Imec 首次展示超導電路達至每平方釐米 380 萬個約瑟夫森結的密度

Imec 宣佈其超導電路的密度創下世界紀錄，將 380 萬個約瑟夫森接點壓縮至每平方釐米的面積內。該研究中心同時製造出寬度僅 30 奈米的超導線材。Imec 在 2026 年應用超導技術會議 (ASC) 上展示了這兩項成果，這些結果可能有助於超導技術向未來高效能計算系統的擴展，同時也能支持現代美國數據中心運行的高負載工作量。

新型電路的材料與設計

新型電路採用鈮-鉭-氮化物 (NbTiN)，Imec 在三層金屬層上構建這些電路。最小的約瑟夫森接點直徑僅為 150 奈米。這些微小元件使工程師能夠在更小的空間內安裝更多的計算元件。約瑟夫森接點類似於非常快速的電子開關，能在極少的能量消耗下處理信號。這種效率使得超導電路在高效能計算中具有吸引力。Imec 預計這項技術最終可以在能量消耗上相較於傳統 CMOS 晶片實現顯著的節能效果。

超導系統還能支持更高的計算密度和帶寬。隨著數據中心處理愈來愈繁重的工作負載，這些優勢變得愈發重要。這種方法對於數據傳輸消耗大量電力的計算系統尤其有用。超導電路能在極高速度下處理信號，從而減少某些損失。

超導電路的優勢與挑戰

Imec 亦展示了三層的 NbTiN 接線，最窄的線材僅 30 奈米寬，這是傳統鈮基超導技術所使用的線材寬度的約 10 倍。更小的線材可幫助工程師在相同的空間內擠入更多的連接，這些線材在電路的不同部分之間傳輸信號，也能在多層之間連接元件。超導材料還有另一個主要優勢，即在極低溫下幾乎無阻力地傳輸電流，這意味著信號在系統內移動時能量損失極少，有助於工程師應對大型計算系統日益增長的能耗需求。

Imec 還能調整其接點和線材的電氣特性，這為工程師在設計不同應用的電路時提供了更大的靈活性。Imec 正在利用 300 毫米半導體製造工藝開發這項技術，這與現代晶片生產中廣泛使用的晶圓尺寸相同，這種兼容性可能使研究更易於與現有半導體製造方法整合，同時也為構建更大和更複雜的超導電路提供了途徑。

該研究中心還在進行 2.5D 和 3D 集成的研究，這些方法能使不同元件在高度集成的系統內協同工作。Imec 超導數字計劃的主管 Richard Rouse 表示，該計劃針對晶圓廠、大型數據中心和系統公司。這項技術最終可能超越高效能計算和數據中心的範疇，Imec 亦看好在量子計算、光子學和類神經計算等領域的潛在應用。

然而，超導硬件仍面臨一個主要挑戰，這些電路通常需要極低的溫度來維持超導狀態，這使得其佈署比傳統晶片更為困難。根據 Imec 的說法，380 萬接點的密度在此水平上為世界首創，30 奈米的接線展示則指向更小且更緊湊的超導系統。

超導技術的應用潛力與挑戰

Imec 的超導電路技術展示了在高效能計算和數據中心中的巨大潛力，尤其是能在更小的空間內提高計算密度與效率。這項技術的成功不僅有助於滿足日益增加的能耗需求，還可能推動量子計算和光子學等新興領域的發展。然而，超導電路對於低溫的依賴仍然是其廣泛應用的主要障礙，這使得其部署相對傳統晶片更具挑戰性。