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英特爾:如何從“小芯片”布局到通用量子計算機

2022-10-20 10:41 作者:量子前哨  | 我要投稿


一些世界頂級的高性能計算中心正在進行量子計算機測試,他們通過測試不同的系統(tǒng)和方法,尋找最適合其基礎設施建設的方法。


圍繞量子芯片的大規(guī)模生產,一場“爭奪”量子優(yōu)勢的戰(zhàn)斗正式打響,這很有挑戰(zhàn)性,因為量子比特是不穩(wěn)定的,并且難以擴展到通用量子計算機所需的數百萬個量子比特。


但英特爾聲稱在有限的測試中,解決了其中一些問題。這家芯片制造商在其現有工廠中生產了穩(wěn)定的量子點,這是該公司構建通用量子計算機的長期目標的一個里程碑。該公司使用一種稱為“低溫探測器”的測試設備來隔離和研究其晶片上量子點的均勻性。


在此過程中,英特爾聲稱在制造量子系統(tǒng)方面處于領先地位。分析師表示,英特爾轉向采用先進封裝進行制造,為構建更復雜的計算系統(tǒng)(如量子設備)提供了一條途徑。


英特爾量子硬件總監(jiān)James Clarke

英特爾量子硬件總監(jiān)James Clarke?說:“我們正在整個晶圓上制造生產這些優(yōu)質量子點,產量很高。我們能描述所有特征,以便獲得統(tǒng)計數據。在我們的量子社區(qū)知識體系中,這是聞所未聞的。”


該公司希望在明年之前向阿貢國家實驗室提供早期的量子硬件,該實驗室正在測試來自不同供應商的量子硬件,這是美國能源部名為Q-Next的計劃一部分。美國政府正在優(yōu)先制造量子硬件,他們認為這是與中國進行計算霸權競賽的重要部分,中國也在推進其量子計算發(fā)展的雄心壯志。


英特爾的這一里程碑雖然是一小步,但它可以衡量大規(guī)模制造量子芯片的產量和可行性。英特爾團隊隔離了12個量子點和4個傳感器,下一步目標是更大規(guī)模地復制。


Clarke說:“這當然是最困難的部分之一,但現在我們必須發(fā)展這個設備。讓它變得更大,保證量子比特可以同時工作,這是10年旅程的一部分。目前我們進展順利,我們知道工具箱中有哪些工具?!?/p>


在自動化過程中,英特爾低溫探測器的圖像顯示了 1.6 開爾文的量子比特設備,其中量子點可以在所有16個位置(4個傳感器和12個量子比特位置)形成,并調諧到最后一個(單個)電子,而無需工程師輸入。(圖片來源:英特爾公司)

與IBM和谷歌一樣,英特爾也在追求一種通用量子計算機,研究人員一致認為這將需要超過一百萬個量子比特。谷歌和IBM正在追逐超導量子比特,這在現有工藝上很難制造。英特爾的量子計算系統(tǒng)基于量子點,其芯片可在其現有工廠制造。


Clarke 說:“我們的量子比特看起來很像晶體管。如何從晶體管發(fā)展到英特爾自旋量子比特,這很不容易?!?/p>


Real World Technologies 的首席分析師大衛(wèi)·坎特 (David Kanter) 表示,必須大量構建量子比特才能提高量子的相關性,相比其他公司,英特爾對此有著敏銳的理解。


Kanter說:“我認為業(yè)內對于正確的量子研究方式并沒有達成真正的共識,內部制造有利于研制新設備類型?!?/p>


Tirias Research 首席分析師 Kevin Krewell 表示,要獲得穩(wěn)定且容錯的邏輯量子比特,將需要成千上萬甚至數百萬個物理量子比特。要做到這一點,擴展很重要。


半導體研究和咨詢公司 SemiAnalysis 的創(chuàng)始人迪倫·帕特爾 (Dylan Patel) 表示:理想情況下,量子比特盡可能相同,300毫米晶圓和更先進的光刻工具具有最佳的疊加能力。其他晶圓廠很難獲得最精確的工具,除非他們也擁有先進的邏輯半導體業(yè)務。英特爾在量子競賽中擁有一個優(yōu)勢,他們可以使用最先進的工具更準確地進行模式化,這些工具是為領先的埃米時代半導體設計的。


在量子計算初期,IBM和D-Wave就其量子比特的優(yōu)越性進行了爭論。IBM 認為 D-Wave 的量子退火系統(tǒng)(德國 Jülich 超級計算中心正在使用該系統(tǒng)進行優(yōu)化)不是真正的量子計算機。D-Wave 的計算機現在被廣泛視為一種小型量子計算機,它在優(yōu)化方面很有效,但不是成熟的量子計算機。


英特爾的Clarke說:“通用量子計算機可以降低優(yōu)化器的相關性,因為它們可以針對優(yōu)化、密碼學、化學和其他應用程序進行編程。這些量子計算機將成為數據中心的加速器??赡苄枰诹孔佑嬎銠C旁邊有一個合理大小的超級計算機來處理所有信息,增強數據網絡。”


關于量子比特的優(yōu)勢,數十家量子計算公司之間的爭論仍然存在。盡管現實正給 D-Wave 和 Rigetti 帶來壓力,他們被 SPAC 公司以高風險、高回報的方式進行收購。D-Wave將金融,汽車和國防公司視為客戶,已經從其退火機中獲得可觀的收入,并且還在研發(fā)通用量子計算機。


其他量子初創(chuàng)公司還處于早期階段。?PsiQuantum將光子學計算視為量子研究的關鍵部分,并希望建立數據中心大小的量子工廠。IonQ 采用離子阱技術路線,并使用激光來輸入和提取數據。微軟正將其量子計算研究鎖定在一種尚未被發(fā)現的粒子上。


阿貢(Argonne )和其他高性能計算中心認識到,不同類型的量子計算機可以解決不同問題。這些量子計算機將是可以連接具有CPU和GPU的高性能計算機的加速器。排名前3的云提供商亞馬遜、微軟和谷歌在其服務組合中均會提供量子硬件。


量子計算機商業(yè)化之路的關鍵,是現有工廠具備生產這些設備的能力,以及可廣泛使用材料的能力。Rigetti吹捧其實力,使其量子計算機成為交付此類系統(tǒng)的可行途徑。英特爾正在轉向硅,并表示其工廠為量子計算提供了一條更現實的道路。


Clarke說:“這些設備的性能看起來不錯。我們能獲得整個晶圓的統(tǒng)計數據,從而實現控制整個統(tǒng)計過程,因此我們可以就如何改進這一過程做出最佳決策。因為可以掃描整個晶圓,所以我們可以選擇最好的晶圓在毫開爾文溫度下進行研究。”


英特爾將公司的未來押注于制造業(yè),并為客戶提供個性化芯片。英特爾實行“小芯片”的策略是:將芯片模塊化分解,客戶能夠使用他們選擇的CPU、加速器和互連,在封裝中構建芯片。英特爾正在實施新的晶體管和封裝技術,預計在2025年之前將4個新節(jié)點投入生產。


Clark說:“實現大型計算機的最快方法,是在過去10年中開發(fā)出微電子和計算技術,那就是晶體管,這是我們在英特爾正在做的事情。我們認為其他技術不會更快、更大規(guī)模地出現。量子計算芯片也將受益于小芯片戰(zhàn)略和新的封裝技術??刂萍夹g和量子比特芯片之間需要有一定程度的協(xié)同集成,這是我們工具箱中的一個工具,我們正處于早期研發(fā)階段?!?/p>


量子芯片是在俄勒岡州波特蘭的一家工廠生產的,該工廠使用了多種工藝。


Clarke說:“我們使用類似于18A的工藝,流程較為精簡,還利用了EUV光刻技術,以及與最新最先進工藝相同的工廠和工具?!?/p>


Real World Technologies 的 Kanter 說:“好的包裝可以組裝更復雜的系統(tǒng)。最終,量子計算機很可能需要與經典計算機一起部署,類似于CPU與GPU結合使用的方式。”


最近幾個月,英偉達推出了QODA軟件包,為沒有硬件的研究人員模擬量子處理器。英特爾上個月發(fā)布了Quantum SDK,這是一個基于軟件系統(tǒng)的完整量子計算機的外觀表達。SDK包括編譯器和其他工具,開發(fā)人員可以編寫針對量子芯片優(yōu)化的代碼。IBM擁有自己的 QISKIT 量子開發(fā)工具包。


Clarke說,英特爾的最終目標是讓開發(fā)人員掌握硬件,盡管這可能需要很多年的時間。


目前尚不清楚英特爾是否會通過云服務提供量子工具包和先進技術,英特爾云服務于上個月在英特爾創(chuàng)新展上宣布,云服務提供對尚未發(fā)布的芯片的遠程訪問,例如 Sapphire Rapids 服務器芯片和 Gaudi 2 AI 芯片。


Clarke說:“接下來我們將發(fā)布實際量子比特設計及功能模擬器,這是一種緊湊模型。最后,當我們有了實際的硬件才是一種進步?!?/p>


文章參考鏈接:

https://www.hpcwire.com/2022/10/11/intels-road-to-a-universal-quantum-computer-is-via-chiplets/

編譯:卉

編輯:慕一


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