컨소시엄, 극저온 4K 및 77K 트랜지스터 모델 개발

SureCore Ltd가 이끄는 Innovate UK의 자금 지원 CryoCMOS 컨소시엄은 4K 및 77K 극저온 작동을 모두 특징으로 하는 새로운 PDK 품질 트랜지스터 모델을 성공적으로 개발했다고 보고합니다. SureCore는 이를 사용하여 양자 컴퓨팅 공간에서 사용할 극저온 제어 ASIC 설계를 가능하게 하는 핵심 기반 IP를 개발하고 있습니다. 이 활동을 뒷받침하는 핵심은 벨기에 Louvain-la-Neuve의 Incize에서 수행한 정확한 극저온 측정이었습니다.

이 프로젝트에서 해결하려는 양자 컴퓨팅(QC)이 제기하는 과제는 저온 유지 장치의 범위 내 극저온(일반적으로 약 4K)에서만 작동하는 큐비트를 효과적으로 제어하는 ​​것입니다. 큐비트를 조작하는 데 필요한 제어 전자 장치는 저온 유지 장치 외부에 있는 경우가 많으며 현재는 실온 근처에서만 작동할 수 있습니다. 이는 실리콘 칩이 -40°C ~ 125°C(233K ~ 398K)에서만 작동하도록 지정되어 있기 때문입니다. 두 가지를 연결하려면 값비싸고 부피가 큰 케이블이 필요하며, 모든 큐비트에 필요한 케이블의 양은 고유한 대기 시간 영향을 제외하고 QC 확장에 근본적인 장벽을 제시합니다.

QC가 잠재력을 달성하려면 큐비트 수를 늘리는 것이 중요합니다. 유일한 해결책은 제어 전자 장치를 저온 유지 장치의 큐비트와 같은 위치에 배치하는 것입니다. 그러나 현재 실리콘 칩의 제한된 온도 범위를 고려할 때 이는 현재 옵션이 아닙니다. 이 프로젝트의 목적은 극저온에서 트랜지스터 동작의 변화를 이해하고 모델링하고, 특성이 변경된 일련의 트랜지스터 모델을 생성한 다음 이를 사용하여 CryoCMOS IP 포트폴리오를 설계하여 큐비트에 직접 인터페이스할 수 있는 맞춤형 칩 개발을 촉진하는 것입니다. 극저온의 저온 유지 장치 내부.

급락하는 온도에 의해 영향을 받는 주요 트랜지스터 매개변수 중 하나는 임계 전압(Vt)입니다. 온도가 낮아지면 Vt가 크게 증가하여 트랜지스터 선택이 낮고 초낮은 Vt 변형(LVt/SLVt)으로 밀려납니다. 이 설계 문제를 더욱 완화하기 위해 GLOBALFOUNDRIES 22nm FDSOI(22FDX) 프로세스 노드가 이 프로젝트에 선택되었습니다. FDSOI는 역바이어스를 변경하여 임계 전압을 조정할 수 있도록 함으로써 최적의 극저온 설계를 가능하게 하는 이상적인 기술 선택입니다.

정확한 극저온 트랜지스터 모델을 얻는 핵심은 개별 트랜지스터 측정을 수행할 수 있는 파트너를 선택하는 것이었습니다. SureCore의 CEO인 Paul Wells는 "우리는 극저온 유지 장치의 까다로운 조건에서 정밀한 극저온 트랜지스터 측정을 전문으로 하는 몇 안 되는 상업 회사 중 하나인 Incize를 선택했습니다. 칩의 프로브를 마음대로 재배열할 수는 없습니다. 4K 저온 유지 장치."

Incize의 CEO인 Mostafa Emam은 다음과 같이 말했습니다. "우리는 극저온에 대한 특성화 서비스를 제공하기 위해 이 프로젝트에서 SureCore 및 SemiWise와 협력했습니다. Incize는 광범위한 응용 분야 및 제조 공정 최적화를 위한 특성화 및 모델링을 포함한 광범위한 기술 활성화 서비스를 제공합니다. 고성능 반도체 소자를 향해 나아가고 있습니다."

측정 데이터는 SemiWise에서 TT(Typical-Typical) 트랜지스터와 코너(Slow-Slow, SS 및 Fast-Fast, FF)를 모두 포함하는 새로운 트랜지스터 모델을 개발하는 데 사용되어 4K 및 77K에서 사용할 수 있는 안정적인 회로 설계를 가능하게 합니다. . SemiWise의 CEO인 Asen Asenov 교수는 "표준 CMOS는 -40°C ~ +125°C의 일반적인 성능 매개변수를 특징으로 합니다. 따라서 표준 CMOS를 4K 또는 -270°C로 낮추는 것은 새로운 영역으로 나아가는 중요한 단계입니다. 트랜지스터의 작동 특성이 현저하게 변하는 곳입니다."

측정 및 시뮬레이션 데이터의 조합은 22FDX 노드가 안정적인 극저온 회로 설계에 사용될 수 있도록 극저온에 대한 파운드리 트랜지스터 SPICE 모델의 중심을 다시 지정하는 데 사용됩니다. 특허 받은 SemiWise 재중심화 기술을 사용하면 SRAM 설계 프로세스에 중요한 통계적 불일치 모델뿐만 아니라 일반 및 코너 트랜지스터 모델을 개발할 수 있습니다. 이러한 중앙 집중형 극저온 트랜지스터 모델을 기반으로 SureCore는 저전력 설계 전문 지식을 활용하여 표준 셀, SRAM, ROM 및 레지스터 파일을 포함한 전력 최적화 기반 IP 제품군을 개발하고 있습니다. 전력 소비는 저온 유지 장치에 추가 냉각 부담을 가하는 원치 않는 가열 효과로 해석되므로 저전력은 QC 공간의 중요한 설계 기준입니다.