上海微系统所助力研制超导神经形态处理器原型芯片

中国科学院计算技术研究所尤海航研究员、唐光明研究员带领的研究团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称“上海微系统所”）任洁研究员团队联合攻关，研制了超导神经形态处理器原型芯片“苏轼（SUSHI）”，它是一款基于超导单磁通量子（SFQ）电路的超导计算芯片。该芯片利用上海微系统所超导集成电路设计平台展开设计，采用上海微系统所自主研发的SIMIT Nb03超导集成电路工艺（配备PDK及单元库）进行制备（如图一），基于上海微系统所的超导集成电路测试平台完成测试，最终成功验证获得了完整神经形态计算网络的正确推理结果，在国际上首次利用超导计算芯片实现该功能。

图一：苏轼（SUSHI）所在晶圆（SIMIT Nb03工艺）与芯片光镜照片

“苏轼（SUSHI）”具有精度可变性和规模易扩展性，利用十万个约瑟夫森结即可获得每秒近1.4万亿次突触操作的峰值神经形态处理性能和每瓦超32万亿次突触操作的高能效。近日，该研究以论文《SUSHI: Ultra-High-Speed and Ultra-Low-Power Neuromorphic Chip Using Superconducting Single-Flux-Quantum Circuits》的形式入选国际计算机体系结构领域顶级会议MICRO 2023（56th IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture），上海微系统所任洁研究员、应利良正高级工程师、牛明慧高级工程师与刘焕丽工程师为该论文共同作者。

超导SFQ电路同时具有超高计算速度和超低计算功耗的特点，有望突破传统计算在单位体积和单位能耗条件下提升算力困难的瓶颈，成为新原理计算领域的研究热点之一。上海微系统所已建成超导SFQ芯片研发平台。于2018年开发了国内第一套Nb基超导IC工艺“SIMIT Nb03”，并作为我国唯一的超导IC工艺于2020年首次入列IEEE发布的IRDS超导IC工艺表。

该超导SFQ芯片研发平台（如图二），可提供与CMOS芯片研发高度兼容的超导PDK与单元库以及自主开发的系列超导EDA工具、完成大规模超导SFQ芯片制备和低温测试，为合作者提供超导SFQ集成电路设计和芯片测试技术支持。该平台为本单位nanoSQUID、TES和QUBIT方向及中国科学院计算技术研究所、上海科技大学、电子科技大学、澳门大学、西南交通大学等合作单位的研究工作提供了大量技术支持，实现协同优化，打开了我国超导集成电路发展的新局面。

图二：上海微系统所超导SFQ芯片研发平台和技术支持