能够找到有效的纠错手段,进而可以将目光投向量子比特计算装置可升级性涉及的工程学问题。

在其他实验中,IBM的研究小组演示了一个更为传统的二维量子比特装置,执行一次2量子比特逻辑运算——“控制非”运算。这种运算是更大规模的量子计算系统的基本构成。实验结果显示,运算的成功率达到95%,部分归功于较长的相干时间,接近10微秒。这些数字是寻找有效纠错方案的重要数据,同时也有助于未来的多量子比特实验。

挑战虽多 前景乐观

研制一台具有实用价值的量子计算机面临很多科学和技术方面的挑战,不过,科学家正快速取得进展,因此前景非常乐观。在研制量子比特计算装置过程中,IBM在核心装置的技术和性能方面取得一系列令人吃惊的成就,性能自2009年中期以来从最初的100倍提高到现在的1000倍,距离科学界确定的全尺寸量子计算机所需满足的最低要求已经非常接近。IBM表示,他们与量子计算研究领域的同行进行信息交换,从他们身上学到很多东西,同时也得到一些大学和工业合作伙伴的帮助,这对于他们的研究非常重要。

德国亚琛大学量子信息研究所的大卫-蒂维塞佐表示:“IBM研究小组进行的超导量子研究正不断取得进展,他们正朝着研制可靠可升级的量子计算机的道路稳步前进。他们研制的装置性能出色,已经让他们非常接近满足实用量子计算机最低要求的这一目标。他们的研究证明有效纠错和可靠的逻辑量子比特运算能够成为现实。”

由于IBM取得的研究突破,对超导量子比特和未来研制量子计算机的乐观情绪快速高涨。迄今为止,这一领域的大部分工作都旨在如何提高计算装置性能。现在,科学家也必须将目光聚焦系统集成,评估针对纠错的信息处理需求、I/O问题、可行性以及升级成本。根据IBM的设想,一台具有实用性的量子计算系统包括一个与量子计算硬件相连的传统系统。为了让量子计算机能够具备与当前研制的最先进数字计算机同样的性能或者实现超越,必须借助于在通讯和封装技术领域取得的成果。(孝文)