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:

16.03. Бесшовный фотонный интерфейс чип-окружающая среда: прорывы 2025–2026 годов

12.03. UMC и HyperLight объединили усилия для массового производства чиплетов на основе TFLN

12.03. IBM и Lam Research объединяют усилия для разработки логики суб-1 нм

10.03. Европа и Китай синхронно демонстрируют успех лазерной связи с геостационарными спутниками

10.03. Потери света в фотонных чипах приближены к показателям оптоволокна

07.03. В Новосибирске разработали устройство, позволяющее исследовать оптические свойства материалов для микроэлектроники терагерцевых частот

06.03. China Mobile представила на MWC2026 маршрутизатор 115,2 Тбит/с для соединения ИИ-кластеров и технологию GSE-DCI

04.03. Nvidia готовит процессор для инференса на базе технологий Groq, OpenAI станет якорным клиентом

04.03. Нейросетевой кодек NESC обещает эпоху массовой спутниковой связи

03.03. В Сибири изучают возможности создания элементов памяти на квантовых точках

02.03. Nokia, Samsung, MSI хотят интегрировать ИИ в RAN, а Nvidia хочет в телеком – просматривается кейс win-win

27.02. В Пекинском университете создали лабораторный прототип транзистора FeFET с графеновым затвором длиной 1нм

24.02. ASML добилась удвоения мощности источника света в EUV-машинах

24.02. В 2026 году в России может появиться фотолитограф нового поколения?

17.02. В Европе разработали новый класс полупроводников на базе GeSn

09.02. Интерфейс «мозг-компьютер» (ИМК) и влияние этого сегмента на рынок микроэлектроники

04.02. Кремниевый чип разогнали до 140 ГГц

03.02. SpaceX намеревается создать распределенный ИИ на орбитах о 500 до 2000 км

02.02. Alstom и Deutsche Bahn использовали выделенную сеть 5G SA для удаленного управления пригородным поездом

11.01. Учёные МФТИ открыли путь к лазерам на алмазах

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:


Колонка редактора

18.04. Узбекистан и ZTE укрепляют стратегическое партнерство для ускорения цифровой трансформации

17.04. Прибыль Ericsson упала на 79% - компания предупреждает о росте затрат на чипы

17.04. Yadro запускает приём заявок на оплачиваемую летнюю стажировку «Импульс 2026»

17.04. Tesla ищет инженеров для Terafab на Тайване

17.04. TSMC: CoWoS остается основой для крупнейших ИИ-чипов, и CoPoS все ближе

17.04. МегаФон в Республике Коми - покрытие 4G расширено новой базовой станцией на въезде в Усинск

17.04. МТС в Магаданской области запустил сеть LTE в поселке Эвенск

17.04. OpenAI заключила с Cerebras многомиллиардное соглашение

17.04. В России выпустили первую партию микросхем SPD

17.04. Билайн представил итоги развития в 2025 году в пейзаже «особого пути» российского телекома. Часть 1

16.04. Минцифры представило проект приказа с требованиями к БС O-RAN

16.04. МегаФон в Сахалинской области - связь улучшена рефармингом в Холмске, Корсакове, Горнозаводске и Соловьевке

16.04. МТС в Новосибирской области - связь улучшена в Ленинском районе

15.04. Билайн увеличил пропускную способность для российских видеосервисов

15.04. Rubetek расширяет производственные мощности в Орле

Все статьи >>


Новости

17.04. OnePlus Nord CE 6 Lite – Dimensity 7400, 7000 мАч, а AMOLED заменили на LCD

17.04. Oppo Reno16 Pro получит камеру 200 МП, перископ, Dimensity 9500s и батарея 7000+ мАч

16.04. Vivo T5 Pro – 9020 мАч, 90 Вт, IP69 и Snapdragon 7s Gen 4 от 29 999 рупий

16.04. Oppo F33 и F33 Pro – ребрендинг с AMOLED, 7000 мАч и IP69K

16.04. Poco C81 Pro получи 6.9" дислеей 120 Гц, АКБ 6000 мАч и Unisoc T7250

15.04. Motorola Razr 70 Ultra получит Snapdragon 8 Elite и батарею на 6% больше

15.04. Tecno Spark 50 4G – Helio G81, 7000 мАч и связь без сети за 1.5 км

15.04. T1 Phone от Trump Mobile – $499 за AMOLED 120 Гц и Snapdragon 7

14.04. Redmi A7 Pro 5G – HyperOS 3, Unisoc T8300 и 6300 мАч за 11 499 рупий

14.04. Oppo Pad Mini с 8.8-дюймовым OLED-экраном 144 Гц и Snapdragon 8 Gen 5 представят 21 апреля

14.04. Rollme G9 – умные часы с офлайн-картами, двухдиапазонным GNSS и весом 32 грамма

13.04. Realme Narzo 100 Lite 5G – 7000 мАч "Titan Battery", 144 Гц и Dimensity 6300 за 13 000 рупий

13.04. CMF Phone 3 Pro получит Snapdragon 7s Gen 4 и металлическую рамку

13.04. Анонс Huawei Pura 90 Pro ожидается 20 апреля

10.04. Realme C100 4G – в000 мАч, IP69K и Helio G92 Max за 292 доллара

10.04. AI+ Nova 2 и Nova 2 Ultra – два подхода к бюджетному сегменту в Индии

10.04. Oppo A6s Pro – OLED, 7000 мАч, 80 Вт и Dimensity 6300

09.04. Moto Pad 2026 – 2.5K-экран, 5G и четыре динамика за 250 долларов

09.04. Motorola Moto G Stylus (2026) – стилус с наклоном, защита IP69 и AMOLED за 500 долларов

08.04. Oppo A6k с АКБ 7000 мАч, экраном 120 Гц и Dimensity 6300 оценен 290 долларов