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

Os computadores quânticos prometem resolver problemas que são atualmente impossíveis até para os supercomputadores mais poderosos, mas trazem consigo um severo desafio logístico. Estas máquinas devem operar a temperaturas mais frias do que o espaço profundo para funcionar, contudo, a eletrónica que as controla situa-se habitualmente em salas quentes. Para colmatar esta lacuna, os engenheiros têm de passar milhares de fios do interior gélido do processador quântico até ao equipamento à temperatura ambiente. Isto cria um enorme gargalo, limitando a quantidade de informação que pode ser enviada e recebida. A solução é mover a eletrónica de controlo para dentro do próprio ambiente frio, colocando a lógica digital mesmo ao lado dos bits quânticos. No entanto, os chips de computador padrão são concebidos para funcionar à temperatura ambiente, e o seu comportamento altera-se drasticamente quando congelados. A questão que enfrenta os investigadores é se estes chips produzidos em massa podem ser feitos para funcionar de forma fiável no frio profundo sem serem completamente redesenhados do zero.

Uma equipa de investigadores decidiu responder a isto testando como se comporta uma biblioteca de chips de computador padrão, comercialmente disponível, a quatro Kelvin, uma temperatura apenas alguns graus acima do zero absoluto. Eles focaram-se num tipo específico de tecnologia de chip moderna conhecida como silício sobre isolante totalmente depletado (fully depleted silicon-on-insulator), que é amplamente utilizada na indústria. Em vez de inventarem novos circuitos, mantiveram os designs existentes exatamente como o fabricante do chip os criou, incluindo o layout físico dos transístores e as funções lógicas. O seu objetivo era ver se poderiam simplesmente atualizar as descrições matemáticas de como estes chips funcionam a baixas temperaturas, permitindo que os engenheiros utilizem ferramentas de design padrão para construir sistemas para o frio. Os investigadores descobriram que, embora os chips abrandeçam significavelmente quando congelados, uma técnica chamada polarização de corpo direta (forward body bias) pode restaurar a sua velocidade. Este método envolve a aplicação de uma tensão elétrica específica na parte traseira dos transístores, o que contraria os efeitos do congelamento e permite que os chips funcionem a velocidades utilizáveis sem qualquer alteração na sua estrutura física.

O estudo revelou que, sem este ajuste de tensão especial, os chips se tornam incrivelmente lentos. Quando os investigadores testaram a biblioteca a zero de polarização (zero bias), o tempo que um sinal levava para percorrer uma porta lógica básica aumentou por um fator de trinta e oito para sinais de subida e trinta e três para sinais de descida. Na prática, um circuito que poderia alternar estados biliões de vezes por segundo à temperatura ambiente abrandaria até um passo de tartaruga, operando a apenas alguns milhões de ciclos por segundo. Além disso, os sinais tornaram-se tão lentos que violaram os limites de segurança definidos pelo fabricante do chip, podendo causar erros em designs mais complexos. Os investigadores também descobriram que os chips se comportavam de forma diferente dependendo do tipo específico de porta, o que significa que uma regra única não poderia ser aplicada a toda a biblioteca para prever o desempenho. Esta variabilidade significou que simplesmente adivinhar como os chips se comportariam não era suficiente; era necessária uma reavaliação detalhada, ponto por ponto.

Para corrigir o problema da velocidade, a equipa aplicou a polarização de corpo direta, que essencialmente empurra os transístores para ligarem com mais facilidade apesar do frio. Quando aplicaram uma tensão de mais ou menos 1,8 volts, o desempenho melhorou dramaticamente. Os atrasos caíram de fatores de trinta para fatores de menos de três, trazendo os chips de volta a um intervalo onde poderiam ser úteis para controlo digital. Neste nível de polarização, os chips podiam operar a velocidades até 132,9 megahertz, uma melhoria massiva em relação aos 1,3 megahertz alcançados sem a polarização. Esta velocidade é significativa porque excede o limite de 50 megahertz das almofadas de entrada-saída (input-output pads) utilizadas no chip de teste, provando que a lógica interna já não é o gargalo. Os investigadores confirmaram estas descobertas analisando uma unidade de lógica aritmética de 32 bits fabricada, uma calculadora pequena mas complexa construída no chip. Eles mantiveram o design físico exatamente o mesmo e apenas alteraram os dados da biblioteca para refletir as condições de frio, mostrando que o mesmo chip físico podia abranger um intervalo de desempenho de mais de duas ordens de magnitude apenas mudando a sua tensão de operação.

Outro desafio crítico abordado no estudo foi a diferença nos níveis de tensão entre o núcleo do chip e as suas ligações de entrada-saída. O núcleo do chip opera a uma tensão muito baixa de 0,4 volts para poupar energia e reduzir o calor, mas as ligações para o mundo exterior operam a 0,8 volts. Mover um sinal do núcleo de baixa tensão para o mundo exterior de maior tensão requer um tradutor. Os investigadores descobriram que, se tentassem saltar este tradutor e acionar a tensão mais alta diretamente a partir do núcleo de baixa tensão, o chip desperdiçaria uma quantidade tremenda de energia. Com a polarização total, este método de bypass consumiria 57,7 microwatts de potência estática para cada bit de dados, enquanto o uso do tradutor adequado reduzia esse desperdício para menos de um bilião de um watt. Esta descoberta destaca que, embora os chips possam ser tornados rápidos o suficiente para o controlo, as interfaces entre diferentes partes do sistema devem ser cuidadosamente geridas para evitar esgotar o limitado orçamento de arrefecimento do ambiente criogénico.

O estudo também analisou a eficiência energética destes chips frios em comparação com os seus equivalentes à temperatura ambiente. Embora os chips funcionem mais lentamente a baixas temperaturas sem polarização, eles tornam-se surpreendentemente eficientes quando a polarização de corpo direta é aplicada. Os investigadores calcularam que a energia necessária para realizar uma tarefa enquanto se mantém uma certa velocidade melhorou, de facto, nas temperaturas baixas quando a polarização foi utilizada. Isto sugere que colocar a eletrónica de controlo dentro do criostato não é apenas viável, mas potencialmente mais eficiente do que operá-la à temperatura ambiente, desde que as configurações de tensão corretas sejam utilizadas. O trabalho demonstra que os designs de chips existentes da indústria são robustos o suficiente para lidar com o frio extremo, desde que os engenheiros utilizem as ferramentas de modelagem e estratégias de tensão corretas.

Em última análise, esta investigação fornece um caminho claro para a construção de computadores quânticos escaláveis. Ao mostrar que as bibliotecas de chips comerciais podem ser recaracterizadas para uso criogénico sem redesenhar os transístores, a equipa removeu uma grande barreira à entrada. Os engenheiros podem agora utilizar o mesmo software de design e as mesmas células padrão que utilizam para computadores à temperatura ambiente para construir sistemas que operam perto do zero absoluto. A chave é aplicar a quantidade certa de polarização de corpo direta para recuperar a velocidade perdida e utilizar tradutores de tensão para gerir a interface entre o núcleo frio e o mundo exterior mais quente. Embora as medições reais do silício nestas temperaturas ainda sejam um trabalho futuro, as simulações e a análise aqui apresentadas oferecem um elevado grau de confiança de que a abordagem funcionará. Isto significa que os complexos problemas de cablagem e os gargalos de largura de banda que atualmente limitam a computação quântica podem ser resolvidos colocando a lógica de controlo exatamente onde ela é necessária, dentro do frio, utilizando os mesmos chips que alimentam os nossos dispositivos quotidianos.