Квантовые инструменты EDA приходят за вашей печатной платой

Что если бы ваши инструменты EDA могли исследовать миллионы конфигураций схем одновременно, выявляя прорывы за минуты вместо недель? Вот что обещает квантово-усиленный дизайн. По мере того как квантовые вычисления переходят от теоретических обещаний к практическим инструментам, они начинают преобразовывать способы оптимизации схем.

Традиционные инструменты EDA решают одну задачу дизайна за раз. Квантовые системы работают иначе: они оценивают огромные пространства решений параллельно, что делает возможным решение задач, которые ранее были слишком сложными или занимали слишком много времени для исследования. Инженеры уже используют эти инструменты для ускорения оптимизации аналоговых схем, моделирования новых материалов и симуляции систем, далеко выходящих за рамки классических методов.

Квантовая оптимизация в проектировании схем

Квантово-усиленная оптимизация выходит за рамки дизайна отдельных компонентов. Эти инструменты отлично справляются со сложными головоломками, включая комбинаторные задачи, для улучшения производительности аналоговых схем. Квантовые алгоритмы могут быстро прорабатывать миллионы возможных конфигураций, так что вы получаете лучшие дизайны за меньшее время.

В ноябре 2024 года NVIDIA объявила о сотрудничестве с Google Quantum AI на SC24 (Международная конференция по высокопроизводительным вычислениям, сетям, хранению данных и анализу). Это партнерство использует платформу CUDA-Q для продвижения проектирования квантовых процессоров через масштабные симуляции. Используя суперкомпьютеры NVIDIA Eos, оснащенные 1,024 графическими процессорами H100 Tensor Core, платформа создала симуляции устройств до 40 кубитов, что является одним из крупнейших достижений в этой области. Это решение сократило время вычислений с недель до минут — значительный прогресс в масштабировании квантового оборудования при одновременном устранении шума.

Исследователи из Google Quantum AI и DeepMind также разработали AlphaQubit — декодер на основе нейронной сети, работающий на архитектуре Transformer, для коррекции квантовых ошибок. Протестированный на квантовом процессоре Google Sycamore, AlphaQubit снизил количество ошибок на 6% по сравнению с методами тензорных сетей и продемонстрировал адаптивность к реальному шуму через двухэтапный процесс обучения (предварительное обучение на синтетических данных + дополнительная настройка на экспериментальных данных). Это сотрудничество подчеркивает растущую роль машинного обучения в продвижении квантовых вычислений, устойчивых к ошибкам.

Кроме того, Keysight и Google Quantum AI создали новый инструмент проектирования под названием Симуляция Квантовых Цепей (Quantum Ckt Sim), который уже доказал свою ценность в разработке квантовых цепей. Добавление квантования потока в частотной области в их инструменты симуляции улучшило моделирование сверхпроводящих квантовых цепей. Новый инструмент, описанный в технической статье, написанной совместно с Google AI, предлагает обширную библиотеку квантовых устройств и улучшенные функции управления для повышения точности и эффективности рабочих процессов исследований и разработок в области квантовых технологий.

Как работает квантово-усиленное ЭСП

Квантово-усиленное ЭСП применяет принципы квантовой механики для более эффективного решения проблем проектирования. Традиционные инструменты ЭСП оценивают варианты проектирования один за другим, в то время как квантовые системы используют квантовую суперпозицию для одновременного исследования множества возможностей.

Три основных подхода позволяют квантово-усиленному ЭСП:

• Квантовые компьютеры на основе вентилей, которые предлагают гибкие модели программирования
• Системы квантового отжига, оптимизированные для решения масштабных комбинаторных задач
• Гибридные квантово-классические алгоритмы, сочетающие сильные стороны обоих

Интерфейс квантово-классический

Инженеры-электронщики, использующие усовершенствованные с помощью квантовых технологий инструменты автоматизированного проектирования электронных устройств (EDA), должны учитывать, как преодолевается разрыв между квантовыми и классическими вычислениями. Квантовые процессоры требуют сложной контрольной электроники, работающей при температурах, близких к абсолютному нулю – обычно 10-15 милликельвинов (мК) для сверхпроводящих систем. Это создает уникальные ограничения на проектирование, которые распространяются на весь инструментарий.

Интерфейс требует точного контроля времени с точностью до субнаносекунд для манипулирования квантовыми состояниями. Современные системы используют специализированные криогенные схемы на КМОП, работающие при 4 К (кельвинах), и разработаны для поддержания производительности при минимизации тепловой нагрузки. Из-за этого управление питанием становится критически важным, поскольку даже небольшие температурные колебания могут нарушить квантовые операции. 

Реализация и интеграция

Внедрение инструментов EDA, усовершенствованных с помощью квантовых технологий, требует тщательного анализа их интеграции в существующие процессы проектирования. Во многих случаях квантовая обработка может выполняться на специализированных аппаратных системах или облачных сервисах, но инженерам все равно необходимо предварительно обрабатывать задачи проектирования с использованием классических вычислительных ресурсов, прежде чем отправлять их в квантовые инструменты.

Ключ к успешной реализации заключается в выборе правильных задач для решения с помощью квантовых методов. Некоторые задачи проектирования, такие как уточнение аналоговых схем или вопросы размещения и трассировки, особенно хорошо подходят для квантовых подходов сегодня. Традиционные методы будут продолжать более эффективно справляться с многими другими задачами еще некоторое время.

Недавние разработки в области внедрения и интеграции квантовых технологий включают:

• Облачные квантовые сервисы для экспериментов: Некоторые ведущие технологические компании, такие как NVIDIA, теперь предлагают доступ к квантовому оборудованию и симуляторам, позволяя инженерам тестировать квантовые алгоритмы без инвестиций в специализированное оборудование.
   
• Квантово-инспирированные алгоритмы на классическом оборудовании: Исследователи разрабатывают классические алгоритмы, которые имитируют квантовые принципы, предоставляя некоторые преимущества квантовых вычислений на существующем оборудовании.

Соображения о соотношении затрат и выгод

Инвестиции в улучшенные квантовые возможности EDA необходимо взвешивать против ощутимых результатов. Недавние исследования показывают, что квантовые методы уже обеспечивают обнадеживающую окупаемость в ключевых задачах оптимизации, с уменьшением времени симуляции с недель до дней и заметным улучшением производительности устройств.

Хотя технология все еще развивается, наиболее успешные реализации сосредоточены на конкретных, четко определенных задачах проектирования, где квантовые технологии предоставляют явное преимущество. Команды, которые начинают с малого и выбирают правильные случаи использования, видят наибольшую отдачу. 

Возникающие границы

По мере развития технологии квантовых вычислений мы увидим всё более сложные приложения для электронного проектирования. В исследованиях и разработках полупроводников квантовые симуляции новых материалов и физики устройств ускорят темпы инноваций в области микросхем. Будущие инструменты, усиленные квантовыми технологиями, могут автоматически генерировать и оптимизировать новые топологии схем, предлагая дизайны, о которых большинство инженеров даже не могли бы подумать.

Интеграция квантовых вычислений с методами искусственного интеллекта откроет ещё более футуристические возможности. Инструменты, управляемые ИИ и усиленные квантовыми технологиями, могут стать активными партнёрами в дизайне, помогая инженерам исследовать беспрецедентные пространства проектирования и разрабатывать решения, выходящие за рамки традиционных пределов дизайна.

Точки входа для инженеров

Для инженеров, желающих исследовать усиленное квантовыми технологиями ЭСП, уже доступно несколько практических точек входа:

• Использовать облачные квантовые сервисы для экспериментов с моделями схем и квантовыми алгоритмами, такими как Amazon Braket, который предоставляет доступ к аппаратному обеспечению от IonQ, Rigetti и других.
• Исследовать квантово-вдохновленные методы оптимизации, используя знакомые инструменты и языки через платформы вроде Microsoft Azure Quantum, поддерживающей ряд гибридных и классических симуляторов.
• Начните создавать аппаратные конструкции, осведомленные о квантовых технологиях, с помощью сред разработки, таких как IBM’s Qiskit Metal, которые интегрируются с привычными инструментами проектирования ЭСКД и поддерживают настройку на основе Python.

Эти примеры показывают, как крупные технологические компании активно инвестируют в ресурсы для инженеров, включая учебные пособия, симуляторы и облачные платформы, поддерживающие как квантово-вдохновленные, так и истинно квантовые рабочие процессы.

Квантовые навыки для инженеров-электронщиков

В ближайшем будущем возникнет растущий спрос на профессионалов с экспертизой в области квантовых вычислений. Инженеры со следующими навыками будут иметь крепкую основу для развития:

• Микроволновая инженерия для управления кубитами на частотах 4-8 ГГц
• Принципы проектирования АСИК при низких температурах
• Потоки проектирования ЭСКД, осведомленные о квантовых технологиях
• Совместное проектирование архитектуры, устойчивой к ошибкам

Ведущие образовательные учреждения сотрудничают с крупнейшими технологическими компаниями для разработки путей квантового инжиниринга, которые опираются на традиционные знания в области электроники. Эти программы сочетают в себе физику квантовых устройств с практическим проектированием схем, строя мост между классическими и квантовыми доменами.

Инструменты нового поколения для инженеров нового поколения

Интеграция квантовых вычислений в автоматизацию проектирования электроники кардинально изменит подход инженеров к разработке схем. Хотя технология все еще находится на стадии совершенствования, ее потенциал для ускорения и расширения процесса проектирования уже очевиден. Инженеры, которые начинают изучать квантово-усиленную EDA сегодня, будут хорошо подготовлены к тому, чтобы возглавить следующую волну инноваций в электронном проектировании.