Горизонты технологий: AQFP – сверхпроводящая логика, еще один вектор развития полупроводниковых технологий

MForum.ru

Горизонты технологий: AQFP – сверхпроводящая логика, еще один вектор развития полупроводниковых технологий

02.01.2026, MForum.ru


Adiabatic Quantum-Flux-Parametron (AQFP) — это семейство сверхпроводниковой логики, разработанное для создания энергоэффективных вычислительных систем. Технология основана на принципе параметрона с квантовым потоком, или как еще говорят, квантового флюкс-параметрона (Quantum Flux Parametron, QFP), предложенном в 1950-х годах, но адаптированном для адиабатического (реверсивного) переключения, чтобы минимизировать энергопотери.

AQFP относится к области сверхпроводниковой электроники и предназначена для работы в криогенных условиях (обычно при температуре 4,2 K). AQFP не является полноценной квантовой вычислительной технологией (как кубиты в квантовых компьютерах), а представляет собой классическую логику с использованием квантовых эффектов Джозефсона для сверхнизкого энергопотребления.

Разработки AQFP на сегодняшний день идут преимущественно в Японии (NEC, Yokohama National University, AIST) с 2010-х годов. Впрочем, занимаются ею и в США, например, в MIT Lincoln Laboratory.

Принципы работы

AQFP использует сверхпроводящие петли (rf-SQUID) с джозефсоновскими переходами (Josephson junctions) для представления логических состояний. Основной элемент — буфер, состоящий из двойного SQUID, где логика определяется направлением выходного тока, соответствующего хранению кванта магнитного потока.

🔹 Адиабатическое переключение. Энергия переключения может быть ниже 10⁻²¹ Дж (зептоджоули) на джозефсоновский переход. Это очень мало и близко к теоретически достижимым термодинамическим пределам. Но требует охлаждения до 4.2 К.

🔹 Питание и тактирование. Токи возбуждения служат одновременно источником питания и тактовыми сигналами. Многофазная схема обеспечивает последовательную активацию гейтов и передачу данных.

🔹 Элементы логики. Созданы и испытаны буферы, инверторы, сплиттеры, majority-гейты (для AND/OR), ветвления. Из базовых блоков можно создавать сложные логические структуры, как и в обычной логике.

🔹 Доступные частоты. Оценки расходятся, но точно быстрее, чем CMOS. Возможно, уступая RSFQ-логике (Rapid Single Flux Quantum).

🔹 Что в основе? Ниобиевая (Nb) технология с высокой плотностью тока (до 10 кА/см²), поддемпфированные джозефсоновские переходы для снижения потерь.

Технология минимизирует статические потери (без DC-смещения, как в RSFQ) и динамические диссипации за счёт адиабатического режима.

Преимущества и недостатки

Энергоэффективность. AQFP позволяет достичь энергоэффективности в 10⁴–10⁵ раз лучше, чем у CMOS (например, 9–48 тысяч по «энергии на операцию» по сравнению с 12–40 нм FinFET). Конечно, этот гигантский разрыв смазывает необходимость криогенного охлаждения, но даже «на круг» получается на 2 порядка эффективнее, чем при использовании CMOS полупроводников.

  • Масштабируемость. Низкие потери позволяют создавать чипы со сравнительно большим числом элементов (до 20 тысяч джозефсоновских переходов в демонстрациях).

  • Устойчивость. Технология устойчива к вариациям параметров и совместима с другими сверхпроводящими технологиями - RSFQ, SFQ.

  • Применения. В теории, может быть использована для создания высокопроизводительных систем с низким энергопотреблением, включая ИИ-акселераторы, системы стохастических вычислений, интерфейсы для кубитов и датчиков (например, детекторов единичных фотонов).

  • Недостатки. Необходимость криогенного охлаждения. Низкая плотность интеграции (в 4 – 26 раз ниже, чем у CMOS). Сложность производства на текущий момент.

Это коммерчески доступная технология или пока что нет?

AQFP остаётся преимущественно научной и исследовательской технологией, с акцентом на демонстрацию прототипов.

Подборка статусных новостей

Были показаны, например, 8-битный сумматор; 16-словный регистр; 10000-гейтовый чип; 4-битный RISC-V микропроцессор MANA (460 джозефсоновских переходов); интерфейсы для детекторов единичных фотонов.

Созданы стандартные библиотеки элементов под ниобиевый техпроцесс и EDA-инструменты для синтеза, размещения и маршрутизации (включая HDL-симуляции). Синтезировано 18 схем, включая изделия для бенчмарков, ИИ-ускорители и 32-битный RISC-V ALU.

В последние три года идет создание масштабируемых flux-контроллеров кубитов (AQFP/SFQ), микроволновых мультиплексированных контроллеров кубитов с низким энергопотреблением (7 пВт на джозефсоновский переход), компактных ячеек памяти для регистровых файлов. Разрабатывается FPGA на AQFP. Тестируются новые техпроцессы. Ожидается интеграция в квантовые контроллеры.

Место технологии

На 2026 год нет свидетельств о коммерческих процессорах или полноценных вычислительных устройствах на базе AQFP. Все разработки — лабораторные прототипы, демонстрирующие теоретическую возможность создания, но не готовые к массовому производству. Технология фокусируется на преодолении ограничений энергопотребления в ИКТ.

Где, в теории, смогут применяться в будущем

  • В квантовых компьютерах, в интерфейсах управления кубитами (AQFP-QC контроллеры)
  • В нейросетях или в ASIC-акселераторах – для создания специализированных вычислительных блоков.
  • В ультранизкопотребляющих сценариях.

А что в других странах?

Прямых упоминаний исследований в области AQFP в России навскидку не нашел, но учитывая такие российские проекты как Суперквант, можно говорить, что в целом направлением сверхпроводящей микроэлектроники в нашей стране занимаются. В частности, есть публикации по сверхпроводящим ячейкам, интерферометрам на основе джозефсоновских переходов, логике на основе квантового флюкса.

Но публикаций по AQFP-процессорам, ядрам или вычислительным платформам в открытых источниках не увидел.

В Китае впрямую тема AQFP упоминается не редко, но в целом адиабатическим сверхпроводящим схемам общего рода посвящается немало статей, которые развивают теоретические и экспериментальные основы.

В Китае действует ряд лабораторий, занимающихся сверхпроводящими логическими элементами и квантовыми схемами (Шанхайский университет Цзяо Тун), включая джозефсоновские элементы (Университет Цинхуа) и работы по моделированию интегральных сверхпроводящих схем (Синьхуа Ухань / Университет Цзилинь). И, конечно, есть центры Китайской академии наук по сверхпроводящим технологиям. Ничего, близкого к практическому применению не видно.

В Европе темой адиабатической логики занимаются. Но на той же «ранней стадии», в основном научно-лабораторной.

Кто драйвит исследования AQFP?

На текущий момент, как обычно – военные и правительства, которые решают свои узкие задачи. В ближайшие годы так и будет.

В 2025-2028 году технология будет применяться в научных и оборонных лабораториях для управления квантовыми процессорами, как криогенные контроллеры, сверхэнергоэффективные ALU малой сложности. Искать их можно будет в оборонных НИИ, национальных лабораториях, космических агентствах и в разведывательных структурах. Этот процесс уже начался и он, конечно, не публичный.

В 2028-2035 годы начнется выход из лабораторий в практическое применение.

Какие можно ожидать применения

  • криогенные контроллеры квантовых
  • криптографические модули (post-quantum);
  • автономные разведывательные системы;
  • дальние космические аппараты (где энергия дороже массы);
  • спецпроцессоры обработки сигналов (SIGINT, радары, гидролокаторы).

После 2035 года – расширение, но не доминирование.

AQFP не заменит CMOS. Не будет ни массовых серверов, ни, тем более, AQFP-ноутбуков. Но в криогенной электронике AQFP может стать стандартным и массовым решением.

Прогнозный порядок вывода AQFP в практические применения

Япония, затем США, позднее - Китай. Россия и Европа, скорее всего, запоздают. Впрочем, человеку не дано знать будущее.

--

За новостями наземного и спутникового телекома удобно следить в телеграм-канале abloud62. Региональные новости телекома, новости искусственного интеллекта и ЦОД вы найдете в канале abloudRealTime, новости микроэлектроники можно найти в моем канале RUSmicro, также подключайтесь к каналу Бойко про телеком ВКонтакте

теги: горизонты технологий AQFP криогенные технологии сверхпроводящая логика

-- 

© Алексей Бойко, MForum.ru


Публикации по теме:

01.01. [Новости компаний] Микроэлектроника: Орбитальное производство полупроводников – британская Space Forge получила плазму в условиях автономного коммерческого спутника / MForum.ru

30.12. [Новости компаний] Спутниковая связь: Как нам обустроить низкоорбитальные созвездия – можно ли улучшить Starlink? / MForum.ru

26.11. [Новости компаний] Горизонты технологий: МТС разрабатывает и внедряет технологию оптоволоконной сенсорики / MForum.ru

07.11. [Новости компаний] Микроэлектроника: Ученые создали метод сборки 2D-полупроводников с контролем на атомарном уровне / MForum.ru

08.09. [Новости компаний] Связь на борту: В США испытали лазерный канал связи между самолетом и LEO спутником созвездия Kepler / MForum.ru

Обсуждение (открыть в отдельном окне)

В форуме нет сообщений.

Новое сообщение:
Complete in 2 ms, lookup=0 ms, find=2 ms

Последние сообщения в форумах

Все форумы »



Поиск по сайту:

Подписка:

Подписаться
Отписаться


Новости

05.01. [Новинки] Слухи: Redmi в конце января представит Turbo 5 Max с «рекордной» батареей / MForum.ru

05.01. [Новинки] Слухи: Realme Neo 8 получит дизайн в стиле «киберпанк» и флагманскую платформу при цене $360 / MForum.ru

05.01. [Новинки] Слухи: Honor анонсирует ультратонкий Magic 8 Pro Air / MForum.ru

03.01. [Новинки] Анонсы: Oppo выводит глобальную версию Reno15 с Snapdragon 7 Gen 4 и зум-камерой / MForum.ru

03.01. [Новинки] Анонсы: Oppo представляет на Тайване Reno15 Pro Max и Pro с 200 Мп камерой / MForum.ru

30.12. [Новинки] Слухи: Honor готовит Power 2 с батареей на 10 080 мАч / MForum.ru

29.12. [Новинки] Слухи: В сети появились первые изображения и характеристики Infinix Note Edge / MForum.ru

26.12. [Новинки] Анонсы: Xiaomi 17 Ultra – флагман с 200 Мп зумом и Leica-версией с механическим кольцом / MForum.ru

26.12. [Новинки] Слухи: Samsung готовит анонс Galaxy A07 5G с увеличенной батареей / MForum.ru

26.12. [Новинки] Анонсы: Xiaomi Watch 5 – умные часы с «мышечным» управлением и двумя чипами / MForum.ru

25.12. [Новинки] Анонсы: Honor тихо выпустила в Китае супербюджетный смартфон Play 10A / MForum.ru

25.12. [Новинки] Слухи: Nubia подтверждает работу над новым ультратонким игровым смартфоном RedMagic 11 Air / MForum.ru

24.12. [Новинки] Анонсы: TCL анонсировала планшет для цифровых заметок с экраном, имитирующим бумагу / MForum.ru

24.12. [Новинки] Анонсы: Honor раскрывает детали камер для новых игровых смартфонов серии Win / MForum.ru

24.12. [Новинки] Анонсы: Samsung готовит обновление камер в Galaxy A37 и A57 / MForum.ru

23.12. [Новинки] Анонсы: Huawei Nova 15 – баланс для повседневных задач / MForurm.ru

23.12. [Новинки] Анонсы: Huawei представила Nova 15 Pro и Ultra с акцентом на фотографию и автономность / MForum.ru

22.12. [Новинки] Анонсы: Huawei представляет MatePad 11.5 (2026) – планшет с антибликовым экраном для учёбы / MForum.ru

22.12. [Новинки] Слухи: Realme готовит преемника Neo7 с гигантской батареей и флагманским чипом / MForum.ru

22.12. [Новинки] Слухи: OnePlus работает над серией Turbo с АКБ до 9000 мАч / MForum.ru