- Imec 创下超导电路密度世界纪录，每平方厘米达到 380 万个约瑟夫森结。
- 新型电路使用铌-钽-氮化物，能在小空间内安装更多计算元件。
- 超导系统支持高计算密度和带宽，对数据中心尤其重要。
- Imec 正在开发可与现有半导体制造方法整合的技术。
Imec 宣布其超导电路的密度创下世界纪录，将 380 万个约瑟夫森结压缩至每平方厘米的面积内。该研究中心同时制造出宽度仅 30 纳米的超导线材。Imec 在 2026 年应用超导技术会议 (ASC) 上展示了这两项成果，这些结果可能有助于超导技术向未来高效能计算系统的扩展，同时也支持现代美国数据中心运行的高负载工作量。
新型电路的材料与设计
新型电路采用铌-钽-氮化物 (NbTiN)，Imec 在三层金属层上构建这些电路。最小的约瑟夫森结直径仅为 150 纳米。这些微小元件使工程师能够在更小的空间内安装更多的计算元件。约瑟夫森结类似于非常快速的电子开关，能在极少的能量消耗下处理信号。这种效率使得超导电路在高效能计算中具有吸引力。Imec 预计这项技术最终可以在能量消耗上相较于传统 CMOS 芯片实现显著的节能效果。
超导系统还能支持更高的计算密度和带宽。随着数据中心处理愈来愈繁重的工作负载，这些优势变得愈发重要。这种方法对于数据传输消耗大量电力的计算系统尤其有用。超导电路能在极高速度下处理信号，从而减少某些损失。
超导电路的优势与挑战
Imec 亦展示了三层的 NbTiN 接线，最窄的线材仅 30 纳米宽，这是传统铌基超导技术所使用的线材宽度的约 10 倍。更小的线材可帮助工程师在相同的空间内挤入更多的连接，这些线材在电路的不同部分之间传输信号，也能在多层之间连接元件。超导材料还有另一个主要优势，即在极低温下几乎无阻力地传输电流，这意味着信号在系统内移动时能量损失极少，有助于工程师应对大型计算系统日益增长的能耗需求。
Imec 还能调整其接点和线材的电学特性，这为工程师在设计不同应用的电路时提供了更大的灵活性。Imec 正在利用 300 毫米半导体制造工艺开发这项技术，这与现代芯片生产中广泛使用的晶圆尺寸相同，这种兼容性可能使研究更易于与现有半导体制造方法整合，同时也为构建更大和更复杂的超导电路提供了途径。
该研究中心还在进行 2.5D 和 3D 集成的研究，这些方法能使不同元件在高度集成的系统内协同工作。Imec 超导数字计划的主管 Richard Rouse 表示，该计划针对晶圆厂、大型数据中心和系统公司。这项技术最终可能超越高效能计算和数据中心的范畴，Imec 亦看好在量子计算、光子学和类神经计算等领域的潜在应用。
然而，超导硬件仍面临一个主要挑战，这些电路通常需要极低的温度来维持超导状态，这使得其部署比传统芯片更为困难。根据 Imec 的说法，380 万接点的密度在此水平上为世界首创，30 纳米的接线展示则指向更小且更紧凑的超导系统。
超导技术的应用潜力与挑战
Imec 的超导电路技术展示了在高效能计算和数据中心中的巨大潜力，尤其是能在更小的空间内提高计算密度与效率。这项技术的成功不仅有助于满足日益增长的能耗需求，还可能推动量子计算和光子学等新兴领域的发展。然而，超导电路对于低温的依赖仍然是其广泛应用的主要障碍，这使得其部署相对传统芯片更具挑战性。