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量子電腦掀起 超級運算大革命

2018-08-17 11:05工業技術與資訊

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【撰文 王志鈞】

量子電腦來了!去年11月,IBM宣布研發出全世界第一台50量子位元(qubit)的量子電腦,並在年初CES 2018中正式亮相;同一時間,在會場的另一端,英特爾(Intel)則展示49量子位元測試晶片。兩家IT大廠互相較勁,宣告量子電腦即將邁入商業化,引發市場高度重視。

採新舊混搭策略 及早累積量子新經驗

台灣在半導體產業具有領先全球的優勢,在經濟部技術處的支持下,2004年起,工研院與美國史丹福大學(Stanford University)建立交流合作平台,每年進行雙邊的互訪和研討會活動,以促進台灣與矽谷間的產官學研交流。

今年的研討會以「AI趨勢下之次世代半導體創新與應用」為主軸,邀請史丹福大學教授、美國知名量子電腦新創公司Rigetti Computing,和台灣多位高效率運算晶片技術的專家,同場分享研發半導體次世代技術以及量子電腦的未來趨勢。

史丹福大學教授Chuck Eesley從投資趨勢的角度指出,人工智慧的商業潛力已經相當明顯,根據他過去分析人工智慧、基因編輯技術(CRISPR)、機器人和奈米科技等新興科技的研究成果,他預估第一批商業化量子電腦將於不久的未來開始出貨,並預期年複合平均成長率可達25%,5年內可達到50億美元市場規模。

美國知名的量子電腦新創公司Rigetti Com-puting,由工程主管Matthew Reagor來台分享Rigetti在量子積體電路和電腦的研究進度。2013年於美國加州成立的Rigetti Computing,目前已募集超過6,900萬美元資金,目標是「打造世界最強大的電腦」。

Matthew Reagor指出,量子電腦的商業化不代表傳統電腦的終結,而是更加帶動其他市場與技術的深度運用,特別是在機器學習、物流路線最佳化、機器人、化學分子計算與乾淨能源等領域,皆為高度需要量子電腦運算能力的運用範圍。

雖然目前全球處理量子計算的途徑有許多種,但Matthew Reagor表示,矽晶圓積體電路是Rigetti Computing最主要的候選方案,因為以矽晶片製造的量子處理器所需工作溫度比絕對零度(-273.16℃)高,缺點則是目前技術能取得的量子位元數量較少。

Rigetti Computing目前所採取的是混合量子計算(Hybrid Quantum Computing)策略,善用傳統電腦與量子電腦的優勢,相互整合出最佳的運算模式,並提供完整的量子電腦解決方案,包括晶片、硬體、作業系統與各類延伸運用等。

Matthew Reagor認為,目前量子位元雖少於50,且錯誤率為1%,但未來5年內有機會發展到1,000量子位元與0.1%的錯誤率,並在15~20年內發展出100萬量子位元與0.0001%以下的錯誤率,量子電腦將正式進入大量運用的商業化時代。

矽光子實用化 提高量子電腦實用性

至於在5年內即將廣泛運用的矽光子部分,史丹福大學電機系教授Jelena Vuckovic指出,光子學(Photonics)應用廣泛,從光通訊、傳統和量子運算到感測與成像等皆需要,為科技業明日之星;然而,現有光源技術產生的光子體積大、效率低,且易受環境影響造成損耗,阻礙光子學的實用化。

為此,史丹福大學研究團隊捨棄了傳統直覺式設計方法,考量製造限制與結構穩健性的平衡下,透過參數化過程,開發可持續優化奈米光學結構的演算法。Jelena Vuckovic指出,這一套演算法會利用人工智慧來協助設計,因此可精確模擬光在不同材質與參數下的路徑,並設計出符合預期的迴路。

除了光子積體電路,史丹福大學研究團隊的自動化奈米結構設計演算法,也可運用在鑽石晶格內,創造高效率的矽空隙色心(SiV color center)以捕捉更多光子,提高量子電腦硬體的實用性。

矽世代4.0來到 可望突破摩爾極限

面對量子電腦的世代即將到來,台灣半導體產業該如何因應呢?

工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)主任、史丹福大學共同研討平台計畫主持人蘇孟宗表示,未來半導體技術發展將走向微小化和多樣化,產業界必須積極透過導入新材料和新電晶體結構,以克服微縮製程所產生的挑戰。

他認為,量子電腦的發展預期能滿足人工智慧、系統模擬和最佳化分析等高效能運算的特定需求,不僅將會對許多產業產生重大影響,亦是半導體產業跳脫傳統電子晶片的另類途徑,值得產業界重視。

鈺創科技董事長盧超群以「矽世代4.0」為題,點出半導體產業在製程微縮上已取得重大突破,但也即將面臨極限,未來必須努力透過異質整合(Heterogeneous Integration),擴大晶片的應用領域,才能突破線性成長的限制,帶來指數型成長。

盧超群認為,矽世代4.0的特色是重視功能的整合,而非晶片面積上的微縮,因為矽晶片目前還無法進入1奈米製程,將來必須思考在5奈米上面著力,在固定面積上面蓋101大樓,再搭配應用廣泛的人工智慧,才能創造半導體產業在數位經濟的更高價值。

前行政院科技會報執行秘書、成功大學特聘教授郭耀煌表示,早在2005年國科會就考慮布局量子電腦,但因故未執行,所幸目前科技部已投入每年7,000萬預算來推動量子電腦專案計畫,希望結合台灣半導體產業的優勢,培育相關人才,協助產業搶先布局。

郭耀煌提醒,目前人工智慧的大趨勢可以置入(Inside)到每一個系統,但卻不能「硬塞」到每一個地方,台灣一定要思考自身的利基點,發展出適合自己的人工智慧特色,並與本地市場的特色相結合,才不會讓創新技術如浮萍,無法帶動產業鏈共同發展。

發展異質整合 半導體晶片可續強大

工研院電子與光電系統研究所組長林建中指出,雖然每隔1~1.5年,半導體晶片功能可強大2倍的摩爾定律,在未來10年內仍然有效,不過,也有很多人擔心盡頭即將到來;當傳統矽晶片透過曝光、顯影等製程技術而來到極限時,透過異質整合技術的非傳統晶片,成了讓半導體晶片功能繼續強大的解決關鍵。

他表示,異質整合是將不同晶片透過封裝或其他技術放在一起,使晶片功能更強大;例如,過去記憶體與中央處理器的晶片是分開的,如今,兩者整合已成為趨勢,不僅如此,包括把感測器與非矽材,如LED或通訊晶片等結合在一起,也是現在半導體產業的熱門方向。

早在10年前,工研院就已經投入相關領域的研發,包括台積電的晶圓級封裝技術InFO(Integrated Fan-Out)、矽光子技術(Silicon Phonotics)、微發光二極體(Micro LED)等,都是半導體異質整合的應用案例。

目前擔任科技部前瞻量子科技研究中心計畫主持人、清華大學物理系教授牟中瑜認為,類比傳統積體電路的發展,量子電腦尚處於摸索與突破的真空管年代,但因量子位元具有量子糾纏(quantum entanglement)的特性,兩個量子位元在很遠的地方仍可互相溝通,且任一個狀態被改變了,另一個也會跟著變化,可運用此特性開發不會被破解的保密功能。

牟中瑜指出,量子通訊的重要性,完全不亞於量子計算,透過量子密碼來傳輸資料,不但可以完全保密,任何竊聽也都會被發現;另外,量子雷達的發展甚至可讓隱形戰機藏不住,這些都是量子科技的破壞性威力,也引發各國競爭投入資源來開發。

至於量子電腦何時可以取代現有超級電腦5%的市占率呢?與會者多數認為還需要10~15年的時間,讓技術應用逐漸成熟,顯示量子電腦尚有許多技術瓶頸待突破,台灣產業需及早掌握先機,布局卡位,搶占下一世代的關鍵技術!

工業技術與資訊

1991年創刊的《工業技術與資訊》月刊,為工業技術研究院發行之全院性對外出版品,主要提供工研院重大技術發展、相關產業趨勢、技術移轉成效等內容,為一般大眾接觸工研院的管道之一。工研院是台灣最大的產業技術研發機構,不論技術引進、人才培育、育成中心、技術服務移轉,對台灣中小企業的發展具有舉足輕重的地位。

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