Consórcio desenvolve modelos criogênicos de transistores 4K e 77K...

O Consórcio CryoCMOS financiado pela Innovate UK, liderado pela sureCore Ltd, relata que criou com sucesso novos modelos de transistores com qualidade PDK caracterizados para operações criogênicas de 4K e 77K. A SureCore está usando isso para desenvolver um IP de base fundamental para permitir o design de ASICs de controle criogênico para uso no espaço de computação quântica. A chave para apoiar esta atividade foram as medições criogênicas precisas realizadas pela Incize de Louvain-la-Neuve, Bélgica.

O desafio colocado pela Computação Quântica (QC) que este projeto procura abordar é o controle efetivo dos qubits que irão operar apenas em temperaturas criogênicas, tipicamente em torno de 4K, nos limites de um criostato. A eletrônica de controle necessária para manipular os qubits geralmente está localizada fora do criostato e atualmente só pode funcionar perto da temperatura ambiente. Isso ocorre porque os chips de silício são especificados apenas para operar de -40°C a 125°C (233K a 398K). Conectar os dois requer cabeamento caro e volumoso, e a quantidade de cabeamento necessária para todos os qubits apresenta uma barreira fundamental para o dimensionamento do QC, além do impacto de latência inerente.

Se o QC deseja atingir seu potencial, aumentar o número de qubits é fundamental. A única solução é co-localizar a eletrônica de controle com os qubits no criostato. No entanto, dada a faixa de temperatura restrita dos chips de silício atuais, isso não é uma opção. O objetivo deste projeto é entender e modelar mudanças no comportamento do transistor em temperaturas criogênicas, produzir um conjunto de modelos de transistores recaracterizados e, em seguida, usá-los para projetar um portfólio de IP CryoCMOS para facilitar o desenvolvimento de chips personalizados que podem interagir diretamente com os qubits dentro do criostato em temperaturas criogênicas.

Um dos principais parâmetros do transistor afetados pela queda de temperatura é a tensão limite (Vt). À medida que a temperatura diminui, o Vt aumenta substancialmente, empurrando a seleção do transistor para variantes de Vt baixo e superbaixo (LVt/SLVt). Para facilitar ainda mais esse desafio de design, o nó de processo GLOBALFOUNDRIES 22nm FDSOI (22FDX) foi selecionado para este projeto. O FDSOI é uma escolha de tecnologia ideal que permite um design criogênico ideal, permitindo que ajustes na voltagem limite sejam feitos alterando o back bias.

A chave para obter modelos precisos de transistores criogênicos foi a seleção de um parceiro que pudesse fazer medições de transistores individuais. Paul Wells, CEO da sureCore, disse: "Escolhemos a Incize porque é uma das poucas empresas comerciais especializada em medições precisas de transistores criogênicos nas condições desafiadoras de um criostato. Você não pode simplesmente reorganizar as sondas no chip à vontade em um criostato 4K."

Mostafa Emam, CEO da Incize, comentou: "Trabalhamos com a sureCore e a SemiWise neste projeto para fornecer nossos serviços de caracterização para temperaturas criogênicas. A Incize oferece uma ampla gama de serviços de habilitação de tecnologia, incluindo caracterização e modelagem para uma ampla gama de aplicações e otimização do processo de fabricação para dispositivos semicondutores de alto desempenho."

Os dados de medição foram usados ​​pela SemiWise para desenvolver novos modelos de transistores, incluindo transistores Típico-Típico (TT), bem como cantos (Lento-Lento, SS e Rápido-Rápido, FF) que permitirão um design de circuito confiável para uso em 4K e 77K . O professor Asen Asenov, CEO da SemiWise, explicou: "O CMOS padrão é caracterizado nos parâmetros de desempenho usuais de -40°C a +125°C. Portanto, reduzir o CMOS padrão para 4K ou -270°C é um grande passo para um novo território onde as características operacionais dos transistores mudam acentuadamente."

Uma combinação de dados de medição e simulação está sendo usada pela SemiWise para recentralizar os modelos SPICE do transistor de fundição para temperaturas criogênicas, de modo que o nó 22FDX possa ser usado para um projeto de circuito criogênico confiável. A tecnologia patenteada de recentralização SemiWise permite o desenvolvimento de modelos típicos e de transistores de canto, bem como modelos estatísticos de incompatibilidade, todos críticos para o processo de projeto SRAM. Com base nesses modelos de transistores criogênicos recentralizados, a sureCore está explorando sua experiência em design de baixa potência para desenvolver um conjunto de IP básico otimizado para energia, incluindo células padrão, SRAM, ROM e arquivos de registro. A baixa potência é um critério crítico de projeto para o espaço de CQ, pois o consumo de energia se traduz em efeitos indesejados de aquecimento que colocam cargas adicionais de resfriamento no criostato.