量子计算将促进新一代芯片设计

量子计算(QC)作为一种颠覆基本规则的技术而出现，有可能彻底改变半导体行业(当然也包括其他许多行业)。随着业界不断突破算力的极限，量子计算将为新一代电路的设计、制造和优化提供令人振奋的新机会。

量子计算VS传统计算

基于量子力学原理，其信息处理方法与传统计算有着根本的不同。从根本上说，系统使用的基本信息单位是导致这种区别的核心。

传统计算是基于二进制数字比特的，这些比特以0或1状态而存在，是所有传统计算的基本构建元素。相比之下，量子计算利用的则是量子比特，其具有一种称为叠加的特殊性质。不像传统数字比特受到二进制的约束，量子比特可以同时存在多种状态。基于这一特性，量子计算机能够同时利用一系列的潜在值，从而可获取无尽的可能性。

传统计算机将比特表征为0或1，从而产生明确且可预测的结果。相比之下，量子计算机度量量子比特时，其结果是基于概率的。某个特定状态的概率，则由量子态的诸多系数来确定。这就产生了一个称为纠缠的神秘概念。在传统计算中，一个比特的状态对另一个比特的状态没有任何影响，而量子比特之间可能会发生纠缠。这意味着两个量子比特的状态是错综复杂地联系在一起的，即便是它们在物理上相隔很远。

芯片设计如何从QC中获益

在半导体设计中，优化是量子计算最有前途的一项应用。量子计算机擅长解决复杂的优化问题，这在半导体设计阶段极为重要。由于芯片设计涉及大量的变量和约束因素，而传统计算机难以对芯片布局、功耗和性能实现优化，量子计算机则可以同时研究多种潜在的解决方案，从而实现更快、更高效的芯片设计。

例如，量子算法可以优化晶体管之间的连接路由，从而缩短信号路径并降低功耗。该级别的优化可以实现尺寸更小、更节能的处理器，这对新一代设备(如智能手机、物联网设备和高性能计算系统)的开发尤为重要。

这些新进展可能会重振摩尔定律。例如，英伟达的Ampere架构(参见图1)，目前是许多数据中心人工智能和HPC的内核，该内核包含540亿只晶体管。在未来的芯片设计中，英特尔还计划大幅增加晶体管的数量。在IEEE国际电子元器件大会(IEDM)所举行的纪念晶体管75周年的活动中，英特尔组件研究小组展示了其在三个领域里延续摩尔定律的关键创新：

●实现小芯片无缝集成的新3D混合键合封装技术

●可在单个芯片上安装更多晶体管超薄2D材料

●在能效和高性能计算内存方面提供新机会

根据英特尔的预测，新一代芯片所能集成的晶体管将超过一万亿只。

图1：采用Ampere架构的Nvidia A100 GPU。(来源：英伟达)

随着半导体尺寸的不断减小，量子效应变得更加显著且难以控制。不过，量子计算可以用于模拟和分析量子效应，使芯片设计师能够预见和预防潜在问题。这将使更可靠、更高效芯片的开发成为可能，特别是在量子比特极易受到环境干扰的量子计算等领域。芯片设计师可以利用量子模拟器对量子纠错技术进行建模和优化，从而开发出质量更稳定、功能更强大的量子处理器。

另一个相关因素是密码学。众所周知，量子计算对现有的密码技术构成了重大威胁。反过来，它也可以用来提高半导体芯片的安全性。为了在后量子时代保护数据，业界正在开发抗量子密码算法。在芯片开发过程中，可以将这些新的加密方法整合到硬件中，从而确保未来的处理器能够抵御量子攻击。

量子计算还可以帮助生成真正的随机数，这是安全芯片实现的关键因素。量子处理器可以利用叠加和纠缠等量子特性，来保护敏感数据和通信，从而将安全提升到更高级别。

量子计算的挑战

量子计算虽潜力无限，但其本身也面临如下几个方面的挑战：

退相干

量子计算的主要挑战之一是退相干。量子计算机对环境异常敏感。当量子比特的精细量子态因温度波动或电磁辐射等外部因素的影响而受到破坏时，就会发生量子退相干。这种现象限制了量子计算的保持时间，从而严重影响了量子计算机的潜力。为了解决这一问题，量子芯片设计师正在实现纠错码，并开发不易受退相干影响的量子比特。另外，设计师还在探索低温冷却解决方案，以维持量子稳定工作所需的低温。

纠错

由于量子态本身就容易受到误差影响，所以量子纠错技术也变得至关重要。这一问题可以通过不同的方式来解决，量子芯片设计师正在将纠错码直接集成到硬件中，从而可实现实时的错误检测和校正。对于稳定量子计算和提高其可靠性来说，这是至关重要的。

可扩展性

量子比特的数量正在迅速增加。在宣布推出433量子比特的量子处理器Osprey(见图2)后，IBM最近推出了一个更高的目标，即到2033年将量子处理器的规模扩大到10万量子比特。量子计算机需要大量的量子比特，才能在广泛的任务中胜过传统计算机。不过，无论是在物理实现、还是所增加复杂性的管理方面，要实现该级别的可扩展性，都是一项重大挑战。芯片开发工作的重点，是在芯片上密集封装量子比特，同时又要最大限度地减少量子比特之间的干扰。这涉及到如何对量子比特布局和布线方案进行优化，来适应大规模量子系统。

图2：IBM Osprey量子处理器。(来源：IBM)

结论

随着量子计算技术的发展，它有可能以多种方式为新一代芯片设计带来一场革命。量子计算提供了一系列工具和解决方案，可以推动半导体行业的发展。其中包括提高芯片安全性、加快新材料的发现、优化芯片设计和模拟量子效应。这将有可能为各种应用提供功能更强大、更高效、更安全的新一代芯片。

(参考原文：impact-of-quantum-computing-on-next-generation-chip-development）

本文为《电子工程专辑》2023年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅