室温超导与芯片功耗

最近室温超导的报道此起彼伏，物理学家们多年的梦想与追逐有望得以实现，确实振奋人心！大家都在争分夺秒地制备材料，希望能复现出韩国人的实验结果。LK-99, 念念不忘，必有回响。室温超导技术会变革性地改变大家的日常生活，这篇笔记聊一聊室温超导是否可以帮助降低芯片功耗。

先简单介绍下超导体的几个重要物理效应，

1）零电阻效应

在超导体的临界温度以下，其电阻值降为零。铜的电阻率为1.7x10^-8 Oh*m, 虽然其数值较小，但是在芯片设计中要考虑metal routing的电阻影响，过长的金属走线会带来一定的电压降，可能引起IR drop的问题，使得电路中实际的电源电压不满足要求，超导体则不会存在该问题。基于超导体的零电阻效应，电流流经超导体时，不会发生衰减，有望应用于长距离直流传电和强磁体。

2）迈斯纳效应

所谓迈斯纳效应(Meissner Effect), 即完全抗磁性，在临界温度以下，磁力线无法穿过超导体，如下图所示。微观的解释是，超导体内的库珀对在表面形成电流，表面电流产生的磁场与外加磁场在超导体内完全抵消。我们在一些视频中看到的超导体悬浮在磁场的现象，即对应迈斯纳效应。磁悬浮列车正是迈斯纳效应的一个重要应用。

（图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Meissner_effect）

3）约瑟夫森效应

所谓约瑟夫森效应(Josephson Effect)，是指在超导体-绝缘体-超导体形成的三明治结构中(也称为约瑟夫森结)，无外加电压时，电子库珀对可以通过量子隧穿越过中间的绝缘体，形成超导电流，如下图所示。当施加直流电压时，则会产生随时间变化的交变电流。超导量子计算正是通过基于约瑟夫森效应构建的超导电路来实现。

（图片来自https://911electronic.com/physics-of-josephson-junctions-critical-current-qubit-array-and-graphene/）

在一些公众号文章中，鼓吹室温超导可以大大降低芯片功耗。我们常说的芯片，其实是半导体芯片的简称。而芯片的底层元器件是CMOS晶体管，通过在半导体中进行掺杂，形成P区和N区，进而形成不同功能的器件。不同元器件之间通过金属互联，如果使用超导体取代这些金属互连线，则可以有效降低IR drop的风险。除此之外，室温超导体无法插足现有的半导体芯片大厦。

对于芯片功耗，可以主要分为以下几部分，

1）翻转功耗(switching power)

翻转功耗，即电路对负载电容充放电所消耗的功率，计算公式为，

2)短路功耗(short-circuit power)

在晶体管翻转的过程中，对应波形上升沿和下降沿的过程中，会存在P管和N管都处于导通的状态，此时电流从VDD流向GND, 产生功耗，如下图所示。短路功耗和翻转功耗都属于动态功耗(dynamic power)。

(图片来自https://www.physicaldesign4u.com/2020/01/sources-of-power-dissipation-in-cmos.html)

3) 漏电功耗(leakage power)

漏电功耗，即电路在静态时由于一些寄生的漏电引起的功耗，对应晶体管不同掺杂区域形成PN结通电后的微弱电流流动。CMOS管的漏电主要包括：a)亚阈值漏电流Isub, b)栅极感应漏电流Igidl和Igisl，c)栅极漏电流Igate, d)晶体管反偏电流，如下图所示。

（图片来自https://www.researchgate.net/publication/234074458_Design_techniques_and_architectures_for_low-leakage_SRAMs）

随着工艺节点的提升，相同面积中的晶体管数目增加，漏电功耗在芯片整体功耗所占的比例越来越高，超过50%，如下图所示。

(图片来自https://semiengineering.com/as-nodes-advance-so-must-power-analysis/)

对于高速光模块，功耗大体分为三部分，即DSP、激光器和模拟电路相关。下图为400G ZR的功耗分解图，其中DSP几乎占总功耗的半壁江山，driver和TIA占27%，可调谐激光器占12%。这也是Linear drive概念受到青睐的原因，干掉功耗大户DSP。400G光模块的典型功耗是8-10W。

（图片来自https://www.researchgate.net/publication/352467831_Low_Power_DSP-based_Transceivers_for_Data_Center_Optical_Fiber_Communications）

需要注意的是，对于硅光方案，其外部DFB光源的功率都比较大, 典型值为16-18dBm，考虑到DFB激光器本身的转换效率(wall-plug efficiency)，对应的功耗较大。这也是CPO模块中光源外置的主要原因之一，可以降低激光器散热对硅光芯片的影响。对于像Intel的异质集成光源方案，其光功率一般不会太高。

最后再简单聊一下，如果室温超导得以实现，量子计算是否会大范围应用，取代经典计算机？一方面，室温超导如果实现，整个量子系统不再需要维持在低温状态下，但是仍然需要解决环境温度扰动对量子态的影响。另一方面，室温超导的实现将带来量子系统的简化，量子比特的数目将得以大幅度增加（IBM目前实现了433个量子比特的量子处理器），量子计算的商业应用将会大大加速，有望从实验室真正走向大众。但是从材料的研发成功，到应用到计算芯片中，还有很长的路要走，道阻且长，行则将至。

对于芯片从业人员，没有必要恐慌，保持关注即可。目前的芯片基础是半导体，不是超导体。即便室温超导真的得以实现，半导体芯片依然会是主流，室温超导中短期不会对芯片行业产生影响。如何有效降低芯片功耗，才是芯片工程师们更需要关注的问题。

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