傳統(tǒng)芯片，迎來新救星

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

半導(dǎo)體性能的提升雖然顯著，但也帶來了巨大的資本、土地和能源成本。或許可以通過引入一些新技術(shù)來補(bǔ)充半導(dǎo)體，從而更好地滿足日益增長的高端計(jì)算需求。

一種思路是將某些高負(fù)載任務(wù)交給超導(dǎo)體來完成，超導(dǎo)體導(dǎo)電電阻為零，幾乎不產(chǎn)生熱量。與目前主流的集成電路生產(chǎn)技術(shù)相比，這可以大幅降低能耗，從而無需在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行大量的冷卻和元件間距調(diào)整。

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）這種標(biāo)準(zhǔn)芯片技術(shù)已經(jīng)主導(dǎo)計(jì)算機(jī)和個(gè)人電子產(chǎn)品近50年了。迄今為止，超導(dǎo)體的應(yīng)用主要局限于量子計(jì)算和高性能傳感系統(tǒng)的研究領(lǐng)域。

超導(dǎo)體的應(yīng)用也帶來了自身的挑戰(zhàn)，有些系統(tǒng)需要在零下450華氏度左右的低溫下運(yùn)行。超導(dǎo)體需要冷卻才能工作，而半導(dǎo)體也需要冷卻，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠ぷ鲿r(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量。但總體而言，超導(dǎo)體能耗更低。

去年，Mike Lafferty創(chuàng)立了 Snowcap Compute 公司，旨在克服這些障礙，制造出適用于大規(guī)模應(yīng)用的超導(dǎo)體，包括數(shù)據(jù)中心、商業(yè)量子計(jì)算以及從地球發(fā)射到太空的系統(tǒng)上的計(jì)算。

我最近與他會(huì)面，了解他打算如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，即將超導(dǎo)體制造從小型實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到商業(yè)工廠。

拉弗蒂設(shè)想將足球場大小的數(shù)據(jù)中心縮小到集裝箱大小，從根本上改變?nèi)斯ぶ悄苣Ｐ陀?xùn)練等高要求應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)據(jù)中心需要大量的土地和能源用于冷卻。基于超導(dǎo)技術(shù)的系統(tǒng)可以消除大部分電力運(yùn)營成本，并允許組件更緊密地堆疊，從而大幅減少設(shè)施的占地面積。

該公司于今年6月成立，首輪融資2300萬美元，由Playground Global領(lǐng)投。其他投資者包括Cambium Capital、Vsquared Ventures和Osage University Partners。九個(gè)月前，Snowcap的估值為6000萬美元，但最新估值尚不清楚。

拉弗蒂表示，公司目前尚未產(chǎn)生收入。其首片直徑300毫米（12英寸）的半導(dǎo)體晶圓于2月底出廠。這種尺寸的晶圓已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)十余年，并可在標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體生產(chǎn)線上生產(chǎn)。

Playground 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼普通合伙人Peter Barrett表示：“Snowcap 組件的尺寸要求是半導(dǎo)體行業(yè)在 15 年前就成功解決的問題。”

Lafferty 估計(jì)，需要六個(gè)月時(shí)間才能證明其具備實(shí)用的工作能力，一年時(shí)間才能達(dá)到“風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)”能力。Snowcap 表示，風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)能力是大規(guī)模生產(chǎn)前的中間步驟，它表明該技術(shù)足夠穩(wěn)定，客戶可以開始圍繞它設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)。

該公司拒絕透露其產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠名稱。

迄今為止，超導(dǎo)計(jì)算技術(shù)從學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)應(yīng)用一直舉步維艱。研究人員會(huì)使用與大規(guī)模生產(chǎn)不兼容的特殊材料來制造定制芯片。據(jù)拉弗蒂稱，等到他們完成原型機(jī)時(shí)，摩爾定律已經(jīng)推動(dòng)主流CMOS技術(shù)向前發(fā)展了三年，使得超導(dǎo)原型機(jī)過時(shí)了。

Snowcap的突破在于工藝工程。

這項(xiàng)技術(shù)涉及對(duì)現(xiàn)有基于CMOS的半導(dǎo)體制造工藝進(jìn)行重大材料和工藝改造。例如，Snowcap的運(yùn)行溫度為零下450華氏度，它需要借鑒核磁共振成像儀和量子計(jì)算機(jī)的冷卻方法，才能在極低溫度下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行。Lafferty在Playground公司總部（Snowcap的所在地）的一次談話中說道。

這使得 Snowcap 能夠利用現(xiàn)有的全球代工廠產(chǎn)能，而無需建造昂貴的定制工廠。

拉弗蒂表示：“建立300毫米超導(dǎo)工藝是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。雪帽團(tuán)隊(duì)成功地權(quán)衡了工程上的利弊，解決了這些問題，并將這項(xiàng)技術(shù)推向了市場。”

漫長的旅程

Snowcap是拉弗蒂（Lafferty）多年心血的結(jié)晶。拉弗蒂是一位資深工程師，曾在上世紀(jì)90年代于賓夕法尼亞州阿倫敦的朗訊科技公司工作。他表示，大約在2004年，標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理器的時(shí)鐘頻率停滯在3.2GHz左右。這意味著“此前二十年我們所看到的迅猛增長勢(shì)頭戛然而止，此后我們只看到了緩慢的進(jìn)步，”拉弗蒂說道。但該公司表示，到2010年，學(xué)術(shù)研究表明，超導(dǎo)數(shù)字設(shè)計(jì)能夠達(dá)到100GHz的頻率，同時(shí)功耗僅為CMOS標(biāo)準(zhǔn)處理器的1%。

拉弗蒂?zèng)Q定彌合這一差距，首先從軟件入手。2014年，他加入Cadence設(shè)計(jì)系統(tǒng)公司，負(fù)責(zé)開發(fā)超導(dǎo)芯片設(shè)計(jì)所需的工具。一年半前，他將重心轉(zhuǎn)向制造領(lǐng)域。為此，他與兩位聯(lián)合創(chuàng)始人共同創(chuàng)立了Snowcap公司：首席科學(xué)官安娜·赫爾（Anna Herr），一位物理學(xué)家；以及首席技術(shù)官昆汀·赫爾（Quentin Herr），一位電氣工程師，他們也是公司超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)明者。

他們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的可持續(xù)增長，克服人工智能革命道路上的重重障礙。小型但功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心將緩解日益增長的土地和電力壓力，而將計(jì)算能力送入太空則能進(jìn)一步提升這些優(yōu)勢(shì)。拉弗蒂表示，雪帽公司的超導(dǎo)技術(shù)不會(huì)受到輻射干擾。

他表示贊同OpenAI首席執(zhí)行官薩姆·奧特曼的觀點(diǎn)，即目前基于傳統(tǒng)CMOS計(jì)算的太空數(shù)據(jù)中心簡直荒謬。“為什么不轉(zhuǎn)向一種從根本上更適合太空應(yīng)用的技術(shù)呢？”拉弗蒂說道。

通往未來的路線圖

Playground公司的巴雷特表示，Snowcap的技術(shù)需要能源進(jìn)行冷卻，但運(yùn)營商可以獲得100到1000倍的計(jì)算效率提升。拉弗蒂則表示，效率取決于具體應(yīng)用場景。

巴雷特表示，對(duì)于Playground來說，投資Snowcap是順理成章的，因?yàn)镻layground的合伙人首先是工程師，其次才是投資者。“我們的運(yùn)營模式截然不同。我們先制定技術(shù)路線圖，然后再根據(jù)實(shí)現(xiàn)未來目標(biāo)所需的要素來完善這些路線圖。”他說道。

是的，這的確是一個(gè)雄心勃勃的想法。但它也是一個(gè)嚴(yán)肅的想法。而這種思考方式或許正是改善面臨重重挑戰(zhàn)的計(jì)算機(jī)經(jīng)濟(jì)狀況所必需的。

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