超导计算

超导逻辑是指一类利用超导体独特特性的逻辑电路或逻辑门，包括零电阻线、超快的约瑟夫森结开关和磁通量（fluxoid）的量化。超导计算是低温计算的一种形式，因为超导电子电路需要冷却到低温才能运行，通常低于10开尔文。通常，超导计算被应用于量子计算，其中一个重要的应用被称为超导量子计算。超导数字逻辑电路使用单通量（SFQ），也被称为磁通量，来编码、处理和传输数据。SFQ电路由有源约瑟夫森结和无源元件组成，如电感、电阻、变压器和传输线。虽然电压和电容在半导体逻辑电路（如CMOS）中很重要，但电流和电感在SFQ逻辑电路中最重要。电源可以由直流电或交流电提供，这取决于SFQ逻辑系列的情况。

超导计算的主要优势是比传统CMOS技术提高了功率效率。传统处理器所消耗的大部分功率和散失的热量来自于逻辑元件之间的信息移动，而不是实际的逻辑操作。由于超导体的电阻为零，在处理器内移动比特所需的能量很少。这预计将使超大规模计算机的功耗节省500倍。作为比较，在2014年，据估计，一台用CMOS逻辑构建的1exaFLOPS计算机估计要消耗大约500兆瓦的电力。超导逻辑可以成为超高速CPU的一个有吸引力的选择，其开关时间以皮秒计算，工作频率接近770GHz。然而，由于在处理器和外部世界之间传输信息仍然会耗散能量，超导计算被视为非常适合计算密集型任务，其中数据主要停留在低温环境中，而不是从处理器外部流过大量信息的大数据应用。由于超导逻辑支持标准的数字机架构和算法，现有的CMOS计算的知识库在构建超导计算机时仍将是有用的。然而，考虑到散热的减少，它可能会实现创新，如组件的三维堆叠。然而，由于它们需要电感器，因此更难缩小其尺寸。截至2014年，使用铌作为超导材料在4K下运行的设备被认为是最先进的。该领域的重要挑战是可靠的低温存储器，以及从单个组件的研究转向大规模集成。约瑟夫森结数是衡量超导电路或设备复杂性的一个标准，类似于用于半导体集成电路的晶体管数。

自1950年代中期以来，美国国家安全局一直在进行超导计算研究。然而，进展无法跟上标准CMOS技术不断增长的性能。截至2016年，还没有商业化的超导计算机，尽管研究和开发仍在继续。20世纪50年代中期至60年代初的研究集中在杜德利-艾伦-巴克发明的低温机上，但液氦温度以及超导和电阻状态之间的缓慢切换时间导致这项研究被放弃。1962年，布莱恩-约瑟夫森建立了约瑟夫森效应背后的理论，并在几年内，IBM制造了xxx个约瑟夫森结。从1960年代中期到1983年，IBM在这项技术上投入了大量资金。

到20世纪70年代中期，IBM利用这些结构建了一个超导量子干涉装置，主要是使用铅基结，后来改用铅/铌结。证明如此大规模投资的原因之一是，摩尔定律--1965年阐明的--预计将放缓并"很快"达到一个高原期。然而，一方面，摩尔定律保持其有效性，而改进超导设备的成本基本上完全由IBM公司承担，后者无论多大，都无法与整个半导体世界竞争，因为后者提供了几乎无限的资源。因此，该计划在1983年被关闭，因为该技术被认为无法与标准半导体技术竞争。