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。

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

责编:Jimmy.zhang
本文为EET电子工程专辑原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
阅读全文,请先
您可能感兴趣
一名不愿透露身份的消息人士透露,被裁的员工约有 15 人将被安排从事与中国有关的项目。另一位不具名人士表示,被裁掉的职位目前由合同制软件工程师“顶上”,他们曾参与涉及 Arm 全球业务的项目。
从华为的员工配股,到最近火爆全网的董宇辉成为东方甄选高级合伙人,“股权激励”如今已成为大公司激励员工的常见手段。但这种非常棒的激励方式,在一些行业巨头中反倒成了问题……
Imagination作为手机GPU市场声名显赫的企业,在被凯桥资本收购以后,就进入到了发展的第二篇章。现在的Imagination已经不是过去那个只关注手机GPU的IP供应商了——电子工程专辑和Imagination首席产品官James Chapman聊了聊现在的Imagination...
量子工程材料能够用于不同种类的应用,为芯片功耗、性能、面积和成本(PPAC)以及内存存储性能带来优势。而如何将量子工程材料整合到制造过程中,则取决于它被用于哪种应用。
Cadence 持续创新并开发了 Cadence Tempus 设计稳健性分析(DRA)套件,提供解决上述问题所需要的分析能力。该套件采用先进的建模算法,赋能工程师分析,识别并纠正对变化极为敏感的关键设计要素,包括适用于模块级的 Tempus ECO Options 和子系统/全芯片级的 Cadence Certus 收敛解决方案,两者皆可在 Innovus 设计实现系统中调用。
虽然人工智能和机器学习的应用越来越广泛,但在繁杂的电子设计中,能够帮助工程师实现什么类型的决策呢?工程师又将如何看待在设计中让人工智能进行这些决策呢?本文所揭示的一个设计趋势是,绝大多数的工程师们都信任人工智能,认为它们会在建模设计、元器件选型、加快新产品上市方面发挥越来越大的作用。
本文介绍了标准电路保护器件的局限性,以及如何利用电子保险丝改进设计。
TrendForce集邦咨询表示,第三季NAND Flash市场变化主要转折点为三星(Samsung)积极减产的决策。此前买方认为终端需求能见度仍低,担忧市场旺季不旺,因此保持低库存、缓提货的采购策略。
英飞凌正在朝着2030年实现碳中和的目标(范围1和2的碳排放)稳步前进,并且进展顺利。尽管业务增长了约一倍,但公司迄今为止的碳排放量与2019年的基准相比减少了 56.8%。
治精微推出极高静电保护性能的40V多路复用器系列产品ZJG4428/9
  12 月 7-8 日,店匠科技(Shoplazza)亮相泰国曼谷,出席 Affiliate World Asia 2023(以下简称 AWA 2023)。 &ems
点击上方蓝字谈思实验室获取更多汽车网络安全资讯汽车电气架构向中央集中式演进集中式架构成智能驾驶主流,以太网在中心节点占据优势地位。电子电气构架的演进为提升智能驾驶能力提供了坚实的基础。在自动驾驶、智能
点击蓝字 关注我们IGBT是由4个交替层 (P-N-P-N) 组成的功率半导体晶体管,通过施加于金属氧化物半导体 (MOS) 栅极的电压进行控制。虽然第三代宽禁带技术碳化硅正获得越来越多的关注,但许多
12月19日下午,台积电发布重大消息,现任董事长刘德音将退休,董事会提名其职位由现任副董事长兼总裁魏哲家接任,这标志着台积电台积电持续六年的“双首长制”可能会结束。2018年6月5日,87岁的张忠谋宣
点击蓝字 关注我们SUBSCRIBE to USImage: CRF拯救世界珊瑚礁的时间不多了,因此环保主义者正在努力寻找他们所能使用的一切工具来保护正在消失的珊瑚礁,包括人工智能。在佛罗里达州,通过
                                              编辑:感知芯视界 Link获取最新力传感器深度报告,可在感知芯视界首页对话框回复“28”免费下载。力传感器是
全球共153座“灯塔工厂”文|网络2023年12月,全球灯塔网络再迎21家新成员,成员总量已从首批16家增至153家,增加了近9倍。在第四次工业革命技术的赋能下,这些灯塔工厂积极推进数字化转型,在提升
来源:芯智讯,谢谢 编辑:感知芯视界 Link近期,欧盟执委会发布了最新发布的《2023年欧盟工业研发投资记分牌》(The 2023 EU Industrial R&D Investment Scor
昨日(12/19),美国分子束外延 (Molecular Beam Epitaxy,MBE)设备供应商Riber宣布,MBE 8000平台已获得美国外延生产商的最终认证通过。source:Riber据