一、前言

超导计算机是指利用超导体约瑟夫逊效应的器件而制造的计算机。约瑟夫逊器件是具有超导体薄膜/极薄的绝缘膜/超导体薄膜这样夹层构造的隧道型超导器件。由于目前高温氧化物陶瓷超导体未能实用，所以现在都使用铌系金属超导体来制造约瑟夫逊器件。因此它们必须在液氨温度（4.2 K）下工作。

自从1979年美国IBM和IEEE提出了超导计算机的设想后，便开始了超导计算机的历程。约瑟夫逊器件的工作速度比硅器件快10倍以上，因此超导计算机的处理速度也比一般计算机快10倍。由于高速而价格昂贵，使用维护都很麻烦，所以首先把它用于对速度要求高而不怕费钱的巨型计算机上。世界上第一个巨型计算机Cray，其核心部分便使用了约瑟夫逊器件。由于要在液氦下工作，未能获得推广。IBM也因困难太大，于1983年宣布停止进行超导计算机的开发。

就在这之前不久，1982年日本通产省宣布要执行“超导计算机计划”，除通产省工业技术院电子综合研究所外，富士通、日立、日本电气也参加了这一计划。经过将近9年的努力，从1989年底起纷纷拿出成果。并在1990年2月于美国召开的国际固体电路会议（ISSC）上发表。使日本在超导计算机研制方面居于世界最前列。

于是，沉寂多时的超导计算机又引起人们关注，连IBM也要重新进行超导计算机的开发。

二、超导计算机达到的水平

1. 电子综合研究所取得的成果

它开发成功的ETL-JCI超导计算机是世界上第一个全部由约瑟夫逊器件组成的超导计算机。ETL-JCI由进行运算和控制的处理器和存放指令和数据的存贮器组成，能够完成作为一台计算机所应具备的全部功能。它由四个芯片组成：一是寄存器和算术、逻辑运算芯片RALU，它有1273个门电路；二是顺序控制芯片SQCU，它有593个门电路；三是指令存贮芯片IROU，可存10比特×128字；四是数据存贮芯片DRAU，可存贮4比特×256字。

程序系存放在指令存贮器IROU中，指令为10位长的。使用RALU内的算术、逻辑运算器可以进行4位长的算术、逻辑运算。运算的结果放在DRAU内，需要时可从中读出，与此同时，SQCU根据程序的内容，指定下一周期要执行的指令的地址。由于它具有以前约瑟夫逊处理器所没有的顺序控制电路，所以能够执行包含有循环运算和子程序的程序。

这四个芯片都是铌金属超导体的约瑟夫逊器件（铌/氧化铝/铌）的大规模集成电路芯片。设计规则为每个芯片为边长为1.8 cm的正方形，四个芯片装在对角线为10 cm的底板上。要在液氦温度下才能正常工作，执行时所有芯片的电力消耗为6.2 mW，还不到硅器件的千分之一，在芯片内部执行一条指令，只要1 ns（n=10^-9）。但是由于连接四个芯片的配线系使用铜，因此执行—条指令的时间大大增加了。

2. 日立制作所取得的成果

日立开发了具有8类基本指令的4位约瑟夫逊处理器，将其配上高速RAM，便组成计算机。这些都集成在对角线为5 mm的芯片上，它具有相当于目前大型计算机五倍以上的处理速度，即达到250 MIPS的高速。

曰立在开发超导计算机中，还致力于超导逻辑集成电路的高集成化研究。1986年开发了超高速的4×4位并行乘法电路和3264个门规模的逻辑门阵列，采用“阈值逻辑”构成神经网络模型，并成功地实现了全部动作。这一切都是用铌系超导材料制成的，并确认了每一逻辑电路能以2.5 ps（p=10^-12）开关时间高速工作。

在开发超导计算机中，日立解决了三个技术关键，首先，要在5 mm对角线的芯片中集成3万个具有同样电流特性的约瑟夫逊元件。要使约瑟夫逊结上的铌膜内部应力减小。并构成最佳的形成溅射的条件，使得能够形成漏电流小的均匀的隧道壁垒层铝膜。因而使芯片内的结电流波动抑制在±6%以内。

其次，在直流电源驱动的基本电路（双稳电路）中，使用了并联的防止误动作的电阻元件，免除了以前成为问题的不稳定现象。利用这种改进的基本电路构成寄存器和高速缓冲存贮器，并用它们组成复杂的高速电路系统。

第三，把基本电路以外的交流电源驱动电路部分，均匀地分配给许多功能块，在各功能块串联供电上下功夫。结果，减小了向芯片的供电电流，减轻了高频电源装置的负担，并减轻了传到输出入端口的噪音（串音）。此外，为了把超导电路系统的微弱信号输出到外部系统，采用了直流驱动的输出缓冲器。使超导电路的信号形式同半导体器件相匹配，可减小交流电流所造成的噪音一个数量级以上。

日立开发的超导计算机，时钟频率为1.02 GHz、消耗电力为25 mW。这一成果可作为以后以GHz（G=10⁹）时钟工作的超高速计算机的基本技术。日立现在拟把它的超导计算机进行“小型机化”。

3. 富士通所取得的成果

富士通试制的约瑟夫逊处理器，系以使用约瑟夫逊元件的4位微处理器（设计规则为1.5微米）为核心，周囤配有利用约瑟夫逊器件的4位乘法器、8 K ROM、12位累加器，所有这些都放在一个芯片上。已经确认了包含存贮器读出、乘法在内的处理，可在亚纳秒的时钟下执行。芯片放在液氦中进行试验，所有功能都能正常工作，成功地实现了最高达1.1 GHz时钟的超高速工作。这时消耗的电力总共才有6.1 mW。

富士通于1988年开发出2.5 μm规则的1比特×4 K字的4 K SRAM约瑟夫逊存贮器，实现了读出时间为590 μs的超高速。此外，通过把约瑟夫逊元件的微弱信号（2.8 mV）放大到0.9 V，开发出能够直接驱动通常半导体IC的约瑟夫逊元件和硅半导体元件的接口电路。

富士通开发出把24000个约瑟夫逊元件集成在5 mm对角线的芯片上的处理器，达到了约为硅器件37倍、砷化镓器件15倍的超高速性能。消耗的电力也比它们小两个数量级。这一处理器词4 K SRAM结合，便构成^了超导计算机。

不久前，富士通又发表了8位的约瑟夫逊微处理器。

三、超导计算机的用途

富土通新开发出的约瑟夫逊微处理器，可以代表当前超导计算机的水平。它的处理能力达到1 GIPS（每秒执行十亿条指令）。这个速度不可谓不快，但是由于目前硅器件通过使用并行处理，同样可以提高运算速度。例如美国N Cube公司的超并行计算机便可实现25 GFLOPS的岛速运算（每GFLOPS表示每秒进行十亿次浮点小数运算）。这使得超导计算机速度快这一优点为之逊色不少。

因此，目前超导计算机只能在必须使用串行处理的场合才能大显身手。最需要超导计算机的领域是军事领域。例如，在空中飞行的导弹为了寻找目标，在头部装有摄像机，它飞快地摄入大量图像信息，对这种信息进行实时处理只能使用串行处理。因此用超导计算机担负这类工作，便是再合适不过的了。

除此之外，能使超导计算机充分发挥作用需要串行处理的，还有以下领域。

一是用作一般屯子计算机的加速器。例如，IBM便想用它来模拟巨型计算机。在一般计算机上配上高速的约瑟夫逊芯片，便可使它摇身一变当作巨型计算机使用。目前，IBM生产的计算机商品系列中还没有巨型计算机，因此它准备通过附加这种加速器，以便向用户提供实质上具有巨型计算机功能的产品。

二是用于天文领域。例如不知何时才会发生星座爆发，因而必须经常处于等待状态，以便随时处理因星座爆发而传来的电磁波。这最好使用约瑟夫逊处理器。因为电磁波是成时间序列的连续信息，不好用多处理器进行并行处理，只能用速度非常高的单个处理器进行串行处理。同样的理由，高速的运动图像处理，最好也要用约瑟夫逊处理器。

三是用于医疗领域。现在医疗上使用的超高灵敏度磁传感器是超导量子干涉器件SQUID，它把约瑟夫逊元件集成在一个或二个芯片上，能测出人的心脏和脑所产生的极微弱磁场。这方面可期待使用超导计算机进行处理。

四、超导计算机面临的课题

当前，超导计算机在发展中面临两大课题。一是需要液氦冷却。这不仅使价格昂贵，而且给使用、维护都带来极大不便，严重地影响了超导计算机的推广应用。解决这一课题将寄希望于高温超导体的实用。

二是缺乏足够容量的约瑟夫逊存贮器，影响它作为大型计算机使用。从以上列举的超导计算机用途中，都没有作为大型计算机使用的。这并不是因为它的速度不够，而是因为没有相应的大容量存贮器。这是因为约瑟夫逊器件本身难以产生大的电压，因此无法同时驱动许多存贮单元。使得难以制成大容量的存贮器。

在通产省超导计算机计划中，担负开发存贮器的日本电气，因存贮器容量不足而感到很大压力 · 虽然日电完成了计划中规定的目标，开发出4 K位的存贮器，但目前市售的硅半导体存贮器，容量已达4 M位，所以同微处理器相比，约瑟夫逊存贮器在位数方面，同硅器件的差距更大。

五、超导计算机前景

尽管目前超导计算机的应用面临种种限制，但是如果放眼10年后的21世纪，普遍认为它将具有诱人的前景。这是因为在这10年内，硅器件存在的问题将越来越突出，而超导计算机目前存在的问题则将逐步得到解决。

由于硅LSI进一步微细化、高集成化，因而器件发热而引起的误动作将日益严重。此外，微细化的结果使各元件之间距离缩小，因此将引起相互间信号干扰。所以许多人认为硅器件到20世纪末将发展到头，而约瑟夫逊器件将是它的最有力取代者。因为后者不仅动作快，而且消耗的电力只有硅器件的千分之一至百分之一，故发热很轻。

在电子器件领域，常用消耗电力除以工作速度的值来评定器件的综合性能。这一数值越小越好。约瑟夫逊器件的这一数值，约比硅和化合物半导体器件的小三个数量级，可见其综合性能之佳。

此外，在这10年中高温超导体实用化定有明显进步。一旦约瑟夫逊器件能在液氮（77 K）下工作，无论在价格上，还是在使用、维护上，都会大大提高竞争力。何况，超导计算机同样可以采用并行处理。到那时，由许多32位约瑟夫逊微处理器组成的并行超导计算机，其运算速度仍将是硅器件的并行计算机的10倍以上。

由于超导计算机前景重现光明，许多美国厂家又加入开发行列。已有10家左右美国电子企业开始进行约瑟夫逊微处理器和存贮器的研究，其中两三家已向'富士通要求提供技术。IBM也在中断6年之后，恢复研制超导计算机。它将首先通过开发SQUID，尽快掌握铌系超导体加工技术。希望用几年时间赶上日本水平，然后再在超导计算机上同日本一决雌雄。

此外，美国贝尔研究所、MIT等也于1989年发起成立“超导电子学共同研究联合体”，使用铌超导体重新开展对约瑟夫逊器件的研究。