Исследователи из Гонконгского университета (HKU) совместно с Центром передовых полупроводников и интегральных схем (CASIC) представили программируемую нейроморфную платформу, способную функционировать вблизи абсолютного нуля. По мнению разработчиков, это инновационное решение поможет преодолеть критический барьер масштабируемости квантовых вычислительных систем и найдет применение в космической отрасли, где предъявляются строгие требования к устойчивости электроники к экстремальному холоду.
Под руководством профессора Юйхао Чжана и аспиранта Синь Яна команда ученых нашла способ управлять отрицательным дифференциальным сопротивлением — явлением, при котором возрастание приложенного напряжения влечет за собой снижение силы тока. В качестве основы были использованы коммерчески доступные транзисторы SiC MOSFET из карбида кремния, которые уже массово эксплуатируются в силовой электронике.
В ходе эксперимента было впервые доказано, что единичный транзистор способен воспроизводить импульсную динамику биологических нейронов при температуре 10 милликельвинов, что лишь на сотую долю градуса выше абсолютного нуля. Данная особенность лежит в фундаменте нейроморфных вычислений, позволяющих создавать энергоэффективные системы, имитирующие принципы обработки информации в живых организмах.
Разработка имеет решающее значение для квантовых технологий. Поскольку кубиты крайне уязвимы к внешним помехам и требуют криогенных температур, использование стандартной управляющей электроники создает проблему избыточного тепловыделения. Необходимость размещать контроллеры вдали от процессора ограничивает плотность подключения кубитов, что замедляет прогресс в создании вычислительных систем высокой мощности.
Юйхао Чжан подчеркивает, что предложенная аппаратная база позволяет интегрировать управляющие схемы в непосредственной близости к квантовому ядру. Уникальные свойства движения носителей заряда в SiC позволяют снизить энергопотребление в тысячи раз по сравнению с классическими решениями, тем самым минимизируя тепловую нагрузку на криогенное оборудование.
Ключевым прорывом стало обнаружение S-образного отрицательного дифференциального сопротивления при охлаждении транзисторов ниже 2 кельвинов. Физический механизм этого явления кроется в ударной ионизации донорных примесей, что определяется самой кристаллической структурой материала, а не внешним нагревом. Это гарантирует стабильность и воспроизводимость характеристик при промышленном выпуске.
Важным преимуществом является полная совместимость технологии с текущими стандартами полупроводниковой индустрии. Поскольку карбид кремния уже активно применяется в электротранспорте и энергетике, производство таких чипов можно легко адаптировать на существующих линиях с 300-миллиметровыми пластинами.
Исследователи также продемонстрировали возможность объединения искусственных нейронов в сложные сети, что открывает перспективы локальной обработки данных прямо в криогенной зоне. Это позволит в реальном времени корректировать ошибки и управлять квантовыми процессами без задержек.
Кроме того, данная технология перспективна для освоения космоса. Миссии на Луну или к окраинам Солнечной системы требуют систем, способных работать в условиях глубокого охлаждения, где традиционные полупроводники теряют свою эффективность.
Если технология выйдет на этап промышленного масштабирования, она станет универсальным ответом на главные вызовы современной микроэлектроники, позволив объединить вычислительную мощь нейроморфных систем с экстремальной стабильностью квантовых процессоров в любых температурных условиях.
Источник: iXBT
