Консорциум разрабатывает модели криогенных транзисторов 4К и 77К...

Консорциум CryoCMOS, финансируемый Innovate UK и возглавляемый SureCore Ltd, сообщает, что им удалось успешно создать новые модели транзисторов PDK-качества, рассчитанные на работу в криогенных условиях как 4K, так и 77K. SureCore использует их для разработки ключевых IP-функций, позволяющих проектировать ASIC криоуправления для использования в пространстве квантовых вычислений. Ключом к поддержке этой деятельности были точные криогенные измерения, проведенные Инцизом из Лувен-ла-Нев, Бельгия.

Задача, поставленная квантовыми вычислениями (QC), которую пытается решить этот проект, заключается в эффективном управлении кубитами, которые будут работать только при криогенных температурах, обычно около 4K, в пределах криостата. Управляющая электроника, необходимая для управления кубитами, часто располагается вне криостата и в настоящее время может работать только при температуре, близкой к комнатной. Это связано с тем, что кремниевые чипы рассчитаны только на работу при температуре от -40°C до 125°C (от 233K до 398K). Для их соединения требуются дорогие и громоздкие кабели, а количество кабелей, необходимых для всех кубитов, представляет собой фундаментальный барьер для масштабирования контроля качества, не говоря уже о присущей им задержке.

Если QC хочет реализовать свой потенциал, то ключевым моментом является увеличение количества кубитов. Единственное решение — разместить управляющую электронику рядом с кубитами в криостате. Однако, учитывая ограниченный температурный диапазон современных кремниевых чипов, в настоящее время это не вариант. Цель этого проекта — понять и смоделировать изменения в поведении транзисторов при криогенных температурах, создать набор обновленных моделей транзисторов, а затем использовать их для разработки портфеля CryoCMOS IP, чтобы облегчить разработку специальных чипов, которые могут напрямую взаимодействовать с кубитами. внутри криостата при криогенных температурах.

Одним из ключевых параметров транзистора, на который влияет снижение температуры, является пороговое напряжение (Vt). При понижении температуры Vt существенно увеличивается, что заставляет выбирать транзисторы в сторону вариантов с низким и сверхнизким Vt (LVt/SLVt). Чтобы еще больше облегчить эту задачу проектирования, для этого проекта был выбран 22-нм технологический узел GLOBALFOUNDRIES FDSOI (22FDX). FDSOI — это идеальный выбор технологии, который обеспечивает оптимальную криогенную конструкцию, позволяя регулировать пороговое напряжение путем изменения обратного смещения.

Ключом к получению точных моделей криогенных транзисторов стал выбор партнера, который мог бы проводить индивидуальные измерения транзисторов. Пол Уэллс, генеральный директор SureCore, сказал: «Мы выбрали Incize, поскольку это одна из немногих коммерческих компаний, которая специализируется на точных измерениях криогенных транзисторов в сложных условиях криостата. Криостат 4К».

Мостафа Эмам, генеральный директор Incize, прокомментировал: «Мы работали с SureCore и SemiWise над этим проектом, чтобы предоставить наши услуги по определению характеристик для криогенных температур. Incize предлагает широкий спектр технологических услуг, включая определение характеристик и моделирование для широкого спектра приложений и оптимизацию производственного процесса. к высокопроизводительным полупроводниковым устройствам».

Данные измерений были использованы компанией SemiWise для разработки новых моделей транзисторов, включая транзисторы типового типа (TT), а также угловые транзисторы (Slow-Slow, SS и Fast-Fast, FF), которые позволят создавать надежные схемы для использования в разрешениях 4K и 77K. . Профессор Асен Асенов, генеральный директор SemiWise, пояснил: «Стандартная CMOS характеризуется обычными рабочими параметрами от -40°C до +125°C. Таким образом, снижение стандартной CMOS до 4K или -270°C является важным шагом на новую территорию. где рабочие характеристики транзисторов заметно изменяются».

Компания SemiWise использует комбинацию данных измерений и моделирования для перецентрирования моделей SPICE литейных транзисторов для криогенных температур, чтобы узел 22FDX можно было использовать для надежного проектирования криогенных схем. Запатентованная технология повторного центрирования SemiWise позволяет разрабатывать типовые и угловые модели транзисторов, а также модели статистического несоответствия, что крайне важно для процесса проектирования SRAM. Основываясь на этих перецентрированных моделях криогенных транзисторов, SureCore использует свой опыт проектирования маломощных устройств для разработки набора оптимизированных по энергопотреблению базовых IP, включая стандартные ячейки, SRAM, ROM и файлы регистров. Низкая мощность является важнейшим критерием проектирования помещения для контроля качества, поскольку энергопотребление приводит к нежелательному эффекту нагрева, что создает дополнительную нагрузку на охлаждение криостата.