Экстремальный холод придал транзистору неожиданные свойства
В Вирджинском политехническом институте охладили серийно выпускаемый транзистор — и он обрел вдруг совершенно нехарактерные свойства. Экспериментаторы не удивились открытию, а объяснили его и, более того, нашли применение.
Каковое тут же и проверили опытным путем, с подробностями чего можно ознакомиться на страницах Nature Communications. Результатом стала программируемая нейроморфная аппаратная платформа, способная работать при температурах, близких к абсолютному нулю — потенциальное решение для масштабирования квантовых компьютеров или работы в условиях глубокого космоса.
Исследователи обнаружили, что при охлаждении транзисторов из карбида кремния ниже 2 К у них возникает ярко выраженное S-образное отрицательное дифференциальное сопротивление, вызванное ударной ионизацией электронов на донорных уровнях. Проще говоря, в легированной азотом области полупроводника электроны словно замерзают, и ВАХ самого обычного МОП-транзистора изгибается буквой S, превращая его в ключевой элемент с нестандартными свойствами. В отличие от других приборов, которым для таких метаморфоз нужен нагрев, этот механизм заложен непосредственно в атомной структуре материала, что обеспечивает исключительную стабильность и воспроизводимость результатов.
«Это надежный и легко масштабируемый подход. Поскольку SiC уже повсеместно используется в электромобилях и энергосистемах, мы можем задействовать существующие производственные линии для выпуска криогенных чипов на 300-миллиметровых пластинах», — говорит инженер Ян Синь из Гонконгского университета (HKU).
Управляющую кубитами электронику приходится выносить подальше, поскольку она выделяет тепло, и соединительные линии становятся узким местом, которое ограничивает масштабируемость и производительность квантовых компьютеров.
«Наша работа предлагает аппаратную платформу, которую можно интегрировать в непосредственной близости от квантового процессора. Благодаря уникальной динамике носителей заряда в карбиде кремния мы можем собирать схемы, которые в тысячи раз энергоэффективнее обычной электроники. Это значительно снижает тепловую нагрузку на криогенные установки», — подчеркивает профессор HKU Чжан Юйхао, руководивший исследованием.
На основе одного-единственного сверхохлажденного транзистора (плюс минимальная обвязка) ученые разработали и испытали нейроморфные схемы трех типов:
- сенсорный нейрон,
- логический спайковый (импульсный) нейрон, выполняющий операции И/ИЛИ,
- интегрирующий и срабатывающий нейрон двух подтипов.
Нейроны оказалось возможным каскадировать, то есть в перспективе возможно построение крупных сетей сложной обработки данных — эта технология повысит эффективность квантовой коррекции ошибок и управления квантовыми системами в реальном времени.
Справа — вольт-амперная характеристика с участком отрицательного дифференциального сопроитивления.
Помимо квантовых вычислений, устойчивые к внешним воздействиям схемы идеально подходят для глубокого космоса, где электроника должна безотказно работать в условиях экстремального холода.
