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

Quantencomputer versprechen, Probleme zu lösen, die selbst für die leistungsfähigsten Supercomputer derzeit unmöglich sind, doch sie bringen eine enorme logistische Herausforderung mit sich. Diese Maschinen müssen bei Temperaturen arbeiten, die kälter als der tiefe Weltraum sind, um zu funktionieren, doch die Elektronik, die sie steuert, befindet sich meist in warmen Räumen. Um diese Lücke zu schließen, müssen Ingenieure tausende von Drähten aus dem gefrorenen Inneren des Quantenprozessors bis hin zur Ausrüstung bei Raumtemperatur führen. Dies schafft einen massiven Engpass, der begrenzt, wie viele Informationen gesendet und empfangen werden können. Die Lösung besteht darin, die Steuerungselektronik direkt in die kalte Umgebung zu verlagern und die digitale Logik unmittelbar neben den Quantenbits zu platzieren. Die Frage ist jedoch, dass Standard-Computerchips darauf ausgelegt sind, bei Raumtemperatur zu arbeiten, und ihr Verhalten sich drastisch ändert, wenn sie eingefroren werden. Die Herausforderung für die Forscher besteht darin, ob diese massengefertigten Chips zuverlässig in der extremen Kälte funktionieren können, ohne komplett neu entworfen werden zu müssen.

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, dies zu beantworten, indem es eine handelsübliche, kommerziell erhältliche Computerchip-Bibliothek nahm und testete, wie sie sich bei vier Kelvin verhält – einer Temperatur, die nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art moderner Chiptechnologie, bekannt als „fully depleted silicon-on-insulator“, die in der Industrie weit verbreitet ist. Anstatt neue Schaltkreise zu erfinden, behielten sie die bestehenden Designs exakt so bei, wie der Chiphersteller sie erstellt hatte, einschließlich des physischen Layouts der Transistoren und der Logikfunktionen. Ihr Ziel war es zu sehen, ob sie lediglich die mathematischen Beschreibungen darüber aktualisieren können, wie diese Chips bei niedrigen Temperaturen funktionieren, damit Ingenieure Standard-Designwerkzeuge verwenden können, um Systeme für die Kälte zu bauen. Die Forscher fanden heraus, dass die Chips zwar beim Einfrieren signifikant langsamer werden, eine Technik namens „Forward Body Bias“ jedoch ihre Geschwindigkeit wiederherstellen kann. Bei dieser Methode wird eine spezifische elektrische Spannung an die Rückseite der Transistoren angelegt, was die Gefroreneffekte ausgleert und es den Chips ermöglicht, bei nutzbaren Geschwindigkeiten zu laufen, ohne dass ihre physische Struktur verändert werden muss.

Die Studie ergab, dass die Chips ohne diese spezielle Spannungsanpassung unglaublich träge werden. Als die Forscher die Bibliothek bei Null-Bias testeten, erhöhte sich die Zeit, die ein Signal benötigt, um durch ein einfaches Logikgatter zu wandern, um den Faktor achtunddreißig für steigende Signale und um den Faktor dreiunddreißig für fallende Signale. In praktischen Begriffen: Ein Schaltkreis, der bei Raumtemperatur Milliarden von Mal pro Sekunde umschalten könnte, würde zu einem Schneckentempo abfallen und nur noch wenige Millionen Zyklen pro Sekunde erreichen. Darüber hinaus wurden die Signale so langsam, dass sie die Sicherheitsgrenzwerte des Chipherstellers verletzten, was potenziell Fehler in komplexeren Designs verursachen könnte. Die Forscher entdeckten auch, dass sich die Chips je nach Art des Gatters unterschiedlich verhielten, was bedeutete, dass keine einzige Regel für die gesamte Bibliothek angewendet werden konnte, um die Leistung vorherzusagen. Diese Variabilität bedeutete, dass bloßes Raten über das Verhalten der Chips nicht ausreichte; eine detaillierte, punktweise Neubewertung war notwendig.

Um das Geschwindigkeitsproblem zu beheben, wandte das Team „Forward Body Bias“ an, was die Transistoren im Wesentlichen dazu bringt, trotz der Kälte leichter einzuschalten. Als sie eine Spannung von plus oder minus 1,8 Volt anlegten, verbesserte sich die Leistung dramatisch. Die Verzögerungsstrafen sanken von Faktoren in den Dreißigerbereich auf Faktoren von weniger als drei, was die Chips wieder in einen Bereich brachte, in dem sie für die digitale Steuerung nutzbar waren. Bei diesem Bias konnten die Chips mit Geschwindigkeiten von bis zu 132,9 MHz operieren, eine massive Verbesserung gegenüber den 1,3 MHz ohne den Bias. Diese Geschwindigkeit ist signifikant, da sie das 50-MHz-Limit der Eingangs-/Ausgangs-Pads (I/O-Pads) des Testchips übersteigt, was beweist, dass die interne Logik nicht länger der Engpass ist. Die Forscher bestätigten diese Ergebnisse durch die Analyse einer gefertigten 32-Bit-Arithmetisch-Logischen Einheit (ALU), eines kleinen, aber komplexen Rechners, der in den Chip eingebaut ist. Sie hielten das physische Design exakt gleich und änderten nur die Bibliotheksdaten, um die kalten Bedingungen widerzuspiegeln, wodurch sie zeigten, dass derselbe physische Chip allein durch Änderung der Betriebsspannung einen Leistungsbereich von mehr als zwei Größenordnungen abdecken kann.

Eine weitere kritische Herausforderung, die in der Studie behandelt wurde, war der Unterschied in den Spannungspegeln zwischen dem Kern des Chips und seinen Eingangs-/Ausgangsverbindungen. Der Kern des Chips arbeitet bei sehr niedrigen 0,4 Volt, um Energie zu sparen und die Wärmeentwicklung zu reduzieren, während die Verbindungen zur Außenwelt bei 0,8 Volt arbeiten. Das Verschieben eines Signals vom Niederspannungskern zur höheren Spannung der Außenwelt erfordert einen Übersetzer. Die Forscher fanden heraus, dass, wenn sie versuchten, diesen Übersetzer zu überspringen und die höhere Spannung direkt aus dem Niederspannungskern zu speisen, der Chip eine enorme Menge an Energie verschwenden würde. Bei vollem Bias würde diese Bypass-Methode 57,7 Mikrowatt statische Leistung für jedes einzelne Bit an Daten verbrauchen, während die Verwendung des korrekten Übersetzers diesen Verschwendungswert auf weniger als eine Milliardstel Watt senkte. Dieser Befund unterstreicht, dass die Chips zwar schnell genug für die Steuerung gemacht werden können, die Schnittstellen zwischen den verschiedenen Teilen des Systems jedoch sorgfältig verwaltet werden müssen, um das begrenzte Kühlbudget der kryogenen Umgebung nicht zu erschöpfen.

Die Studie untersuchte auch die Energieeffizienz dieser kalten Chips im Vergleich zu ihren Gegenstücken bei Raumtemperatur. Während die Chips ohne Bias bei niedrigen Temperaturen langsamer laufen, werden sie überraschend effizient, wenn der Forward Body Bias angewendet wird. Die Forscher berechneten, dass die Energie, die erforderlich ist, um eine Aufgabe bei Beibehaltung einer bestimmten Geschwindigkeit auszuführen, bei den kalten Temperaturen tatsächlich besser wurde, wenn der Bias verwendet wurde. Dies deutet darauf hin, dass das Platzieren der Steuerungselektronik innerhalb des Kryostaten nicht nur machbar, sondern potenziell effizienter ist als das Betreiben bei Raumtemperatur, sofern die richtigen Spannungseinstellungen gewählt werden. Die Arbeit zeigt, dass die bestehenden Chipdesigns der Industrie robust genug sind, um mit der extremen Kälte umzugehen, vorausgesetzt, die Ingenieure verwenden die korrekten Modellierungswerkzeuge und Spannungsstrategien.

Letztendlich bietet diese Forschung einen klaren Weg nach vorn für den Bau skalierbarer Quantencomputer. Indem das Team zeigte, dass kommerzielle Chip-Bibliotheken für den kryogenen Einsatz recharakterisiert werden können, ohne die Transistoren neu entwerfen zu müssen, haben sie eine große Eintrittsbarriere beseitigt. Ingenieure können nun dieselbe Designsoftware und dieselben Standardzellen verwenden, die sie auch für Computer bei Raumtemperatur nutzen, um Systeme zu bauen, die nahe am absoluten Nullpunkt arbeiten. Der Schlüssel liegt darin, die richtige Menge an Forward Body Bias anzuwenden, um die verlorene Geschwindigkeit zurückzugewinnen, und Spannungswandler zu verwenden, um die Schnittstelle zwischen dem kalten Kern und der wärmeren Außenwelt zu verwalten. Obwohl die tatsächlichen Messungen des Siliziums bei diesen Temperaturen noch ausstehen, bieten die hier präsentierten Simulationen und Analysen ein hohes Maß an Vertrauen darauf, dass der Ansatz funktionieren wird. Dies bedeutet, dass die komplexen Verkabelungen und Bandbreitenengpässe, die derzeit das Quantencomputing einschränken, gelöst werden können, indem man die Steuerungslogik genau dort platziert, wo sie benötigt wird – in der Kälte, unter Verwendung derselben Chips, die auch unsere alltäglichen Geräte antreiben.