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

Quantumcomputers beloven problemen op te lossen die momenteel onmogelijk zijn voor zelfs de krachtigste supercomputers, maar ze gaan gepaard met een ernstige logistieke uitdaging. Deze machines moeten werken op temperaturen kouder dan de diepe ruimte om te kunnen functioneren, terwijl de elektronica die hen aanstuurt meestal in warme kamers staat. Om deze kloof te overbruggen, moeten ingenieurs duizenden draden van het ijskoude interieur van de quantumprocessor naar de apparatuur op kamertemperatuur leiden. Dit creëert een enorme flessenhals, die beperkt hoeveel informatie er verzonden en ontvangen kan worden. De oplossing is om de besturings-elektronica in de koude omgeving zelf te plaatsen, door digitale logica direct naast de quantumbits te plaatsen. Echter, standaard computerchips zijn ontworpen om te werken bij kamertemperatuur, en hun gedrag verandert drastisch wanneer ze bevroren zijn. De vraag waar onderzoekers voor staan is of deze massaproductiechips betrouwbaar werkend gemaakt kunnen worden in de diepe kou zonder dat ze volledig vanaf nul opnieuw ontworpen moeten worden.

Een team van onderzoekers zette zich in om dit te beantwoorden door een standaard, commercieel beschikbare computerchipbibliotheek te nemen en te testen hoe deze zich gedraagt bij vier Kelvin, een temperatuur die slechts enkele graden boven het absolute nulpunt ligt. Ze concentreerden zich op een specif kind type moderne chiptechnologie bekend als volledig uitgeholde silicon-on-insulator, die breed wordt gebruikt in de industrie. In plaats van nieuwe circuits uit te vinden, hielden ze de bestaande ontwerpen exact zoals de chipfabrikant ze heeft gemaakt, inclusief de fysieke lay-out van de transistoren en de logische functies. Hun doel was om te zien of ze simpelweg de wiskundige beschrijvingen van hoe deze chips werken bij lage temperaturen konden bijwerken, zodat ingenieurs standaard ontwerptools kunnen gebruiken om systemen voor de kou te bouwen. De onderzoekers ontdekten dat hoewel de chips aanzienlijk vertragen wanneer ze bevroren zijn, een techniek genaamd forward body bias hun snelheid kan herstellen. Deze methode houdt in dat er een specifieke elektrische spanning op de achterkant van de transistoren wordt aangelegd, wat de bevriezingseffecten tegenwerkt en de chips op bruikbare snelheden laat draaien zonder dat er wijzigingen in hun fysieke structuur nodig zijn.

De studie onthulde dat de chips, zonder deze speciale spanningsaanpassing, ongelooflijk traag worden. Wanneer de onderzoekers de bibliotheek testten bij nul bias, nam de tijd die een signaal nodig had om door een basislogische poort te reizen toe met een factor dertig-acht voor stijgende signalen en een factor twee-dertig voor dalende signalen. In praktische termen: een circuit dat miljarden keren per seconde van status kon wisselen bij kamertemperatuur, zou vertragen tot een kruipend tempo en slechts enkele miljoenen cycli per seconde opereren. Bovendien werden de signalen zo traag dat ze de veiligheidslimieten overschreden die door de chipfabrikant waren vastgesteld, wat potentieel fouten in complexere ontwerpen kan veroorzaken. De onderzoekers ontdekten ook dat de chips anders gedroegen afhankelijk van het specifieke type poort, wat betekende dat één enkele regel niet voor de hele bibliotheek kon worden toegepast om prestaties te voorspellen. Deze variabiliteit betekende dat het simpelweg raden hoe de chips zouden reageren niet voldoende was; een gedetailleerde, punt-voor-punt herwaardering was noodzakelijk.

Om het snelheidsprobleem op te lossen, paste het team forward body bias toe, wat de transistoren in essentie ertoe aanzet makkelijker aan te gaan ondanks de kou. Wanneer zij een spanning van plus of min 1,8 volt toepasten, verbeterde de prestatie drastisch. De vertragingsfactoren daalden van factoren van dertig naar factoren van minder dan drie, waardoor de chips weer in een bereik kwamen waar ze nuttig konden zijn voor digitale besturing. Op dit niveau van bias konden de chips opereren met snelheden tot 132,9 megahertz, een enorme verbetering ten opzichte van de 1,3 megahertz die zonder de bias werd bereikt. Deze snelheid is significant omdat het de 50 megahertz limiet van de input-output pads die in de testchip werden gebruikt overschrijdt, wat bewijst dat de interne logica niet langer de flessenhals is. De onderzoekers bevestigden deze bevindingen door een gefabriceerde 32-bits rekenkundige logische eenheid te analyseren, een kleine maar complexe rekenmachine die in de chip is gebouwd. Ze hielden het fysieke ontwerp exact hetzelfde en veranderden alleen de bibliotheekgegevens om de koude condities te reflecteren, waarmee ze lieten zien dat dezelfde fysieke chip een prestatiebereik van meer dan twee grootheden kan overspannen door enkel de werkspanning te wijzigen.

Een andere cruciale uitdaging die in de studie werd aangepakt, was het verschil in spanningsniveaus tussen de kern van de chip en de input-output verbindingen. De kern van de chip werkt op een zeer lage 0,4 volt om energie te besparen en warmte te verminderen, maar de verbindingen met de buitenwereld werken op 0,8 volt. Het verplaatsen van een signaal van de laagspanningskern naar de hogere spanning van de buitenwereld vereist een vertaler. De onderzoekers ontdekten dat als ze probeerden deze vertaler over te slaan en de hogere spanning direct vanuit de laagspanningskern aan te sturen, de chip een enorme hoeveelheid energie zou verspillen. Bij volledige bias zou deze bypass-methode 57,7 microwatt statisch vermogen verbruiken voor elke enkele bit aan data, terwijl het gebruik van de juiste vertaler dat verbruik verminderde tot minder dan een miljardste van een watt. Dit inzicht benadrukt dat hoewel de chips snel genoeg kunnen worden gemaakt voor besturing, de interfaces tussen verschillende onderdelen van het systeem zorgvuldig beheerd moeten worden om te voorkomen dat het beperkte koelbudget van de cryogene omgeving wordt uitgeput.

De studie keek ook naar de energie-efficiëntie van deze koude chips in vergelijking met hun tegenhangers bij kamertemperatuur. Hoewel de chips zonder bias langzamer draaien bij lage temperaturen, worden ze verrassend efficiënt wanneer de forward body bias wordt toegepast. De onderzoekers berekenden dat de energie die nodig is om een taak uit te voeren terwijl een bepaalde snelheid wordt gehandhaafd, daadwerkelijk verbeterde bij de koude temperaturen wanneer de bias werd gebruikt. Dit suggereert dat het plaatsen van de besturingselektronica binnen de cryostaat niet alleen haalbaar is, maar potentieel efficiënter is dan het draaien ervan bij kamertemperatuur, mits de juiste spanningsinstellingen worden gebruikt. Het werk toont aan dat de bestaande chipontwerpen van de industrie robuust genoeg zijn om de extreme kou aan te kunnen, mits ingenieurs de juiste modelleringsinstrumenten en spanningsstrategieën gebruiken.

Uiteindelijk biedt dit onderzoek een duidelijke weg voorwaarts voor het bouwen van schaalbare quantumcomputers. Door aan te tonen dat commerciële chipbibliotheken herkarakteriseerd kunnen worden voor cryogene toepassing zonder de transistoren te herontwerpen, heeft het team een belangrijke barrière weggenomen. Ingenieurs kunnen nu dezelfde ontwerpprogramma's en standaard cellen gebruiken die ze voor computers bij kamertemperatuur gebruiken om systemen te bouwen die nabij het absolute nulpunt werken. De sleutel is het toepassen van de juiste hoeveelheid forward body bias om de verloren snelheid te herstellen en het gebruik van spanningsvertalers om de interface tussen de koude kern en de warmere buitenwereld te beheren. Hoewel de werkelijke metingen van het silicium bij deze temperaturen nog toekomstig werk zijn, bieden de simulaties en analyses die hier worden gepresenteerd een hoog vertrouwen dat de aanpak zal werken. Dit betekent dat de complexe bedrading en bandbreedte-flessenhalzen die momenteel de quantumcomputing beperken, kunnen worden opgelost door de besturingslogica precies daar te plaatsen waar deze nodig is, in de kou, met gebruik van precies dezelfde chips die onze alledaagse apparaten aandrijven.