室溫超導(dǎo)是否可以幫助降低芯片功耗呢？

先簡(jiǎn)單介紹下超導(dǎo)體的幾個(gè)重要物理效應(yīng)，

1）零電阻效應(yīng)

在超導(dǎo)體的臨界溫度以下，其電阻值降為零。銅的電阻率為1.7x10^-8 Oh*m, 雖然其數(shù)值較小，但是在芯片設(shè)計(jì)中要考慮metal routing的電阻影響，過(guò)長(zhǎng)的金屬走線會(huì)帶來(lái)一定的電壓降，可能引起IR drop的問(wèn)題，使得電路中實(shí)際的電源電壓不滿足要求，超導(dǎo)體則不會(huì)存在該問(wèn)題。基于超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)，不會(huì)發(fā)生衰減，有望應(yīng)用于長(zhǎng)距離直流傳電和強(qiáng)磁體。

2）邁斯納效應(yīng)

所謂邁斯納效應(yīng)(Meissner Effect), 即完全抗磁性，在臨界溫度以下，磁力線無(wú)法穿過(guò)超導(dǎo)體，如下圖所示。微觀的解釋是，超導(dǎo)體內(nèi)的庫(kù)珀對(duì)在表面形成電流，表面電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)在超導(dǎo)體內(nèi)完全抵消。我們?cè)谝恍?a target="_blank">視頻中看到的超導(dǎo)體懸浮在磁場(chǎng)的現(xiàn)象，即對(duì)應(yīng)邁斯納效應(yīng)。磁懸浮列車正是邁斯納效應(yīng)的一個(gè)重要應(yīng)用。

3）約瑟夫森效應(yīng)

所謂約瑟夫森效應(yīng)(Josephson Effect)，是指在超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體形成的三明治結(jié)構(gòu)中(也稱為約瑟夫森結(jié))，無(wú)外加電壓時(shí)，電子庫(kù)珀對(duì)可以通過(guò)量子隧穿越過(guò)中間的絕緣體，形成超導(dǎo)電流，如下圖所示。當(dāng)施加直流電壓時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的交變電流。超導(dǎo)量子計(jì)算正是通過(guò)基于約瑟夫森效應(yīng)構(gòu)建的超導(dǎo)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在一些公眾號(hào)文章中，鼓吹室溫超導(dǎo)可以大大降低芯片功耗。我們常說(shuō)的芯片，其實(shí)是半導(dǎo)體芯片的簡(jiǎn)稱。而芯片的底層元器件是CMOS晶體管，通過(guò)在半導(dǎo)體中進(jìn)行摻雜，形成P區(qū)和N區(qū)，進(jìn)而形成不同功能的器件。不同元器件之間通過(guò)金屬互聯(lián)，如果使用超導(dǎo)體取代這些金屬互連線，則可以有效降低IR drop的風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，室溫超導(dǎo)體無(wú)法插足現(xiàn)有的半導(dǎo)體芯片大廈。

對(duì)于芯片功耗，可以主要分為以下幾部分，

1）翻轉(zhuǎn)功耗(switching power)

翻轉(zhuǎn)功耗，即電路對(duì)負(fù)載電容充放電所消耗的功率，計(jì)算公式為，

2)短路功耗(short-circuit power)

在晶體管翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)波形上升沿和下降沿的過(guò)程中，會(huì)存在P管和N管都處于導(dǎo)通的狀態(tài)，此時(shí)電流從VDD流向GND, 產(chǎn)生功耗，如下圖所示。短路功耗和翻轉(zhuǎn)功耗都屬于動(dòng)態(tài)功耗(dynamic power)。

3)漏電功耗(leakage power)

漏電功耗，即電路在靜態(tài)時(shí)由于一些寄生的漏電引起的功耗，對(duì)應(yīng)晶體管不同摻雜區(qū)域形成PN結(jié)通電后的微弱電流流動(dòng)。CMOS管的漏電主要包括：a)亞閾值漏電流Isub, b)柵極感應(yīng)漏電流Igidl和Igisl，c)柵極漏電流Igate, d)晶體管反偏電流，如下圖所示。

隨著工藝節(jié)點(diǎn)的提升，相同面積中的晶體管數(shù)目增加，漏電功耗在芯片整體功耗所占的比例越來(lái)越高，超過(guò)50%，如下圖所示。

對(duì)于高速光模塊，功耗大體分為三部分，即DSP、激光器和模擬電路相關(guān)。下圖為400G ZR的功耗分解圖，其中DSP幾乎占總功耗的半壁江山，driver和TIA占27%，可調(diào)諧激光器占12%。這也是Linear drive概念受到青睞的原因，干掉功耗大戶DSP。400G光模塊的典型功耗是8-10W。

需要注意的是，對(duì)于硅光方案，其外部DFB光源的功率都比較大, 典型值為16-18dBm，考慮到DFB激光器本身的轉(zhuǎn)換效率(wall-plug efficiency)，對(duì)應(yīng)的功耗較大。這也是CPO模塊中光源外置的主要原因之一，可以降低激光器散熱對(duì)硅光芯片的影響。對(duì)于像Intel的異質(zhì)集成光源方案，其光功率一般不會(huì)太高。

最后再簡(jiǎn)單聊一下，如果室溫超導(dǎo)得以實(shí)現(xiàn)，量子計(jì)算是否會(huì)大范圍應(yīng)用，取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)？一方面，室溫超導(dǎo)如果實(shí)現(xiàn)，整個(gè)量子系統(tǒng)不再需要維持在低溫狀態(tài)下，但是仍然需要解決環(huán)境溫度擾動(dòng)對(duì)量子態(tài)的影響。另一方面，室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)將帶來(lái)量子系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，量子比特的數(shù)目將得以大幅度增加（IBM目前實(shí)現(xiàn)了433個(gè)量子比特的量子處理器），量子計(jì)算的商業(yè)應(yīng)用將會(huì)大大加速，有望從實(shí)驗(yàn)室真正走向大眾。但是從材料的研發(fā)成功，到應(yīng)用到計(jì)算芯片中，還有很長(zhǎng)的路要走，道阻且長(zhǎng)，行則將至。

對(duì)于芯片從業(yè)人員，沒(méi)有必要恐慌，保持關(guān)注即可。目前的芯片基礎(chǔ)是半導(dǎo)體，不是超導(dǎo)體。即便室溫超導(dǎo)真的得以實(shí)現(xiàn)，半導(dǎo)體芯片依然會(huì)是主流，室溫超導(dǎo)中短期不會(huì)對(duì)芯片行業(yè)產(chǎn)生影響。如何有效降低芯片功耗，才是芯片工程師們更需要關(guān)注的問(wèn)題。