Il consorzio sviluppa modelli di transistor criogenici 4K e 77K...

Il consorzio CryoCMOS Innovate, finanziato dal Regno Unito e guidato da sureCore Ltd, riferisce di aver creato con successo nuovi modelli di transistor di qualità PDK caratterizzati per il funzionamento criogenico sia a 4K che a 77K. SureCore li sta utilizzando per sviluppare proprietà intellettuale di base chiave per consentire la progettazione di ASIC per il criocontrollo da utilizzare nello spazio dell'informatica quantistica. Fondamentali per supportare questa attività sono state le accurate misurazioni criogeniche effettuate da Incize di Louvain-la-Neuve, Belgio.

La sfida posta dal Quantum Computing (QC) che questo progetto cerca di affrontare è il controllo efficace dei qubit che funzioneranno solo a temperature criogeniche, tipicamente intorno a 4K, nei confini di un criostato. L’elettronica di controllo necessaria per manipolare i qubit si trova spesso all’esterno del criostato e attualmente può funzionare solo a temperatura ambiente. Questo perché i chip di silicio sono specificati per funzionare solo da -40°C a 125°C (da 233K a 398K). Il collegamento dei due richiede un cablaggio costoso e ingombrante e la quantità di cablaggio richiesta per tutti i qubit rappresenta una barriera fondamentale al ridimensionamento del controllo qualità, a parte l’impatto intrinseco della latenza.

Se si vuole che il QC raggiunga il suo potenziale, aumentare il numero di qubit è fondamentale. L’unica soluzione è collocare l’elettronica di controllo con i qubit nel criostato. Tuttavia, dato il limitato intervallo di temperature degli attuali chip di silicio, questa non è attualmente un'opzione. Lo scopo di questo progetto è comprendere e modellare i cambiamenti nel comportamento dei transistor a temperature criogeniche, produrre una suite di modelli di transistor ricaratterizzati e quindi utilizzarli per progettare un portafoglio di IP CryoCMOS per facilitare lo sviluppo di chip personalizzati che possano interfacciarsi direttamente ai qubit all'interno del criostato a temperature criogeniche.

Uno dei parametri chiave dei transistor influenzati dal calo delle temperature è la tensione di soglia (Vt). Quando la temperatura si abbassa, il Vt aumenta sostanzialmente, spingendo la selezione dei transistor verso varianti Vt basse e super basse (LVt/SLVt). Per facilitare ulteriormente questa sfida progettuale, per questo progetto è stato selezionato il nodo di processo GLOBALFOUNDRIES 22nm FDSOI (22FDX). FDSOI è una scelta tecnologica ideale che consente una progettazione criogenica ottimale consentendo di apportare regolazioni alla tensione di soglia alterando la polarizzazione posteriore.

La chiave per arrivare a modelli accurati di transistor criogenici è stata la selezione di un partner in grado di effettuare misurazioni dei singoli transistor. Paul Wells, amministratore delegato di sureCore, ha dichiarato: "Abbiamo scelto Incize poiché è una delle poche società commerciali specializzata in misurazioni precise di transistor criogenici nelle difficili condizioni di un criostato. Non è possibile semplicemente riorganizzare le sonde sul chip a piacimento in un criostato 4K."

Mostafa Emam, CEO di Incize, ha commentato: "Abbiamo lavorato con sureCore e SemiWise su questo progetto per fornire i nostri servizi di caratterizzazione per temperature criogeniche. Incize offre un'ampia gamma di servizi di abilitazione tecnologica, tra cui caratterizzazione e modellazione per un'ampia gamma di applicazioni e ottimizzazione del processo di fabbricazione verso dispositivi a semiconduttore ad alte prestazioni."

I dati di misurazione sono stati utilizzati da SemiWise per sviluppare nuovi modelli di transistor, inclusi sia transistor tipici-tipici (TT) che angoli (Slow-Slow, SS e Fast-Fast, FF) che consentiranno una progettazione di circuiti affidabile per l'uso a 4K e 77K . Il professor Asen Asenov, CEO di SemiWise, ha spiegato: "Il CMOS standard è caratterizzato dai consueti parametri prestazionali compresi tra -40°C e +125°C. Pertanto, portare il CMOS standard fino a 4K o -270°C è un passo importante verso un nuovo territorio. dove le caratteristiche operative dei transistor cambiano notevolmente."

Una combinazione di dati di misurazione e simulazione viene utilizzata da SemiWise per ricentrare i modelli SPICE dei transistor di fonderia per temperature criogeniche in modo che il nodo 22FDX possa essere utilizzato per una progettazione affidabile di circuiti criogenici. La tecnologia brevettata di ricentraggio SemiWise consente lo sviluppo di modelli di transistor tipici e angolari, nonché modelli di disadattamento statistico, tutti fondamentali per il processo di progettazione SRAM. Sulla base di questi modelli di transistor criogenici ricentrati, sureCore sta sfruttando la propria esperienza nella progettazione a basso consumo per sviluppare una suite di IP di base ottimizzati dal punto di vista energetico, tra cui celle standard, SRAM, ROM e file di registro. Il basso consumo energetico è un criterio di progettazione fondamentale per lo spazio di controllo qualità poiché il consumo energetico si traduce in effetti di riscaldamento indesiderati che impongono ulteriori oneri di raffreddamento al criostato.