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

양자 컴퓨터는 현재 가장 강력한 슈퍼컴퓨터로도 불가능한 문제들을 해결할 것을 약속하지만, 심각한 물류적 과제를 안고 있습니다. 이 기계들은 작동하기 위해 심우주보다 더 차가운 온도로 운영되어야 하지만, 이들을 제어하는 전자 장치들은 보통 따뜻한 방에 위치합니다. 이 간극을 메우기 위해 엔지니어들은 극저온의 양자 프로세서 내부에서부터 상온 장비까지 수천 개의 전선을 연결해야 합니다. 이는 정보의 송수신량을 제한하는 거대한 병목 현상을 생성합니다. 해결책은 제어용 전자 장치를 냉각 환경 내부로 옮겨, 디지털 로직을 양자 비트 바로 옆에 배치하는 것입니다. 그러나 표준 컴퓨터 칩은 상온에서 작동하도록 설계되었으며, 얼어붙었을 때 그 거동이 급격히 변합니다. 연구자들에게 주어진 과제는 이 대량 생산된 칩들을 완전히 처음부터 다시 설계하지 않고도 신뢰할 수 있게 작동하도록 만들 수 있는지 여부입니다.

한 연구팀은 이를 확인하기 위해 상용 컴퓨터 칩 라이브러리를 가져와 절대 영도에서 불과 몇 도 높은 온도인 4 켈빈에서 어떻게 작동하는지 테스트하며 답을 찾고자 했습니다. 그들은 산업계에서 널리 사용되는 '완전 공핍 실리콘 온 인슐레이터(fully depleted silicon-on-insulator)'라는 특정 현대적 칩 기술에 집중했습니다. 새로운 회로를 발명하는 대신, 트랜지스터의 물리적 배치와 로직 기능을 포함하여 칩 제조사가 만든 기존 설계를 그대로 유지했습니다. 그들의 목표는 이러한 칩들이 저온에서 어떻게 작동하는지에 대한 수학적 설명을 업데이트하여, 엔지니어들이 표준 설계 도구를 사용하여 저온용 시스템을 구축할 수 있도록 하는 것이었습니다. 연구진은 칩이 얼었을 때 속도가 현저히 느려지지만, '순방향 바디 바이어스(forward body bias)'라는 기술을 통해 속도를 회복할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 방법은 트랜지스터의 뒷면에 특정 전기 전압을 가하는 것으로, 냉각 효과를 상쇄하여 물리적 구조의 변경 없이도 칩이 사용 가능한 속도로 실행되도록 합니다.

연구 결과, 이 특수 전압 조정을 적용하지 않으면 칩이 믿기 힘들 정도로 느려진다는 사실이 밝혀졌습니다. 연구진이 제로 바이어스 상태에서 라이브러리를 테스트했을 때, 기본 로직 게이트를 통과하는 신호의 시간은 상승 신호의 경우 38배, 하강 신호의 경우 33배 증가했습니다. 실질적으로, 상온에서 초당 수십억 번 상태를 전환할 수 있는 회로가 단 몇 백만 사이클의 속도로 느려지게 되는 것입니다. 더욱이, 신호가 너무 느려져서 칩 제조사가 설정한 안전 한계를 위반함으로써 더 복적인 설계에서 오류를 일으킬 가능성이 생겼습니다. 또한 연구진은 게이트의 구체적인 유형에 따라 칩의 거동이 달라진다는 것을 발견했으며, 이는 전체 라이브러리의 성능을 예측하기 위해 단일 규칙을 적용할 수 없음을 의미했습니다. 이러한 가변성 때문에 단순히 칩의 거동을 추측하는 것만으로는 부족했으며, 상세하고 지점별인 재평가가 필요했습니다.

속도 문제를 해결하기 위해 연구팀은 트랜지스터가 추위에도 불구하고 더 쉽게 켜지도록 유도하는 순방향 바디 바이어스를 적용했습니다. 플러스 또는 마이너스 1.8 볼트의 전압을 가했을 때 성능이 극적으로 향상되었습니다. 지연 페널티는 30배 수준에서 3배 미만으로 떨어졌으며, 이를 통해 칩은 디지털 제어에 유용한 범위로 돌아왔습니다. 이 바이어스 수준에서 칩은 최대 132.9 메가헤르츠의 속도로 작동할 수 있었는데, 이는 바이어스가 없을 때 달성한 1.3 메가헤르츠에 비해 엄청난 개선입니다. 이 속도는 테스트 칩에 사용된 입출력 패드의 50 메가헤르츠 제한을 초과하므로, 내부 로직이 더 이상 병목 현상이 아님을 증명합니다. 연구진은 테스트 칩에 내장된 작지만 복잡한 계산기인 32비트 산술 논리 장치(ALU)를 분석하여 이러한 결과를 확인했습니다. 물리적 설계는 정확히 동일하게 유지하면서 오직 라이브러리 데이터만을 저온 조건에 맞춰 업데이트함으로써, 동일한 물리적 칩이 작동 전압을 변경하는 것만으로도 2개 이상의 차수(order of magnitude)에 걸친 성능 범위를 넘나들 수 있음을 보여주었습니다.

연구에서 다룬 또 다른 핵심 과제는 칩의 코어와 입출력 연결 간의 전압 차이였습니다. 칩의 코어는 에너지 절약과 열 감소를 위해 0.4 볼트의 매우 낮은 전압으로 작동하지만, 외부 세계와의 연결은 0.8 볼트로 작동합니다. 저전압 코어에서 고전압의 외부 세계로 신호를 전달하려면 변환기가 필요합니다. 연구진은 만약 이 변환기를 건너뛰고 저전압 코어에서 고전압을 직접 구동하려고 시도한다면, 칩이 엄청난 양의 전력을 낭비하게 된다는 것을 발견했습니다. 풀 바이어스 상태에서 이 우회 방식은 데이터의 매 비트당 57.7 마이크로와트의 정적 전력을 소비하는 반면, 적절한 변환기를 사용하면 이 낭비를 10억 분의 1 와트 미만으로 줄일 수 있었습니다. 이 발견은 칩을 충분히 빠르게 만들 수는 있지만, 냉각 환경의 제한된 냉각 예산을 소모하지 않기 위해 시스템의 인터페이스를 세심하게 관리해야 함을 강조합니다.

연구는 또한 저온 칩의 에너지 효율성을 상온의 칩과 비교했습니다. 바이어스가 적용되지 않은 상태에서는 칩이 더 느리게 작동하지만, 순방향 바디 바이어스를 적용하면 놀라울 정도로 효율적이 됩니다. 연구진은 특정 속도를 유지하면서 작업을 수행하는 데 필요한 에너지가 바이어스를 사용할 때 저온에서 실제로 개선된다는 것을 계산했습니다. 이는 적절한 전압 설정을 사용한다면 제어용 전자 장치를 크라이오스탯(cryostat) 내부에 배치하는 것이 단순히 가능한 것을 넘어 잠재적으로 더 효율적일 수 있음을 시사합니다. 이 작업은 산업계의 기존 칩 설계가 엔지니어가 올바른 모델링 도구와 전압 전략을 사용한다면 극한의 추위도 견딜 수 있을 만큼 견고하다는 것을 입증합니다.

궁극적으로, 이 연구는 확장 가능한 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 명확한 경로를 제공합니다. 상용 칩 라이브러리가 트랜지스터를 재설계하지 않고도 저온용으로 재특성화될 수 있음을 보여줌으로써, 연구팀은 진입 장로를 제거했습니다. 이제 엔지니어들은 상온 컴퓨터에 사용하는 것과 동일한 설계 소프트웨어와 표준 셀을 사용하여 절대 영도 근처에서 작동하는 시스템을 구축할 수 있습니다. 핵심은 손실된 속도를 회복하기 위해 적절한 양의 순방향 바디 바이어스를 적용하고, 저온의 코어와 더 따뜻한 외부 세계 사이의 인터페이스를 관리하기 위해 전압 변환기를 사용하는 것입니다. 실제 실리콘의 측정은 향후 과제로 남아 있지만, 여기서 제시된 시뮬레이션과 분석은 이 접근 방식이 작동할 것이라는 높은 신뢰도를 제공합니다. 이는 현재 양자 컴퓨팅을 제한하고 있는 복잡한 배선 및 대역폭 병목 현상을, 우리가 사용하는 것과 동일한 칩을 사용하여 제어 로직을 필요한 곳, 즉 차가운 내부부에 배치함으로써 해결할 수 있음을 의미합니다.