В Гонконге создали нейроморфные чипы для работы почти при абсолютном нуле
Специалисты факультета инженерии Гонконгского университета (HKU) и Центра передовых полупроводников и интегральных схем (CASIC) разработали программируемую нейроморфную аппаратную платформу, способную работать при температурах, близких к абсолютному нулю. Авторы уверены, что их технология может помочь решить одну из ключевых проблем масштабирования квантовых компьютеров и найти применение в космических миссиях, где электроника должна выдерживать экстремальный холод.
Проект возглавили профессор Юйхао Чжан (Yuhao Zhang) и аспирант Синь Ян (Xin Yang). Учёные обнаружили новый способ создания и управления отрицательным дифференциальным сопротивлением — эффектом, при котором увеличение напряжения приводит к уменьшению тока. Для этого использовались стандартные транзисторы SiC MOSFET на основе карбида кремния, широко применяемые в современной силовой электронике.
Авторы впервые показали, что один такой транзистор способен воспроизводить импульсное поведение биологических нейронов при температуре всего 10 милликельвинов — примерно на сотую долю градуса выше абсолютного нуля. Подобный принцип лежит в основе нейроморфных вычислений, где электронные схемы имитируют работу нервной системы и обрабатывают информацию с минимальными затратами энергии.
Изображение сгенерировано: Nano BananaРазработка может оказаться особенно важной для квантовых компьютеров. Кубиты — основные элементы таких систем — крайне чувствительны к внешним воздействиям и работают при температурах в несколько милликельвинов. Современные кремниевые управляющие схемы выделяют слишком много тепла и потребляют значительную мощность, поэтому их приходится размещать на удалении от квантового процессора. Это усложняет подключение большого числа кубитов и становится одним из главных препятствий для создания более производительных квантовых систем.
По словам Юйхао Чжана, новая аппаратная платформа может размещаться непосредственно рядом с квантовыми процессорами. Использование особенностей движения носителей заряда в карбиде кремния позволяет создавать схемы, которые потребляют в тысячи раз меньше энергии по сравнению с традиционной электроникой, существенно снижая тепловую нагрузку на криогенные установки.
Ключевым открытием стало то, что при охлаждении ниже 2 кельвинов транзисторы на основе карбида кремния начинают демонстрировать выраженное S-образное отрицательное дифференциальное сопротивление. Этот эффект обеспечивается механизмом ударной ионизации донорных примесей электронами. В отличие от ряда существующих технологий, зависящих от нагрева, новый механизм связан непосредственно с атомной структурой материала, что делает его стабильным и воспроизводимым даже при изготовлении на разных производственных линиях.
Ещё одним преимуществом технологии является её совместимость с существующей промышленной инфраструктурой. Карбид кремния уже широко используется в электромобилях и энергетических системах, поэтому производство новых криогенных чипов может быть организовано на действующих фабриках, выпускающих полупроводники на пластинах диаметром 300 миллиметров.
Авторы также показали, что отдельные искусственные нейроны можно объединять в более крупные сети. Это открывает возможность локальной обработки данных непосредственно при сверхнизких температурах, где работают квантовые процессоры. В перспективе такие системы могут использоваться для коррекции ошибок в квантовых вычислениях и управления квантовыми устройствами в реальном времени.
Помимо квантовых компьютеров, технология может найти применение в космической технике. Электроника для будущих миссий на Луне или во внешних областях Солнечной системы должна сохранять работоспособность в условиях экстремально низких температур, а новые схемы изначально рассчитаны на такую среду.
Если разработку удастся масштабировать до промышленных решений, то она может одновременно решить две сложные инженерные задачи — приблизить управляющую электронику к квантовым процессорам и обеспечить работу интеллектуальных вычислительных систем там, где обычные микросхемы сталкиваются с ограничениями из-за условий и энергопотребления.
© iXBT
