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计算机是推动人类进入信息技术时代的核心设备。随着计算机和相关产业的快速发展，人类社会的技术能力也得到了大幅度的增强，互联互通的程度也得到了极大提高。但是，随着计算机持续发展以及人类所使用计算机的数量成倍增加，计算机背后的能耗问题逐渐凸显了出来。2015年，《EnergyEfficiency》（能源效率）杂志就曾经披露过一个研究报告，其中显示游戏PC的耗电量占据了当年所有PC耗电量的21%，达到了75TWh，相当于1.6亿台冰箱的耗电量。而根据2017年的数据，当时全球数据中心的总耗电量约为416TWh，约占当年地球总发电量的3%。除此之外，随着全球超级计算机的发展和不断增加的部署，超算背后的能耗问题也越来越受到大家的关注，比如目前全球排名第一的超算—日本Fugaku，其功耗就高达29899kW，相当于它运行1小时就需消耗接近3万度电，这还不包含为这个超算提供服务的相关设备以及维护的消耗。
另一方面，计算机和相关设备不断提升的能耗需求也带来了一个严重的问题—那就是散热。有人甚至估计，未来超算等设备有可能不得不建立在河流、湖泊甚至南北极周围，因为超算在达到其计算能力的上限之前，散热和功耗问题将首先成为最大的拦路虎，需要流动的河水、湖水或者极地的低温气候才能使得超算等设备处于能正常工作的温度区间。因此从现在的技术发展来看，计算机尤其是超算等设备的功耗和散热等问题，可能在不久之后的未来成为阻挡人们获取更多算力的绊脚石。
为了解决这个问题，研究人员开始考虑现有技术路径之外的实现方法。比如采用全新的计算架构、专用单元或者不断改善软件架构等。不过，这都没有一个技术来得直接，那就是利用超导效应和量子力学有关技术来实现超导计算机。超导的特性就是没有电阻、能耗极低，这有助于帮助人们建立低功耗的计算设备。在超导计算机的研发上，从1956年麻省理工D.A.Buck的《Thecryotron—asuperconductivecomputercomponent》论文中提到了的超导状态实现量子计算的构想开始，人们就不断地努力着。现在，包括中国、欧盟、日本和美国等都在超导计算上推出了各自独特的技术和构想。近期，来自日本横滨国立大学的研究人员在论文《MANA：AMonolithicAdiabaticiNtegrationArchitectureMicroprocessorUsing1.4-zJ/opUnshuntedSuperconductorJosephsonJunctionDevices》中提到了一种超导计算机的实现方式。借由这个论文，我们一起来了解一下超导计算机以及相关的内容。
超导约瑟夫结构和AQFP逻辑
如果要制作一台计算机，那么首先得拥有制造计算机芯片最基本的材料，然后再制作出非门、与门、与非门等一系列具有功能的逻辑门，并将其配合使用实现功能。在目前的硅基芯片中，人们使用半导体材料，制作出了P型半导体、N型半导体、PN结等结构，经过组合使用后，获得了一个完整的半导体芯片和相关功能。
如果是超导计算机的话，也需要进行类似的步骤。在这里，本文首先先介绍一个概念，那就是超导约瑟夫森结。
超导约瑟夫森结是目前超导计算研发中的一个重要方向。约瑟夫森结由两个互相微弱连接的超导体构成。这里的微弱连接是指两个超导体之间可以使用薄绝缘层，或者一小段非超导金属，抑或是一小段可以弱化接触点超导性的狭窄部分，不同的连接有着不同的名称，比如SIS、SNS或者SsS，本文中使用的是SIS。
超导约瑟夫森结的特性是具有临界电流。当流过超导约瑟夫森结的电流小于临界电流时，超导约瑟夫森结的两端是没有电压降低的。但是如果流过超导约瑟夫森结的电流稍大于临界电流，就会触发多重安德烈夫反射，这在电路测试中会表现为明显的尖峰。继续增大电流并超过超导体之间绝缘体的带隙的话，电流和电压的表现就会变得很线性。由于超导约瑟夫森结在临界电流上的独特表现，使之有可能成为逻辑电路的候选结构。
实际上根据日本横滨国立大学的论文，超导约瑟夫森结已经成功实现了多种逻辑电路结构，包括高效快速单通量逻辑结构（ERSFQ）、高效SFQ逻辑（eSFQ）、互反量子逻辑（RQL）、LR偏置RSFQ逻辑以及低压RSFQ逻辑（LV-RSFQ）等。但这些逻辑都属于非绝热逻辑，虽然借由超导特性，无论这些逻辑单元以什么频率工作，他们的开关能量消耗都是不变的。但是考虑其非绝热逻辑电路的特性，其工作能耗较高，不是超导计算机最佳选择。实际上，日本研究人员使用的是一种绝热逻辑电路，所谓绝热逻辑电路，是指电路可以通过回收节点电容上的电荷至电源实现能量的重复利用，相比非绝热逻辑电路，绝热逻辑电路消耗电能大幅度降低，其能量消耗只会随着频率上升而上升，并且呈现线性状态。另外，在时钟频率方面，绝热电路时钟频率最高大约为10GHz，再高可能无法保持绝热状态，但是非绝热电路的时钟频率最高可以达到770G Hz，但是代价是开关能量可能更高。
日本研究人员使用的是一种被称为绝热量子通量参数逻辑电路（AQFP）的设计，这种电路在使用无分流超导约瑟夫森结器件的测试中，在4.2K的温度以及四相5GHz交流电的驱动下，每个逻辑开关的能量仅为每单位1.4zJ，大约是1×10的-21次方焦耳。考虑到将周围环境降低至4.2K的能量开销，因此将每个AQFP逻辑开关的能量乘以1000，结果为1.4aJ，也这也仅仅是1×10的-18次方焦耳。这个数值相比目前7nm工艺、0.8V电压下的类似电路，其效率高出大约80倍。实际上，即使考虑散热所需的能量开销，扩大1000倍也是一个非常夸张的数字了。由于AQFP工作在超导状态下，其功耗相对非超导状态下的电路存在好几个数量级的优势，因此无论怎么比较，它依旧能够带来巨大而显著的能耗降低。
从AQFP到MANA
在这里，研究人员确定了使用AQFP来制造超导计算机，并给出了一个由AQFP制造出来的加法器。研究人員发现，由于互连线存在寄生电感，因此AQFP单元的驱动距离很有限，大约只有1mm，之后就必须插入另一个缓冲区作为中继器来放大信号。当然，在真正的芯片制造中，这样的问题可能会得到比较好的解决。在解决了这些问题之后，研究人员们带来了一个被称为MANA的微架构，也就是MonolithicAdiabaticiNtegrationArchitecture绝热集成微处理器架构。 研究人员推出MANA架构的目的是为了证明AQFP逻辑也能够执行计算，包括逻辑处理和数据存储等，并且所有的这些工作都可以基于单一技术、单个逻辑家族以及单个芯片内完成。由于这个芯片仅仅用于验证芯片逻辑设计和工作可行性，因此包括芯片的IPC、吞吐量等指标就不在研究人员的考虑之内了。并且，由于这是一种全新的芯片体系结构，它缺乏系统集成工具，所有的设计都是由手工完成的，因此整体规模比较小，架构也相对简单，时钟单元方面采用了四相时钟设计，需要程序控制予以配合。
研究人员给出的MANA的架构图、支持的核心指令等。MANA的功能包括指令缓冲、解码、发出以及带有外部IO访问的RF阶段、执行阶段和回写阶段等。在架构图中，研究人员使用不同颜色标识了MANA的不同部分。其中绿色的是指令的缓冲、存储和发出部分，包括4×16b的缓存、PC
另一方面，计算机和相关设备不断提升的能耗需求也带来了一个严重的问题—那就是散热。有人甚至估计，未来超算等设备有可能不得不建立在河流、湖泊甚至南北极周围，因为超算在达到其计算能力的上限之前，散热和功耗问题将首先成为最大的拦路虎，需要流动的河水、湖水或者极地的低温气候才能使得超算等设备处于能正常工作的温度区间。因此从现在的技术发展来看，计算机尤其是超算等设备的功耗和散热等问题，可能在不久之后的未来成为阻挡人们获取更多算力的绊脚石。
为了解决这个问题，研究人员开始考虑现有技术路径之外的实现方法。比如采用全新的计算架构、专用单元或者不断改善软件架构等。不过，这都没有一个技术来得直接，那就是利用超导效应和量子力学有关技术来实现超导计算机。超导的特性就是没有电阻、能耗极低，这有助于帮助人们建立低功耗的计算设备。在超导计算机的研发上，从1956年麻省理工D.A.Buck的《Thecryotron—asuperconductivecomputercomponent》论文中提到了的超导状态实现量子计算的构想开始，人们就不断地努力着。现在，包括中国、欧盟、日本和美国等都在超导计算上推出了各自独特的技术和构想。近期，来自日本横滨国立大学的研究人员在论文《MANA：AMonolithicAdiabaticiNtegrationArchitectureMicroprocessorUsing1.4-zJ/opUnshuntedSuperconductorJosephsonJunctionDevices》中提到了一种超导计算机的实现方式。借由这个论文，我们一起来了解一下超导计算机以及相关的内容。
超导约瑟夫结构和AQFP逻辑
如果要制作一台计算机，那么首先得拥有制造计算机芯片最基本的材料，然后再制作出非门、与门、与非门等一系列具有功能的逻辑门，并将其配合使用实现功能。在目前的硅基芯片中，人们使用半导体材料，制作出了P型半导体、N型半导体、PN结等结构，经过组合使用后，获得了一个完整的半导体芯片和相关功能。
如果是超导计算机的话，也需要进行类似的步骤。在这里，本文首先先介绍一个概念，那就是超导约瑟夫森结。
超导约瑟夫森结是目前超导计算研发中的一个重要方向。约瑟夫森结由两个互相微弱连接的超导体构成。这里的微弱连接是指两个超导体之间可以使用薄绝缘层，或者一小段非超导金属，抑或是一小段可以弱化接触点超导性的狭窄部分，不同的连接有着不同的名称，比如SIS、SNS或者SsS，本文中使用的是SIS。
超导约瑟夫森结的特性是具有临界电流。当流过超导约瑟夫森结的电流小于临界电流时，超导约瑟夫森结的两端是没有电压降低的。但是如果流过超导约瑟夫森结的电流稍大于临界电流，就会触发多重安德烈夫反射，这在电路测试中会表现为明显的尖峰。继续增大电流并超过超导体之间绝缘体的带隙的话，电流和电压的表现就会变得很线性。由于超导约瑟夫森结在临界电流上的独特表现，使之有可能成为逻辑电路的候选结构。
实际上根据日本横滨国立大学的论文，超导约瑟夫森结已经成功实现了多种逻辑电路结构，包括高效快速单通量逻辑结构（ERSFQ）、高效SFQ逻辑（eSFQ）、互反量子逻辑（RQL）、LR偏置RSFQ逻辑以及低压RSFQ逻辑（LV-RSFQ）等。但这些逻辑都属于非绝热逻辑，虽然借由超导特性，无论这些逻辑单元以什么频率工作，他们的开关能量消耗都是不变的。但是考虑其非绝热逻辑电路的特性，其工作能耗较高，不是超导计算机最佳选择。实际上，日本研究人员使用的是一种绝热逻辑电路，所谓绝热逻辑电路，是指电路可以通过回收节点电容上的电荷至电源实现能量的重复利用，相比非绝热逻辑电路，绝热逻辑电路消耗电能大幅度降低，其能量消耗只会随着频率上升而上升，并且呈现线性状态。另外，在时钟频率方面，绝热电路时钟频率最高大约为10GHz，再高可能无法保持绝热状态，但是非绝热电路的时钟频率最高可以达到770G Hz，但是代价是开关能量可能更高。
日本研究人员使用的是一种被称为绝热量子通量参数逻辑电路（AQFP）的设计，这种电路在使用无分流超导约瑟夫森结器件的测试中，在4.2K的温度以及四相5GHz交流电的驱动下，每个逻辑开关的能量仅为每单位1.4zJ，大约是1×10的-21次方焦耳。考虑到将周围环境降低至4.2K的能量开销，因此将每个AQFP逻辑开关的能量乘以1000，结果为1.4aJ，也这也仅仅是1×10的-18次方焦耳。这个数值相比目前7nm工艺、0.8V电压下的类似电路，其效率高出大约80倍。实际上，即使考虑散热所需的能量开销，扩大1000倍也是一个非常夸张的数字了。由于AQFP工作在超导状态下，其功耗相对非超导状态下的电路存在好几个数量级的优势，因此无论怎么比较，它依旧能够带来巨大而显著的能耗降低。
从AQFP到MANA
在这里，研究人员确定了使用AQFP来制造超导计算机，并给出了一个由AQFP制造出来的加法器。研究人員发现，由于互连线存在寄生电感，因此AQFP单元的驱动距离很有限，大约只有1mm，之后就必须插入另一个缓冲区作为中继器来放大信号。当然，在真正的芯片制造中，这样的问题可能会得到比较好的解决。在解决了这些问题之后，研究人员们带来了一个被称为MANA的微架构，也就是MonolithicAdiabaticiNtegrationArchitecture绝热集成微处理器架构。 研究人员推出MANA架构的目的是为了证明AQFP逻辑也能够执行计算，包括逻辑处理和数据存储等，并且所有的这些工作都可以基于单一技术、单个逻辑家族以及单个芯片内完成。由于这个芯片仅仅用于验证芯片逻辑设计和工作可行性，因此包括芯片的IPC、吞吐量等指标就不在研究人员的考虑之内了。并且，由于这是一种全新的芯片体系结构，它缺乏系统集成工具，所有的设计都是由手工完成的，因此整体规模比较小，架构也相对简单，时钟单元方面采用了四相时钟设计，需要程序控制予以配合。
研究人员给出的MANA的架构图、支持的核心指令等。MANA的功能包括指令缓冲、解码、发出以及带有外部IO访问的RF阶段、执行阶段和回写阶段等。在架构图中，研究人员使用不同颜色标识了MANA的不同部分。其中绿色的是指令的缓冲、存储和发出部分，包括4×16b的缓存、PC