Công Cụ Thiết Kế Điện Tử Lượng Tử Sắp Đến Với Bảng Mạch Của Bạn

Nếu như công cụ EDA của bạn có thể khám phá hàng triệu cấu hình mạch cùng một lúc, đưa ra những đột phá chỉ trong vài phút thay vì hàng tuần? Đó chính là lời hứa của thiết kế tăng cường bằng quantum. Khi tính toán lượng tử chuyển từ lời hứa lý thuyết sang công cụ thực tế, nó bắt đầu biến đổi cách chúng ta tối ưu hóa mạch.

Các công cụ EDA truyền thống giải quyết từng vòng lặp thiết kế một. Hệ thống quantum hoạt động khác biệt: chúng đánh giá các không gian giải pháp rộng lớn một cách song song, làm cho việc giải quyết các vấn đề từng được coi là quá phức tạp hoặc mất thời gian trở nên khả thi. Các kỹ sư đã sử dụng những công cụ này để tăng tốc độ tối ưu hóa analog, mô hình hóa vật liệu mới, và mô phỏng các hệ thống xa vượt qua tầm với của các phương pháp cổ điển.

Tối ưu hóa Quantum trong Thiết kế Mạch

Tối ưu hóa tăng cường bằng quantum vượt ra ngoài thiết kế từng thành phần riêng lẻ. Những công cụ này xuất sắc trong việc giải quyết các bài toán phức tạp, bao gồm cả vấn đề tổ hợp, để cải thiện hiệu suất mạch analog. Các thuật toán quantum có thể nhanh chóng xử lý hàng triệu cấu hình có thể có, vì vậy bạn có được thiết kế tốt hơn trong thời gian ít hơn.

Vào tháng 11 năm 2024, NVIDIA đã công bố sự hợp tác với Google Quantum AI tại SC24 (Hội nghị Quốc tế về Tính toán Hiệu năng Cao, Mạng lưới, Lưu trữ và Phân tích). Sự hợp tác này tận dụng nền tảng CUDA-Q để thúc đẩy thiết kế bộ xử lý lượng tử thông qua các mô phỏng quy mô lớn. Sử dụng siêu máy tính NVIDIA Eos được trang bị 1,024 GPU H100 Tensor Core, nền tảng đã tạo ra các mô phỏng cho các thiết bị lên đến 40 qubit, trong số những mô phỏng lớn nhất từng được thực hiện. Giải pháp này đã giảm thời gian tính toán từ vài tuần xuống còn vài phút—một bước tiến lớn trong việc mở rộng phần cứng lượng tử trong khi giải quyết vấn đề nhiễu.

Các nhà nghiên cứu từ Google Quantum AI và DeepMind cũng đã phát triển AlphaQubit – một bộ giải mã mạng nơ-ron được hỗ trợ bởi AI dựa trên kiến trúc Transformer – để giải quyết sự sửa lỗi lượng tử. Khi được thử nghiệm trên bộ xử lý lượng tử Sycamore của Google, AlphaQubit đã giảm lỗi bởi 6% so với các phương pháp mạng tensor và đã chứng minh khả năng thích ứng với nhiễu thực tế thông qua quá trình đào tạo hai giai đoạn (tiền đào tạo dữ liệu tổng hợp + tinh chỉnh dữ liệu thực nghiệm). Sự hợp tác này làm nổi bật vai trò ngày càng tăng của máy học trong việc thúc đẩy tính toán lượng tử chịu lỗi.

Ngoài ra, Keysight và Google Quantum AI đã tạo ra một công cụ thiết kế mới có tên là Mô Phỏng Mạch Lượng Tử (Quantum Ckt Sim) đã chứng minh giá trị của nó trong việc phát triển mạch lượng tử. Việc thêm vào công cụ mô phỏng sự lượng tử hóa dòng tần số đã cải thiện cách mô hình hóa mạch lượng tử siêu dẫn. Công cụ mới, được chi tiết trong một bài báo kỹ thuật đồng tác giả với Google AI, cung cấp một thư viện rộng lớn các thiết bị lượng tử và các tính năng điều khiển nâng cao để cải thiện độ chính xác và hiệu quả của quy trình nghiên cứu và phát triển lượng tử.

Cách Thức Hoạt Động của EDA Tăng Cường Lượng Tử

EDA tăng cường lượng tử áp dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử để xử lý các vấn đề thiết kế một cách hiệu quả hơn. Các công cụ EDA truyền thống đánh giá các lựa chọn thiết kế lần lượt, trong khi hệ thống lượng tử tận dụng sự chồng chất lượng tử để khám phá nhiều khả năng cùng một lúc.

Ba phương pháp cốt lõi cho phép EDA tăng cường lượng tử:

• Máy tính lượng tử dựa trên cổng, cung cấp mô hình lập trình linh hoạt
• Hệ thống luyện kim lượng tử, được tối ưu hóa cho việc giải quyết các vấn đề tổ hợp quy mô lớn
• Thuật toán lượng tử - cổ điển kết hợp, cân bằng sức mạnh của cả hai

Giao Diện Lượng Tử - Cổ Điển

Kỹ sư điện tử sử dụng công cụ EDA được cải thiện bằng quantum cần phải xem xét cách lấp đầy khoảng cách giữa tính toán quantum và tính toán cổ điển. Bộ xử lý quantum yêu cầu phải có hệ thống điều khiển điện tử phức tạp hoạt động ở nhiệt độ gần tuyệt đối không – thường là 10-15 millikelvin (mK) đối với hệ thống siêu dẫn. Điều này tạo ra những ràng buộc thiết kế độc đáo lan tỏa qua toàn bộ chuỗi công cụ.

Giao diện yêu cầu kiểm soát thời gian chính xác, với độ chính xác dưới nanosecond để điều khiển các trạng thái quantum. Hệ thống hiện đại sử dụng mạch CMOS cryogenic chuyên biệt hoạt động ở 4 K (kelvin) và được thiết kế để duy trì hiệu suất trong khi giảm thiểu tải nhiệt. Vì vậy, quản lý năng lượng trở nên quan trọng, vì ngay cả những biến đổi nhiệt nhỏ cũng có thể làm gián đoạn hoạt động quantum. 

Triển khai và Tích hợp

Việc triển khai công cụ EDA được cải thiện bằng quantum đòi hỏi phải phân tích kỹ lưỡng cách chúng phù hợp với các dòng thiết kế hiện có của bạn. Trong nhiều trường hợp, xử lý quantum có thể chạy trên các hệ thống phần cứng chuyên biệt hoặc dịch vụ đám mây, nhưng kỹ sư vẫn phải xử lý trước các vấn đề thiết kế bằng tài nguyên tính toán cổ điển trước khi gửi chúng đến công cụ quantum.

Một chìa khóa để triển khai thành công nằm ở việc chọn đúng vấn đề để giải quyết bằng phương pháp quantum. Một số nhiệm vụ thiết kế, như tinh chỉnh thiết kế mạch tương tự hoặc vấn đề về bố trí và định tuyến, hiện nay rất phù hợp với các phương pháp quantum. Các phương pháp truyền thống sẽ tiếp tục xử lý nhiều nhiệm vụ khác một cách hiệu quả hơn trong một thời gian nữa.

Những phát triển gần đây trong việc triển khai và tích hợp công nghệ lượng tử bao gồm:

• Dịch vụ lượng tử dựa trên đám mây cho việc thử nghiệm: Một số công ty công nghệ hàng đầu, như NVIDIA, hiện nay cung cấp quyền truy cập vào phần cứng và bộ mô phỏng lượng tử, cho phép kỹ sư thử nghiệm các thuật toán lượng tử mà không cần đầu tư vào thiết bị chuyên biệt.
   
• Thuật toán lấy cảm hứng từ lượng tử trên phần cứng cổ điển: Các nhà nghiên cứu đang phát triển các thuật toán cổ điển mô phỏng nguyên lý lượng tử, cung cấp một số lợi ích của máy tính lượng tử trên phần cứng hiện tại.

Xem xét Chi phí-Lợi ích

Việc đầu tư vào khả năng EDA được cải thiện bởi lượng tử cần được cân nhắc so với kết quả cụ thể. Nghiên cứu gần đây cho thấy các phương pháp lượng tử đã mang lại ROI hứa hẹn trong các nhiệm vụ tối ưu hóa chính, với thời gian mô phỏng giảm từ tuần xuống còn ngày và cải thiện đáng kể về hiệu suất thiết bị.

Trong khi công nghệ vẫn đang phát triển, những triển khai thành công nhất tập trung vào các thách thức thiết kế cụ thể, rõ ràng nơi lượng tử mang lại lợi thế rõ ràng. Các đội ngũ bắt đầu từ nhỏ và nhắm vào các trường hợp sử dụng đúng đắn đang thấy được lợi ích lớn nhất. 

Biên giới Mới Nổi

Khi công nghệ điện toán lượng tử phát triển, chúng ta sẽ thấy các ứng dụng ngày càng tinh vi hơn cho thiết kế điện tử. Trong nghiên cứu và phát triển bán dẫn, các mô phỏng lượng tử về vật liệu mới và vật lý thiết bị sẽ tăng tốc độ đổi mới chip. Công cụ được cải thiện bởi lượng tử trong tương lai có thể tự động tạo và tối ưu hóa các cấu trúc mạch mới, đề xuất các thiết kế mà hầu hết kỹ sư con người có thể không bao giờ nghĩ đến.

Việc tích hợp điện toán lượng tử với các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo sẽ mở ra càng nhiều khả năng tương lai. Công cụ được cải thiện bởi AI và lượng tử có khả năng trở thành đối tác thiết kế tích cực, giúp kỹ sư khám phá không gian thiết kế chưa từng có và phát triển các giải pháp vượt qua giới hạn thiết kế thông thường.

Điểm Nhập cho Kỹ Sư

Đối với các kỹ sư muốn khám phá EDA được cải thiện bởi lượng tử, một số điểm nhập thực tế đã sẵn có:

• Sử dụng dịch vụ lượng tử dựa trên đám mây để thử nghiệm với các mô hình mạch và thuật toán lượng tử, như Amazon Braket, cung cấp quyền truy cập vào phần cứng từ IonQ, Rigetti và những người khác.
• Khám phá các kỹ thuật tối ưu hóa được lấy cảm hứng từ lượng tử sử dụng các công cụ và ngôn ngữ quen thuộc qua các nền tảng như Microsoft Azure Quantum, hỗ trợ một loạt các bộ mô phỏng lai và cổ điển.
• Bắt đầu xây dựng các thiết kế phần cứng nhận thức về lượng tử với môi trường phát triển như IBM’s Qiskit Metal, tích hợp với các công cụ thiết kế EDA quen thuộc và hỗ trợ tùy chỉnh dựa trên Python.

Những ví dụ này cho thấy các công ty công nghệ lớn đang tích cực đầu tư vào nguồn lực cho kỹ sư, bao gồm hướng dẫn, máy mô phỏng và nền tảng đám mây hỗ trợ cả quy trình làm việc lấy cảm hứng từ lượng tử và quy trình lượng tử thực sự.

Kỹ năng Lượng tử cho Kỹ sư Điện tử

Nhu cầu ngày càng tăng đối với các chuyên gia có chuyên môn về tính toán lượng tử chỉ là vấn đề thời gian. Các kỹ sư có những kỹ năng sau sẽ có nền tảng vững chắc để xây dựng:

• Kỹ thuật vi sóng cho điều khiển qubit 4-8 GHz
• Nguyên tắc thiết kế ASIC ở nhiệt độ thấp
• Dòng công cụ EDA nhận thức về lượng tử
• Thiết kế kiến trúc chịu lỗi

Các tổ chức giáo dục hàng đầu đang hợp tác với các công ty công nghệ hàng đầu để phát triển các con đường kỹ sư lượng tử, xây dựng dựa trên chuyên môn điện tử truyền thống. Những chương trình này kết hợp vật lý thiết bị lượng tử với thiết kế mạch thực tế, cầu nối giữa lĩnh vực cổ điển và lượng tử.

Công cụ Thế hệ Mới cho Kỹ sư Thế hệ Mới

Việc tích hợp máy tính lượng tử vào tự động hóa thiết kế điện tử sẽ thay đổi cách mạnh mẽ cách mà kỹ sư tiếp cận với thiết kế mạch. Mặc dù công nghệ này vẫn đang trong quá trình phát triển, khả năng tăng tốc và mở rộng quy trình thiết kế của nó đã rõ ràng. Các kỹ sư bắt đầu khám phá EDA được tăng cường bởi lượng tử ngày nay sẽ được đặt vào vị trí tốt để dẫn đầu làn sóng đổi mới thiết kế điện tử tiếp theo.