Революционен чип на основата на силициев карбид може да работи при температури, близки до абсолютната нула

Изследователи от Университета в Хонконг (HKU) представиха значителен напредък в областта на криогенната електроника, който може да помогне за преодоляването на ключови проблеми в квантовите изчисления и да подкрепи бъдещи мисии в далечния космос. Екип от Катедрата по електротехника и компютърни технологии на HKU и Центъра за съвременни полупроводници и интегрални схеми (CASIC) разработи програмируема невроморфна хардуерна платформа, способна да работи при температури, близки до абсолютната нула (-273,15°C).

Изследването беше ръководено от професор Юхао Чжан и докторанта Син Ян. Тяхната работа представя нов метод за генериране и контрол на отрицателно диференциално съпротивление (ODS) в промишлени MOS транзистори на базата на силициев карбид (SiC). Използвайки този подход, изследователите за първи път демонстрираха, че един транзистор може да възпроизведе енергийно ефективната активност на биологичните неврони при температури до 10 mK.

Вдъхновено от човешкия мозък оборудване за квантови изчисления

Квантовите компютри зависят от сложна управляваща електроника за управление на кубитите, които са изключително чувствителни и трябва да се поддържат при миликелвинни температури. Съществуващите силициеви системи за управление консумират значителна мощност и отделят нежелана топлина, което налага те да бъдат разположени далеч от самите кубити. Това разстояние създава големи изисквания към окабеляването, което може да попречи на производителността и да затрудни създаването на квантови компютри в голям мащаб.

„Нашата работа представлява хардуерна платформа, която може да бъде интегрирана заедно с квантови процесори. Използвайки уникалната динамика на носителите на заряд в силициевия карбид, можем да създаваме схеми, които са хиляди пъти по-енергийно ефективни от обичайната електроника, като значително намаляваме топлинното натоварване върху криогенните системи.“

заяви професор Чжан

Силициевият карбид демонстрира уникално криогенно поведение

Екипът откри, че SiC MOS транзисторите демонстрират силен „S-образен“ ефект на ОДС при охлаждане под 2K. Това поведение се дължи на ударна йонизация на електронно-донорни двойки (EDII). За разлика от други технологии, които зависят от топлината, генерирана вътре в устройството, наскоро откритият механизъм произтича директно от атомните свойства на материала. В резултат на това той остава високостабилен и може да бъде последователно възпроизведен в различни производствени партиди.

„Това е надежден и мащабируем подход .Тъй като SiC вече се използва по целия свят в електромобилите и енергийните мрежи, можем да използваме съществуващите промишлени фабрики за производството на тези криогенни чипове върху 300-милиметрови пластини.“

каза Ян

От изкуствени неврони до мисии в дълбокия космос

Изследването също така показа, че тези изкуствени неврони могат да бъдат свързани помежду си, или „мащабирани“ в по-големи мрежи. Тази възможност може да осигури разширена локална обработка на данни при криогенни температури и да подобри важни функции на квантовите изчисления, като квантова корекция на грешки и управление на квантови системи в реално време.
Потенциалните приложения излизат далеч извън рамките на квантовите изчисления. Тъй като схемите са предназначени за надеждна работа в екстремно студени условия, те могат да бъдат ценни и за изследване на далечния космос. Бъдещите системи ще могат да функционират в суровите условия, срещани на повърхността на Луната или в отдалечените региони на нашата Слънчева система.