Consortium desarrolla modelos de transistores criogénicos 4K y 77K...

El consorcio CryoCMOS financiado por Innovate UK, dirigido por sureCore Ltd, informa que ha creado con éxito nuevos modelos de transistores de calidad PDK caracterizados por operaciones criogénicas de 4K y 77K. SureCore los está utilizando para desarrollar IP de base clave para permitir el diseño de ASIC de control criogénico para su uso en el espacio de la computación cuántica. La clave para respaldar esta actividad fueron las mediciones criogénicas precisas realizadas por Incize de Louvain-la-Neuve, Bélgica.

El desafío planteado por Quantum Computing (QC) que este proyecto busca abordar es el control efectivo de los qubits que solo operarán a temperaturas criogénicas, típicamente alrededor de 4K, en los confines de un criostato. La electrónica de control necesaria para manipular los qubits a menudo se encuentra fuera del criostato y actualmente solo puede funcionar cerca de la temperatura ambiente. Esto se debe a que los chips de silicio solo se especifican para operar de -40 °C a 125 °C (233 K a 398 K). Conectar los dos requiere un cableado costoso y voluminoso, y la cantidad de cableado requerido para todos los qubits presenta una barrera fundamental para el escalado de QC además del impacto inherente de la latencia.

Si se quiere que el control de calidad alcance su potencial, entonces es clave aumentar el número de qubits. La única solución es ubicar la electrónica de control junto con los qubits en el criostato. Sin embargo, dado el rango de temperatura restringido de los chips de silicio actuales, esta no es una opción. El objetivo de este proyecto es comprender y modelar los cambios en el comportamiento de los transistores a temperaturas criogénicas, producir un conjunto de modelos de transistores recaracterizados y luego utilizarlos para diseñar una cartera de CryoCMOS IP para facilitar el desarrollo de chips personalizados que puedan interactuar directamente con los qubits. dentro del criostato a temperaturas criogénicas.

Uno de los parámetros clave del transistor que se ven afectados por la caída de las temperaturas es el voltaje de umbral (Vt). A medida que se reduce la temperatura, el Vt aumenta sustancialmente, empujando la selección del transistor hacia variantes de Vt bajo y súper bajo (LVt/SLVt). Para facilitar aún más este desafío de diseño, se seleccionó el nodo de proceso GLOBALFOUNDRIES 22nm FDSOI (22FDX) para este proyecto. FDSOI es una opción de tecnología ideal que permite un diseño criogénico óptimo al permitir que se realicen ajustes en el voltaje de umbral alterando la polarización inversa.

La clave para obtener modelos precisos de transistores criogénicos fue la selección de un socio que pudiera realizar mediciones de transistores individuales. Paul Wells, director ejecutivo de sureCore, dijo: "Elegimos a Incize porque es una de las pocas empresas comerciales que se especializa en mediciones precisas de transistores criogénicos en las difíciles condiciones de un criostato. No se pueden reorganizar las sondas en el chip a voluntad en un criostato 4K".

Mostafa Emam, director ejecutivo de Incize, comentó: "Trabajamos con sureCore y SemiWise en este proyecto para brindar nuestros servicios de caracterización de temperaturas criogénicas. Incize ofrece una amplia gama de servicios de habilitación de tecnología que incluyen caracterización y modelado para una amplia gama de aplicaciones y optimización de procesos de fabricación. hacia dispositivos semiconductores de alto rendimiento".

SemiWise utilizó los datos de medición para desarrollar nuevos modelos de transistores, incluidos los transistores Típico-Típico (TT) y las esquinas (Lento-Lento, SS y Rápido-Rápido, FF) que permitirán un diseño de circuito confiable para usar en 4K y 77K . El profesor Asen Asenov, director ejecutivo de SemiWise, explicó: "El CMOS estándar se caracteriza por los parámetros de rendimiento habituales de -40 °C a +125 °C. Por lo tanto, reducir el CMOS estándar a 4K o -270 °C es un gran paso hacia un nuevo territorio. donde las características de funcionamiento de los transistores cambian notablemente".

SemiWise está utilizando una combinación de datos de medición y simulación para volver a centrar los modelos SPICE de transistores de fundición para temperaturas criogénicas, de modo que el nodo 22FDX pueda usarse para un diseño de circuito criogénico confiable. La tecnología de centrado SemiWise patentada permite el desarrollo de modelos de transistores típicos y de esquina, así como modelos de desajuste estadístico, todos críticos para el proceso de diseño de SRAM. Sobre la base de estos modelos de transistores criogénicos vueltos a centrar, sureCore está aprovechando su experiencia en diseño de bajo consumo para desarrollar un conjunto de IP base con optimización de consumo de energía que incluye celdas estándar, SRAM, ROM y archivos de registro. La baja potencia es un criterio de diseño fundamental para el espacio de control de calidad, ya que el consumo de energía se traduce en efectos de calentamiento no deseados que imponen cargas de refrigeración adicionales al criostato.

Innovate UK otorgó una subvención de £6,5 millones al Consorcio CryoCMOS. Este proyecto ayudará a que la crio-IP esté disponible para todas las empresas de control de calidad del Reino Unido, de modo que aceleren la carrera para proporcionar soluciones de control de calidad y permitan que el Reino Unido sea visto como un centro de excelencia para el control de calidad. Al formar un equipo de líderes clave del Reino Unido en el campo del control de calidad, el proyecto espera poder lograr resultados en menos de tres años en lugar de los muchos años que llevaría trabajar individualmente.

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