Cryogenic Recharacterization of a Commercial 22 nm FD-SOI Foundry Standard-Cell Library

تعد الحواسيب الكمومية بحل مشكلات مستعصية حالياً حتى على أقوى الحواسيب الفائقة، لكنها تأتي مع تحدٍ لوجستي جسيم. إذ يجب أن تعمل هذه الآلات في درجات حرارة أبرد من أعماق الفضاء لكي تعمل، ومع ذلك، فإن الإلكترونيات التي تتحكم فيها توضع عادةً في غرف دافئة. ولتجسير هذه الفجوة، يتعين على المهندسين تمرير آلاف الأسلاك من الجزء الداخلي المتجمد للمعالج الكمومي وصولاً إلى المعدات ذات درجة حرارة الغرفة. وهذا يخلق عنق زجاجة هائلاً، مما يحد من كمية المعلومات التي يمكن إرسالها واستقبالها. والحل يكمن في نقل إلكترونيات التحكم إلى داخل البيئة الباردة نفسها، بوضع المنطق الرقمي بجوار البتات الكمومية مباشرة. ومع ذلك، فإن رقائق الكمبيوتر القياسية مصممة للعمل في درجة حرارة الغرفة، ويتغير سلوكها بشكل جذري عند تجميدها. والسؤال الذي يواجه الباحثين هو ما إذا كان يمكن جعل هذه الرقائق المنتجة بكميات كبيرة تعمل بشكل موثوق في البرد الشديد دون إعادة تصميمها بالكامل من الصفر.

لقد شرع فريق من الباحثين في الإجابة على هذا السؤال عبر أخذ مكتبة رقائق كمبيوتر قياسية ومتوفرة تجارياً واختبار كيفية سلوكها عند درجة حرارة أربعة كلفن، وهي درجة حرارة تزيد ببضع درجات فقط عن الصفر المطلق. وقد ركزوا على نوع محدد من تقنية الرقائق الحديثة المعروفة باسم "السيليكون على العازل المستنفد بالكامل" (fully depleted silicon-on-insulator)، وهي تقنية مستخدمة على نطاق واسع في الصناعة. وبدلاً من اختراع دوائر جديدة، أبقوا التصميمات الحالية كما صممها مصنع الرقائق تماماً، بما في ذلك المخطط الفيزيائي للترانزستورات والوظائف المنطقية. وكان هدفهم هو معرف من خلاله ما إذا كان بإمكانهم ببساطة تحديث الأوصاف الرياضية لكيفية عمل هذه الرقائق في درجات الحرارة المنخفضة، مما يسمح للمهندسين باستخدام أدوات تصميم قياسية لبناء أنظمة للبيئة الباردة. ووجد الباحثون أنه بينما تتباطأ الرقائق بشكل كبير عند تجميدها، فإن تقنية تسمى "الانحياز الأمامي للجسم" (forward body bias) يمكنها استعادة سرعتها. وتتضمن هذه الطريقة تطبيق جهد كهربائي محدد على الجزء الخلفي من الترانزستورات، مما يعادل تأثيرات التجمد ويسمح للرقائق بالعمل بسرعات قابلة للاستخدام دون أي تغيير في هيكلها الفيزيائي.

كشفت الدراسة أنه بدون هذا التعديل الخاص في الجهد، تصبح الرقائق بطيئة للغاية. فعندما اختبر الباحثون المكتبة عند انحياز صفري، زاد الوقت الذي تستغرقه الإشارة للمرور عبر بوابة منطقية أساسية بمقدار ثمانية وثلاثين ضعفاً للإشارات الصاعدة وثلاثة وثلاثين ضعفاً للإشارات الهابطة. ومن الناحية العملية، فإن دائرة يمكنها تبديل حالاتها مليارات المرات في الثانية عند درجة حرارة الغرفة، ستتباطأ لتصبح بطيئة جداً، حيث تعمل بمليارات الدورات فقط في الثانية (بضعة ملايين من الدورات في الثانية). علاوة على ذلك، أصبحت الإشارات بطيئة جداً لدرجة أنها انتهكت حدود السلامة التي وضعها مصنع الرقائق، مما قد يتسبب في حدوث أخطاء في التصميمات الأكثر تعقيداً. واكتشف الباحثون أيضاً أن الرقائق تتصرف بشكل مختلف اعتماداً على النوع المحدد من البوابات، مما يعني أنه لا يمكن تطبيق قاعدة واحدة على المكتبة بأكملها للتنبؤ بالأداء. هذا التباين يعني أن مجرد التخمين لكيفية سلوك الرقائق لم يكن كافياً؛ بل كانت هناك حاجة لإعادة تقييم تفصيلية ونقطة بنقطة.

ولإصلاح مشكلة السرعة، طبق الفريق "الانحياز الأمامي للجسم"، والذي يعمل أساساً على دفع الترانزستورات للعمل بسهولة أكبر رغم البرد. وعندما طبقوا جهداً قدره زائد أو ناقص 1.8 فولت، تحسن الأداء بشكل كبير. فقد انخفضت عقوبات التأخير من عوامل تصل إلى ثلاثين إلى عوامل أقل من ثلاثة، مما أعاد الرقائق إلى نطاق يمكن فيه استخدامها للتحكم الرقمي. وعند هذا المستوى من الانحياز، يمكن للرقائق أن تعمل بسرعات تصل إلى 132.9 ميجاهرتز، وهو تحسن هائل مقارنة بـ 1.3 ميجاهرتز التي تم تحقيقها بدون الانحياز. وهذه السرعة مهمة لأنها تتجاوز حد الـ 50 ميجاهرتز لوسادات الإدخال والإخراج المستخدمة في الرقاقة المختبرة، مما يثبت أن المنطق الداخلي لم يعد هو عنق الزجاجة. وقد أكد الباحثون هذه النتائج من خلال تحليل وحدة منطق حسابي بقدر 32 بت، وهي حاسبة صغيرة ولكنها معقدة مدمجة في الرقاقة. لقد حافظوا على التصميم الفيزيائي كما هو تماماً وغيروا فقط بيانات المكتبة لتعكس الظروف الباردة، مما أظهر أن نفس الرقاقة الفيزيائية يمكن أن تغطي نطاق أداء يزيد عن رتبتين من حيث المقدار بمجرد تغيير جهد التشغيل.

وهناك تحدٍ حرج آخر تناولته الدراسة وهو الاختلاف في مستويات الجهد بين قلب الرقاقة ووصلات الإدخال والإخراج الخاصة بها. يعمل قلب الرقاقة بجهد منخفض جداً يبلغ 0.4 فولت لتوفير الطاقة وتقليل الحرارة، بينما تعمل الوصلات مع العالم الخارجي بجهد 0.8 فولت. ويتطلب نقل إشارة من القلب ذي الجهد المنخفض إلى العالم الخارجي ذي الجهد الأعلى وجود مترجم. ووجد الباحثون أنهم إذا حاولوا تخطي هذا المترجم وقيادة الجهد الأعلى مباشرة من القلب ذي الجهد المنخفض، فإن الرقاقة ستستهلك كمية هائلة من الطاقة. ففي حالة الانحياز الكامل، ستستهلك طريقة التجاوز هذه 57.7 ميكرووات من الطاقة الساكنة لكل بت واحد من البيانات، في حين أن استخدام المترجم المناسب قلل من هذا الهدر إلى أقل من جزء من مليار من الواط. وتبرز هذه النتيجة أنه بينما يمكن جعل الرقائق سريعة بما يكفي للتحكم، إلا أن الواجهات بين أجزاء النظام المختلفة يجب إدارتها بعناية لتجنب استنزاف ميزانية التبريد المحدودة للبيئة المبردة.

كما بحثت الدراسة في كفاءة الطاقة لهذه الرقائق الباردة مقارنة بنظيراتها في درجة حرارة الغرفة. وبينما تعمل الرقائق بشكل أبطأ في درجات الحرارة المنخفضة بدون انحياز، فإنها تصبح فعالة بشكل مثير للإعجاب عند تطبيق الانحياز الأمامي للجسم. وقد حسب الباحثون أن الطاقة المطلوبة لأداء مهمة مع الحفاظ على سرعة معينة تحسنت بالفعل في درجات الحرارة المنخفضة عند استخدام الانحياز. وهذا يشير إلى أن وضع إلكترونيات التحكم داخل المبرد (cryostat) ليس ممكناً فحسب، بل قد يكون أكثر كفاءة من تشغيلها في درجة حرارة الغرفة، بشرط استخدام إعدادات الجهد الصحيحة. ويظهر هذا العمل أن تصميمات الرقائق الموجودة في الصناعة قوية بما يكفي للتعامل مع البرد الشديد، شريطة أن يستخدم المهندسون أدوات النمذجة واستراتيجيات الجهد الصحيحة.

في نهاية المط المطاف، يوفر هذا البحث مساراً واضحاً للمضي قدماً في بناء حواسيب كمومية قابلة للتوسع. فمن خلال إظهار أن مكتبات الرقائق التجارية يمكن إعادة توصيفها للاستخدام المبرد دون إعادة تصميم الترانزستورات، أزال الفريق عائقاً رئيسياً أمام الدخول. ويمكن للمهندسين الآن استخدام نفس برامج التصميم والخلايا القياسية التي يستخدمونها للحواسيب في درجة حرارة الغرفة لبناء أنظمة تعمل بالقرب من الصفر المطلق. والمفتاح هو تطبيق القدر المناسب من الانحياز الأمامي للجسم لاستعادة السرعة المفقودة، واستخدام مترجمات الجهد لإدارة الواجهة بين القلب البارد والعالم الخافي الأكثر دفئاً. وبينما لا تزال القياسات الفعلية للسيليكون في درجات الحرارة هذه عملاً مستقبلياً، فإن عمليات المحاكاة والتحليل المقدمة هنا تقدم درجة عالية من الثقة بأن هذا النهج سينجح. وهذا يعني أن مشكلات الأسلاك المعقدة وعنق زجاجة عرض النطاق الترددي التي تحد حالياً من الحوسبة الكمومية يمكن حلها عن طريق وضع منطق التحكم في المكان المطلوب تماماً، داخل البيئة الباردة، باستخدام نفس الرقائق التي تشغل أجهزتنا اليومية.