摘要：量子计算机硬件开发商 SemiQon 最近开发出一种“低温 CMOS 晶体管”，据称该晶体管可在超低温下高效运行，包括临界温度约 1 开尔文。这一消息代表着低温电子学的一次飞跃，尤其是在量子计算应用方面。
本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自allaboutcircuits
低温CMOS晶体管解决了量子计算的两个关键障碍：扩展和冷却成本。
量子计算机硬件开发商 SemiQon 最近开发出一种“低温 CMOS 晶体管”，据称该晶体管可在超低温下高效运行，包括临界温度约 1 开尔文。这一消息代表着低温电子学的一次飞跃，尤其是在量子计算应用方面。
过去，部署在这种超低温下的电子元件长期表现不佳。当温度接近毫开尔文范围时，传导电子的热容量会显著下降，难以保持稳定的温度。电子系统与主晶格中的声子之间的热耦合也会减弱，使散热变得复杂。除了寄生热泄漏和 MOSFET 阈值电压增加等其他问题外，这还是量子计算的主要障碍。
但随着 SemiQon 开发出所谓的世界上第一个针对低温条件下的高效优化的晶体管，这一切可能即将改变。
低温下的传统半导体
量子电子学通常采用传统（非量子）电子学作为控制电路，这些电子学无法在如此低的温度下运行。具体而言，这些低温会显著影响传统半导体的阈值电压。
大多数半导体器件的额定工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。当它们在此范围之外工作时，阈值电压开始发生变化。当温度低于 -40°C 时，阈值电压会显著增加，需要更大的电压，功耗更高，速度降低，性能不可靠。
因此，传统的控制电子器件在室温下以量子结构的形式存储，与量子比特物理上分离。这种物理分离的关键是庞大而笨重的电缆，这限制了量子系统的可扩展性。
克服低温下的性能瓶颈
在一项名为《量子电子器件的 Millikelvin Si-MOSFET》的研究中，SemiQon 声称其新型低温 CMOS 晶体管与传统晶体管相比，散热量减少了 1,000 倍，同时功耗仅为室温晶体管的 0.1%。从实际角度来看，这种功耗降低可将控制和读出电子设备直接置于低温恒温器内，与量子处理器本身并列。
对于量子计算而言，这解决了一个关键的散热瓶颈，这一瓶颈阻碍了将量子系统扩展到容错水平的努力。量子计算机需要超低温条件来保持量子比特相干性。然而，传统电子设备会产生热量，从而破坏量子系统。有了低温 CMOS 晶体管，电子元件不再需要保持在较高的温度下，从而防止产生的热量干扰量子比特的微妙量子态。
这种设备对量子计算有两个关键优势。研究人员表示，低温 CMOS 晶体管不仅使他们能够将控制电子设备与处理单元一起直接放入低温恒温器中，而且还能消除超冷环境中的热量。当量子比特的数量超过几百时，后一个特性尤其重要。
SemiQon 低温 CMOS 晶体管同样重要的一点或许在于，它可以使用现有的 CMOS 晶圆厂制造；无需额外或专门的基础设施。这使得 SemiQon 能够快速扩大生产规模，而无需进行大规模的基础设施改造，这是半导体开发中常见的挑战。
量子计算以外的应用
SemiQon 的低温 CMOS 晶体管不仅限于量子计算应用。还有许多应用需要超低温操作。
例如，高性能计算系统可以通过降低功耗和冷却成本从这些晶体管中受益匪浅。同时，在温度控制具有挑战性的太空应用中，低温晶体管可以在为深空敏感仪器或通信系统供电方面提供竞争优势。
除了能源效率之外，SemiQon 的工作还可能对数据中心冷却产生重大影响。到 2030 年，数据中心的冷却成本预计将上升至 500 亿美元以上，研究人员的晶体管提供了一种实用的解决方案，通过大幅降低能耗来降低需要持续冷却的系统的整体运营成本。
使容错量子计算成为现实
SemiQon 晶体管的直接影响将体现在量子计算领域，即所谓的容错性：量子计算机即使在出现错误和故障的情况下也能执行可靠计算的能力。由于量子系统固有的脆弱性及其对噪声和退相干的敏感性，容错性在量子计算中必不可少。
通过减少对复杂且昂贵的控制电子基础设施的需求，低温 CMOS 晶体管还可以提高量子计算机的效率，并减少构建的麻烦。这应该会加快这些系统实现商业可行性的步伐。
SemiQon 的工作是欧洲创新委员会资助的 SCALLOP 项目和欧盟资助的 ArcTIC Chips-JU 项目的一部分。该公司计划在 2025 年向客户交付首批晶体管。
4K和77K下运行的晶体管模型
去年，CryoCMOS 联盟已经展示了可在 4K 和 77K 下运行的晶体管模型，为传统电子设备在低温下运行打开了更多的大门。
新型晶体管以 GlobalFoundries 的 22nm FDSOI 工艺节点 (22FDX) 为模型，该节点可通过反向偏置控制器件阈值电压。这一新进展主要由 SureCore 主导，该公司以其CryoIP 技术而闻名。CryoIP 是一个 IP 库，可实现量子计算所需的电子设备的低温运行。得益于 22FDX 节点和 CryoIP 的这种增强控制，研究人员模拟了在低至 4K 和 77K 的温度下仍能保持正常性能的晶体管。
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来源：半导体产业纵横
