在诸如数字处理器之类的电子器件中使用的基于半导体的集成电路包括基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的数字电路。然而，CMOS技术在器件尺寸方面正达到其极限。此外，基于CMOS技术的数字电路在高时钟速度下的功耗越来越成为高性能数字电路和系统的限制因素。作为示例，数据中心中的服务器消耗的功率量越来越大。即使在CMOS电路处于非活动时，功率消耗也部分是由于能量耗散造成的功率损耗。这是因为，即使当此类电路处于非活动且不消耗任何动态功率时，由于需要保持CMOS晶体管的状态，所以它们仍消耗功率。
除使用基于CMOS技术的处理器和相关组件之外，另一种方法是使用基于超导逻辑的组件和器件。基于超导逻辑的组件和器件也可以被用来处理量子信息，诸如量子位。但是，即使是基于超导逻辑的器件，诸如超导存储器，由于需要以低温(例如4.2K或更低)操作，也会消耗大量功率。
技术实现要素：
在本公开的一个方面中，超导计算系统包括壳体，被布置在液氢环境内部，其中在壳体内部保持比壳体外部压力更低的压力。超导计算系统还可以包括基板，被布置在壳体内部，具有表面，其中附接到该表面的多个组件被配置为提供计算或存储功能中的至少一种，并且其中该基板还包括用于互连多个组件中的至少一个子集的多条电路迹线，其中壳体被配置为使得多个组件中的每个组件被配置为以第一温度操作，其中第一温度低于4.2开尔文，尽管液氢环境具有大于4.2开尔文的第二温度。
在本公开的另一方面，提供了一种超导计算系统，包括：壳体，被布置在液氢环境内部，其中在壳体内部保持比壳体外部压力更低的压力。超导计算系统还可以包括第一基板，在壳体内部，被布置在第一平面中，该第一基板具有平行于第一平面的第一表面，其中附接到第一表面的第一多个组件被配置为提供计算或存储功能中的至少一种。超导计算系统还可以包括第二基板，在壳体内部，被布置在平行于第一平面的第二平面中，该第二基板具有平行于第二平面的第二表面，其中附接到该第二表面的第二多个组件被配置为提供计算功能或存储功能中的至少一种，并且其中第一基板还包括用于互连第一多个组件中的至少一个子集的第一多条电路迹线，并且其中第二基板还包括用于互连第二多个组件中的至少一个子集的第二多条电路迹线，其中壳体内部的液氦被配置为冷却壳体内部的环境，以使得第一多个组件和第二多个组件中的每个组件被配置为以第一温度操作，其中第一温度低于4.2开尔文，尽管液氢环境具有大于4.2开尔文的第二温度。
在又一方面，本公开涉及一种超导计算系统，包括第一储罐。该超导计算系统还可以包括包含液态的氢的第二储罐，其中该第二储罐被布置在第一储罐内部。超导计算系统还可以包括被布置在第二储罐内部的低温恒温器壁，其中由低温恒温器壁所包围的空间内部保持真空。超导计算系统还可以包括在低温恒温器壁内部的基板，其中耦合到基板的多个组件被配置为提供计算或存储功能中的至少一个。超导计算系统还可以包括冷却系统，该冷却系统被配置为将壳体内部的温度保持低于4.2开尔文。
本发明内容被提供来以简化的形式介绍在下面的详细描述中进一步描述的一系列概念。本发明内容不旨在标识要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在被用来限制要求保护的主题的范围。
附图说明
本公开以示例的方式图示并且不受附图限制，其中类似的附图标记指示相似的元件。图中的元件是为了简单和清楚而被图示并且不一定按比例绘制。
图1A示出了根据一个示例的液氢环境内部的超导计算系统；
图1B示出了根据一个示例的液氢环境内部的超导计算系统；
图2示出了根据一个示例的图1的超导计算系统的一部分的详细视图；
图3示出了根据一个示例的图1的超导计算系统的一部分的详细视图；和
图4示出了根据一个示例的液氢环境内部的超导计算系统。
具体实施方式
本公开中描述的示例涉及包括超导组件和器件的计算系统。本公开的某些示例涉及包括以低温(例如，处于或低于4.2开尔文)操作的组件的计算系统。在一个示例中，超导系统被容纳在真空组装中，该组装被封闭在液氢环境中。在该示例中，超导系统可以包括形成在基板上的一个或多个超导组件。超导组件可以包括安装在基板上的集成电路芯片。超导组件和器件可以使用约瑟夫森结来实现与电路相关的功能。示例性约瑟夫森结可以包括经由阻碍电流的区域耦合的两个超导体。阻碍电流的区域可以是超导体本身的物理变窄、金属区域或薄绝缘势垒。作为示例，超导体-绝缘体-超导体(SIS)类型的约瑟夫森结可以被实现为超导电路的一部分。作为示例，超导体是可以在没有电场的情况下承载直流电流(DC)的材料。超导体具有临界温度(Tc)，低于该临界温度时，超导体具有零电阻。铌就是一种这样的超导体，其临界温度(Tc)为9.3开尔文度。在低于Tc的温度处，铌是超导的；然而，在高于Tc的温度处，铌表现为具有电阻的普通金属。因此，在SIS类型的约瑟夫森结中，超导体可以是铌超导体，并且绝缘体可以是Al2O3势垒。在SIS类型的结中，超导电子由量子力学波函数来描述。两个超导体之间的超导电子波函数的相位在时间上的变化相位差对应于两个超导体之间的电位差。
根据需要，可以通过由电感器或其他组件耦合多个约瑟夫森结来形成包括传输线的各种超导电路。微波脉冲可以在至少一个时钟的控制下经由这些传输线行进。微波脉冲可以是正的或负的，或其组合。微波脉冲可以具有高达10GHz或更高的频率。可以需要任何电路板或其他类型的结构，诸如具有这种超导电路的插入器，不仅支持高频微波信号，还支持直流(DC)信号。
尽管超导有若干好处，包括较低的电阻和较好的带宽特性，但是超导材料需要以低温(例如，4K)操作。在数据处理密集型的大规模计算系统中，对于4K环境，可能需要数百兆瓦的功率。本公开描述了一种计算系统，该计算系统通过将低温计算环境封闭在保持在大约20开尔文的温度的液氢环境内部，来限制热寄生效应，从而有利地消耗更少的功率。此外，使用降低热寄生效应的附加特征可以进一步增强这种系统的操作效率。可以使用传导、对流或浸没来形成低温计算环境。
图1A是根据一个示例的液氢环境内部的超导计算系统110的视图100。在该示例中，液氢环境可以包括储罐102，其可以包括液氢容器104。液氢容器104可以包括液化的氢，其可以处于20开尔文至22开尔文之间的温度。相关于图4来提供涉及示例液氢环境的附加细节。液氢容器104可以包括超导计算系统110。超导计算系统110可以包括壳体112。壳体112可以被配置为保持壳体内部的真空。对应于超导计算系统110的组件(例如，处理器和存储器)位于保持真空的壳体112内部。壳体112可以包括热屏蔽114，热屏蔽114可以进一步包围可以被布置为两个超导组件集合(第一超导组件集合116和第二超导组件集合118)的一部分的超导组件。超导组件可以仅被包括在一个集合中或被包括在多个集合中。超导组件可以被配置为在低温环境中(例如，在真空中并且在低于4.2开尔文的温度处)操作。
继续参考图1A，在该示例中，壳体112可以被配置为朝向液氢容器104的底部、被布置在液氢容器104内部的圆柱形容器。在该示例中，壳体112可以被布置在支撑件122和124上在液氢容器104内部。支撑件122和124可以被配置为最小化与液氢容器104的接触，并且因此最小化通过支撑件的任何热传导。在操作模式下，液氢将围绕低温计算环境，只有支撑件触碰液氢容器104的内表面。可伸缩环可以从壳体110中掉出以将“气闸”与外部环境密封隔开，机器人、新装备等等可以通过该“气闸”部件被传送以被安装到壳体110内。气闸120可以是全环或者可以被减小到更小的尺寸以节省成本和液氦。在该示例中，气闸120被示为处于打开位置。可伸缩环和气闸的组合可以用作传递系统以允许访问(access)壳体112。图1B示出了与相关图1所描述的相同的超导计算系统110，并且示出了之前描述的液氢环境。然而，在图1B中，气闸120被示为处于其关闭位置152。虽然图1A和图1B将超导计算系统110示出为具有某种形式和布置，但是超导计算系统110可以具有不同的形式和布置。类似地，虽然图1A和图1B示出了包括球形储存容器的液氢环境，但是液氢容器104可以具有不同的形状，包括圆柱形形状。
图2示出了根据一个示例的液氢环境200内部的超导计算系统210。超导计算系统210可以包括壳体220。壳体220可以被配置为保持壳体内部的真空。因此，对应于超导计算系统210的组件(例如，处理器和存储器)位于保持真空的壳体220内。壳体220可以包括一个或多个基板(例如，基板224、226和228)。这些基板中的每个基板都可以使用玻璃或其他合适的材料来形成；例如，各种类型的聚合物。在一个示例中，玻璃材料可以是硼硅玻璃。壳体220还可以包括热屏蔽230，热屏蔽230可以被配置为将位于热屏蔽230内部的基板中的每个基板的各部分热隔离。虽然未示出，但是可以经由流过耦合到热屏蔽230的管道或管的液氦(或其他合适的冷却剂)来冷却热屏蔽230。在一个示例中，可以使用镍铁合金(例如，Mu金属)形成热屏蔽230。热屏蔽230还可以被包裹成多层绝缘体(未示出)。这样，热屏蔽230可以在4K空间和壳体220周围的20K液氢环境之间提供热隔离。在一个示例中，超导组件(例如，中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、人工智能处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD))可以位于基板(例如，224、226和228)上。超导组件可以被配置为提供实现计算功能或存储功能所需的任何功能。作为示例而非限制，计算功能可以包括以下各项中的至少一个(或任何适当的组合)：中央处理功能、图形处理功能、人工智能功能、门阵列功能、存储器功能或总线接口管理功能。超导组件还可以提供存储功能并且可以包括存储器组件，包括任何非易失性或易失性存储器组件。易失性存储器组件可以包括各种类型的随机存取存储器组件中的任何一种，包括动态随机存取存储器(DRAM)组件。非易失性存储器组件可以包括即使在未通电时也可以存储信息的各种类型的存储器组件中的任何一种，包括闪存组件。超导组件还可以包括现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)。
继续参考图2，热屏蔽230可以帮助保持适合于允许超导器件按照超导原理操作的温度。因此，超导组件可以被保持在低温(例如，几毫开尔文到4.2开尔文)处。这可以经由热隔离和经由液氦或其他此类冷却剂进行冷却的组合来实现。作为示例，可以将铜侧壁240安装在超导组件附近。铜侧壁240也可以经由流过管道(例如管道242、244、246和248)的液氦来冷却，如图2中所示。在一个示例中，操作在低温环境中的系统可能需要真空才能正常操作。在一个示例中，真空可以与10-3托到10-10托的范围内的压力有关。应当认识到，本文中所指的温度范围与这些组件操作的环境温度有关，而不是与组件本身的温度有关。因此，诸如“操作在”或“保持在”之类的参考是指这些组件在其中操作或保持在其内部的环境的温度。
继续参考图2，超导组件可以使用形成在公共基板(例如，224、226和228)中的每个公共基板的顶表面或底表面上的电路迹线彼此连通。可以使用合适的制造工艺来形成电路迹线，包括但不限于选择性激光烧结、熔融沉积建模、直接金属激光烧结、立体光刻、熔覆、电子束熔化、电子束直接制造、气溶胶喷射、喷墨、半固体自由成型制造、数字光处理、层压物体制造、3D打印或其他类似的制造工艺。在一个示例中，电路迹线可以在包括超导组件的基板区域中由铌(或另一种合适的超导材料)制成。虽然图2示出了组件、基板和其他组件的某种布置，但是可以以不同的方式来布置这些。此外，可以存在更少或更多的组件、基板和其他组件。
图3示出了根据一个示例的图1的超导计算系统的一部分300的详细视图。部分300可以包括包围低温计算环境(CCE)304的低温恒温器壁302。低温恒温器壁302可以被用来将CCE 304与液氢环境隔离开。在该示例中，CCE 304可以包括布置在真空内部的超导组件。CCE 304可以包括超导基板310、量子位晶片320、液氦传热件330和20mK冷板340。AC/DC电源缆线350可以被用来向超导组件提供AC和/或DC功率。数据缆线352可以被用来允许微波信号或其他信号向/从CCE 304中的超导组件通信。
仍参见图3，在该示例中，芯片321、322、323、324和325可以在硅或蓝宝石的单个单片晶片(例如，量子位晶片320)的顶面上(或附近)被布置为二维阵列。20mK冷板340可以被热捆绑到稀释制冷机的混合室(例如，密封的氦(He)传热浴)。虽然未在图3中示出，但是可以使用稀释制冷机和冷板或其他热耦合件来保持热层次(thermal hierarchy)。稀释制冷机可以是湿式稀释制冷机或干式稀释制冷机。作为示例，湿式稀释制冷机可以使用泵和热交换器的组合来生成从4.2K到20mK的不同温度水平。循环泵(未示出)可以经由返回线泵送，以使液氦循环通过稀释制冷机的各个阶段。液氦可以是两种同位素(He-4和He-3)的混合物。另一个泵可以从储存器获取液氦，并且可以收集由于与循环液氦进行热交换而形成的任何冷凝物。附加的热交换器可以被用来将循环氦冷却至液氦可以经历相分离生成氦的浓缩相和稀释相的温度。由于这两个相可以进入混合室(未示出)，所以浓缩相可以被稀释，产生附加的冷却。当冷却的稀释氦从混合室循环到蒸馏器时，冷却的稀释氦可以被用来冷却向下(朝向混合室)流动的氦直到其到达蒸馏器。随着液氦继续循环，热耦合冷板可以被用来将超导组件和量子位晶片保持在所期望的低温温度。
继续参考图3，一些基本的接口电路可以驻留在量子位晶片本身上；更复杂的接口电路可以驻留在芯片321、322、323、324和325上，这些芯片被倒装芯片键合(电路面朝下)到量子位晶片320。缆线(例如，缆线328)可以通过辐射屏蔽被布线到安装在超导基板310上的芯片311、312、313、314和315。在这个示例中，芯片311、312、313、314和315可以以大约4.2开尔文操作。根据需要，可以热夹持缆线(例如，缆线328)，以保持热层次。虽然图3示出了以某种方式布置的一定数目的组件，但是可以存在更多或更少数目的不同布置的组件。
在一个示例中，可以将超导组件形成为支持范围从DC到具有大于10GHz频率的信号。在该示例中，超导组件可以在大型硅基板上面进行制造，诸如200mm晶片、300mm晶片或者甚至更大的晶片，这些晶片可以被分成多个管芯。在一个示例中，基板可以由硅或任何其他热绝缘或导热材料制成。此外，在该示例中，信号迹线和接地平面可以通过溅射铌或类似的超导材料来形成。作为示例，也可以使用铌的化合物，诸如氮化铌(NbN)或铌钛氮化物(NbTiN)。也可以使用其他物理气相沉积(PVD)方法，诸如分子束外延(MBE)。取决于被用于迹线的材料类型，还可以使用溅射工艺、化学气相沉积(CVD)工艺、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺、蒸发工艺或原子层沉积(ALD)工艺。因此，例如，可以使用CVD工艺来形成诸如NbN和NbTiN的铌化合物。
图4示出了根据一个示例的液氢环境400内部的超导计算系统410。液氢环境400可以包括储罐402。储罐402可以包括液氢容器404。液氢容器404可以包括超导计算系统410，包括支撑件414和416。超导计算系统410还可以包括气闸412，气闸412还可以耦合到缆线集合418。超导计算系统410可以类似于早先描述的超导计算系统。液氢供应可以由气体供应管线422提供。阀424和426可以被用来控制和调节供应。由于液氢的沸腾所形成的任何蒸发气体可以经由蒸发气体排放线430从液氢容器404中去除。蒸发气体的排放可以使用阀432和434来控制和调节。如果需要的话，可以使用液化器440来处理蒸发气体中的一些以生成液化的氢。液化的氢可以经由气体返回线446返回到液氢容器404。可以经由阀442和444来控制和调节返回气体。虽然图4示出了各种组件的特定形状和布置，但是它们可以具有其他形状并且它们可以被不同地布置。
总之，在本公开的一个方面，超导计算系统包括布置在液氢环境内部的外壳，其中在壳体内部保持比壳体外部压力更低的压力。超导计算系统可以进一步包括布置在壳体内部的、具有表面的基板，其中附接到该表面的多个组件被配置为提供计算或存储功能中的至少一种，并且其中该基板还包括用于将多个组件中的至少一个子集互连的多条电路迹线，其中壳体被配置为使得多个组件中的每个组件被配置为以第一温度操作，其中第一温度低于4.2开尔文，尽管液氢环境具有大于4.2开尔文的第二温度。
在超导计算系统中，较低压力可以在10-3托到10-10托之间的范围内，并且第二温度可以在20开尔文与24开尔文之间的范围内。液氢环境可以包括结构体，该结构体包含液氢，并且可以使用耦合到液氦的至少一个冷板来冷却多个组件。
基板可经由传递系统访问，该传递系统被配置为允许访问基板。多个组件中的每个组件可以包括以下各项中的至少一项：中央处理单元、图形处理单元、人工智能处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路、专用标准产品、片上系统、复杂可编程逻辑器件、静态随机存取存储器、动态随机存取存储器或约瑟夫森磁性随机存取存储器。
计算功能可以包括以下各项中的至少一项：中央处理功能、图形处理功能、人工智能功能、门阵列功能、存储器功能或总线接口管理功能，并且其中存储功能包括以下各项中的至少一项：存储器功能、门阵列功能、存储器控制器功能或总线接口管理功能。基板可以包括多条电路迹线并且多条电路迹线中的每条迹线可以包括超导金属。
在本公开的另一方面，提供了一种超导计算系统，包括：壳体，被布置在液氢环境内部，其中在壳体内部保持比壳体外部压力更低的压力。超导计算系统还可以包括第一基板，在壳体内部，被布置在第一平面中，该第一基板具有平行于第一平面的第一表面，其中附接到第一表面的第一多个组件被配置为提供计算或存储功能中的至少一种。超导计算系统还可以包括第二基板，在壳体内部，被布置在平行于第一平面的第二平面中，该第二基板具有平行于第二平面的第二表面，其中附接到第二表面的第二多个组件被配置为提供计算功能或存储功能中的至少一种，并且其中第一基板还包括用于互连第一多个组件中的至少一个子集的第一多条电路迹线，并且其中第二基板还包括用于互连第二多个组件的至少一个子集的第二多条电路迹线，其中壳体内部的液氦被配置为冷却壳体内部的环境，以使得第一多个组件和第二多个组件中的每个组件被配置以第一温度操作，其中第一温度低于4.2开尔文，尽管液氢环境具有大于4.2开尔文的第二温度。
在超导计算系统中，较低压力可以在10-3托到10-10托之间的范围内，并且第二温度可以在20开尔文与24开尔文之间的范围内。液氢环境可以包括结构体，该结构体包含液氢，并且可以使用耦合到液氦的至少一个冷板来冷却多个组件。
第一基板和第二基板中的每个基板可以经由传递系统访问，该传递系统被配置为允许访问第一基板和第二基板中的每个基板。第一多个组件和第二多个组件中的每个组件可以包括以下各项中的至少一项：中央处理单元、图形处理单元、人工智能处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路、专用标准产品、片上系统、复杂可编程逻辑器件、静态随机存取存储器、动态随机存取存储器或约瑟夫森磁随机存取存储器。
计算功能可以包括以下各项中的至少一项：中央处理功能、图形处理功能、人工智能功能、门阵列功能、存储器功能或总线接口管理功能，并且其中存储功能包括以下各项中的至少一项：存储器功能、门阵列功能、存储器控制器功能或总线接口管理功能。第一多条电路迹线和第二多条电路迹线中的每条迹线可以包括超导金属。
在又一方面，本公开涉及一种超导计算系统，包括第一储罐。该超导计算系统还可以包括第二储罐，包含液态的氢，其中第二储罐被布置在第一储罐内部。超导计算系统还可以包括低温恒温器壁，被布置在第二储罐内部，其中由低温恒温器壁所包围的空间内部保持真空。超导计算系统还可以包括基板，在低温恒温器壁内部，其中耦合到基板的多个组件被配置为提供计算或存储功能中的至少一种。超导计算系统还可以包括冷却系统，该冷却系统被配置为将壳体内部的温度保持低于4.2开尔文。
真空可以对应于10-3托到10-10托之间的范围内的压力，并且液态的氢可以保持在20开尔文到24开尔文之间的范围内的第二温度。
基板可以经由传递系统访问，该传递系统被配置为允许访问基板。多个组件中的每个组件可以包括以下各项中的至少一项：中央处理单元、图形处理单元、人工智能处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路、专用标准产品、片上系统、复杂可编程逻辑器件、静态随机存取存储器、动态随机存取存储器或约瑟夫森磁性随机存取存储器。
计算功能可以包括以下各项中的至少一项：中央处理功能、图形处理功能、人工智能功能、门阵列功能、存储器功能或总线接口管理功能，并且其中存储功能包括以下各项中的至少一项：存储器功能、门阵列功能、存储器控制器功能或总线接口管理功能。基板可以包括多条电路迹线并且多条电路迹线中的每条迹线可以包括超导金属。
应当理解，本文描述的方法、模块和组件仅仅是示例性的。例如而非限制，说明性类型的超导器件可以包括现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。
此外，在抽象但仍然明确的意义上，实现相同功能的组件的任何布置被有效地“关联”，从而实现所期望的功能。因此，本文中组合以实现特定功能的任何两个组件可以被视为彼此“关联”，从而实现所期望的功能，而与架构或中间组件无关。同样，任何两个如此关联的组件也可以被视为彼此“可操作地连接”或“耦合”以实现所期望的功能。
此外，本领域技术人员将认识到，上述操作的功能之间的界限仅仅是说明性的。多个操作的功能可以被组合成单个操作，和/或单个操作的功能可以被分布在附加的操作中。此外，替代实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在各种其他实施例中可以改变操作的顺序。
虽然本公开提供了具体示例，但是在不脱离如以下权利要求中阐述的本公开的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这些修改都旨在被包括在本公开的范围内。在本文中关于特定示例描述的任何益处、优点或问题的解决方案不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或必要特征或元素。
此外，本文中所使用的术语“一”或“一个”被定义为一个或一个以上。此外，在权利要求中使用诸如“至少一个”和“一个或多个”之类的引入性短语不应被解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”引入的另一权利要求元素将包含这样引入的权利要求元素的任何特定权利要求限制为仅包含一个这样的元素的发明，即使当同一权利要求包括引入性短语“一个或多个”或“至少一个”以及诸如“一”或“一个”之类的不定冠词时。这同样适用于定冠词的使用。
除非另有说明，否则诸如“第一”和“第二”之类的术语被用来在此类术语所描述的元素之间进行任意区分。因此，这些术语不一定旨在指示此类元素的时间或其他优先级。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
