Konsortium entwickelt kryogene 4K- und 77K-Transistormodelle ...

Das von Innovate UK finanzierte CryoCMOS Consortium unter der Leitung vonsureCore Ltd berichtet, dass es erfolgreich neue Transistormodelle in PDK-Qualität entwickelt hat, die sowohl für den kryogenen Betrieb bei 4K als auch bei 77K geeignet sind. SureCore nutzt diese, um wichtiges Grundlagen-IP zu entwickeln, um den Entwurf von Kryo-Steuerungs-ASICs für den Einsatz im Quantencomputerbereich zu ermöglichen. Der Schlüssel zur Unterstützung dieser Aktivität waren die genauen kryogenen Messungen, die von Incize aus Louvain-la-Neuve, Belgien, durchgeführt wurden.

Die Herausforderung des Quantencomputings (QC), die dieses Projekt angehen möchte, ist die effektive Steuerung der Qubits, die nur bei kryogenen Temperaturen, typischerweise um 4 K, in den Grenzen eines Kryostaten funktionieren. Die zur Manipulation der Qubits benötigte Steuerelektronik befindet sich häufig außerhalb des Kryostats und kann derzeit nur nahe Raumtemperatur funktionieren. Dies liegt daran, dass Siliziumchips nur für den Betrieb bei -40 °C bis 125 °C (233 K bis 398 K) spezifiziert sind. Die Verbindung der beiden erfordert teure und sperrige Verkabelung, und der für alle Qubits erforderliche Kabelaufwand stellt neben den inhärenten Auswirkungen auf die Latenz ein grundlegendes Hindernis für die QC-Skalierung dar.

Wenn die Qualitätskontrolle ihr Potenzial entfalten soll, ist die Erhöhung der Anzahl der Qubits von entscheidender Bedeutung. Die einzige Lösung besteht darin, die Steuerelektronik gemeinsam mit den Qubits im Kryostaten unterzubringen. Aufgrund des begrenzten Temperaturbereichs aktueller Siliziumchips ist dies jedoch derzeit keine Option. Ziel dieses Projekts ist es, Veränderungen im Transistorverhalten bei kryogenen Temperaturen zu verstehen und zu modellieren, eine Reihe neu charakterisierter Transistormodelle zu erstellen und diese dann zum Entwurf eines Portfolios von CryoCMOS-IP zu verwenden, um die Entwicklung kundenspezifischer Chips zu erleichtern, die direkt mit den Qubits verbunden werden können im Kryostaten bei kryogenen Temperaturen.

Einer der wichtigsten Transistorparameter, der von sinkenden Temperaturen beeinflusst wird, ist die Schwellenspannung (Vt). Wenn die Temperatur sinkt, steigt die Vt erheblich an, was die Transistorauswahl in Richtung niedriger und sehr niedriger Vt-Varianten (LVt/SLVt) drängt. Um diese Designherausforderung noch weiter zu vereinfachen, wurde für dieses Projekt der GLOBALFOUNDRIES 22nm FDSOI (22FDX) Prozessknoten ausgewählt. FDSOI ist eine ideale Technologiewahl, die ein optimales kryogenes Design ermöglicht, indem sie Anpassungen der Schwellenspannung durch Änderung der Rückwärtsvorspannung ermöglicht.

Der Schlüssel zur Erstellung präziser kryogener Transistormodelle war die Auswahl eines Partners, der individuelle Transistormessungen durchführen konnte. Paul Wells, CEO vonsureCore, sagte: „Wir haben uns für Incize entschieden, da es eines der wenigen kommerziellen Unternehmen ist, das sich auf präzise kryogene Transistormessungen unter den anspruchsvollen Bedingungen eines Kryostats spezialisiert hat. Man kann die Sonden auf dem Chip nicht einfach nach Belieben neu anordnen.“ 4K-Kryostat.“

Mostafa Emam, CEO von Incize, kommentierte: „Wir haben bei diesem Projekt mitsureCore und SemiWise zusammengearbeitet, um unsere Charakterisierungsdienste für kryogene Temperaturen bereitzustellen. Incize bietet eine breite Palette von Technologieunterstützungsdiensten an, einschließlich Charakterisierung und Modellierung für eine breite Palette von Anwendungen und Herstellungsprozessoptimierung.“ hin zu Hochleistungs-Halbleiterbauelementen.“

Die Messdaten wurden von SemiWise verwendet, um neue Transistormodelle zu entwickeln, die sowohl TT-Transistoren (Typical-Typical) als auch Ecktransistoren (Slow-Slow, SS und Fast-Fast, FF) umfassen, die ein zuverlässiges Schaltungsdesign für den Einsatz bei 4K und 77K ermöglichen . Professor Asen Asenov, CEO von SemiWise, erklärte: „Standard-CMOS zeichnet sich durch die üblichen Leistungsparameter von -40 °C bis +125 °C aus. Daher ist die Reduzierung des Standard-CMOS auf 4K oder -270 °C ein großer Schritt in Neuland.“ wo sich die Betriebseigenschaften der Transistoren deutlich ändern.

Eine Kombination aus Mess- und Simulationsdaten wird von SemiWise verwendet, um die SPICE-Modelle der Foundry-Transistoren für kryogene Temperaturen neu zu zentrieren, sodass der 22FDX-Knoten für ein zuverlässiges kryogenes Schaltkreisdesign verwendet werden kann. Die patentierte SemiWise-Neuzentrierungstechnologie ermöglicht die Entwicklung typischer und Ecktransistormodelle sowie statistischer Fehlanpassungsmodelle, die alle für den SRAM-Designprozess von entscheidender Bedeutung sind. Basierend auf diesen neu zentrierten kryogenen Transistormodellen nutzt SureCore sein Know-how im Bereich Low-Power-Design, um eine Reihe leistungsoptimierter Basis-IP zu entwickeln, einschließlich Standardzellen, SRAM, ROM und Registerdateien. Ein geringer Stromverbrauch ist ein entscheidendes Designkriterium für den QC-Raum, da der Stromverbrauch zu unerwünschten Erwärmungseffekten führt, die den Kryostaten zusätzlich mit der Kühlung belasten.

Innovate UK gewährte dem CryoCMOS-Konsortium einen Zuschuss von 6,5 Millionen Pfund. Dieses Projekt wird dazu beitragen, Kryo-IP allen britischen QC-Unternehmen zur Verfügung zu stellen, damit sie im Rennen um die Bereitstellung von QC-Lösungen schneller vorankommen und Großbritannien als Kompetenzzentrum für QC wahrgenommen wird. Durch die Bildung eines Teams wichtiger britischer Führungskräfte im Bereich QC geht das Projekt davon aus, in weniger als drei Jahren Ergebnisse erzielen zu können, anstatt viele Jahre, die die Einzelarbeit erfordern würde.

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