Инновации в микропроцессорном производстве для интеграции квантовых вычислений

Современные вычисления стоят на пороге трансформации, обусловленной слиянием квантовой и классической обработки. Микропроцессоры, двигатели классических вычислений, должны развиваться, чтобы вместить квантовые биты (кубиты), которые работают в соответствии с принципиально разными физическими принципами. Изготовление таких гибридных чипов требует инновационных методов производства, которые обеспечивают совместимость, стабильность и масштабируемость. В этой статье рассматриваются наиболее перспективные достижения в области микропроцессорного производства, которые прокладывают путь для интеграции квантовых вычислений, технические препятствия, которые остаются, и что эти разработки означают для будущего вычислений.

Необходимость новых подходов к микрофабрикации

Классические микропроцессоры построены с использованием хорошо зарекомендовавших себя комплементарных процессов металл-оксид-полупроводник (CMOS), оптимизированных для работы при комнатной температуре и двоичной логики. Кубиты, однако, требуют более строгих сред на порядки — часто при температурах милликельвина, с экстремальной изоляцией от электромагнитного шума и с допусками изготовления, измеренными в атомах. Традиционные линии изготовления не предназначены для создания структур, которые поддерживают квантовую когерентность. Без новых методов интеграция кубитов вместе с миллиардами транзисторов была бы невозможна.

Поэтому исследователи разрабатывают потоки изготовления, которые могут обрабатывать как слои металла высокой плотности, соединяющие классическую логику, так и тонкие, часто двумерные, кубитные структуры. Это производство двойного назначения требует инноваций на каждом этапе: выбор подложки, осаждение, литография, травление и упаковка. Цель состоит в том, чтобы производить чипы, где классическая управляющая электроника и кубиты сосуществуют на одной подложке или в одной упаковке, что позволяет осуществлять связь с низкой задержкой и уменьшать накладные расходы на внешние кабели.

Ключевые технологические достижения

Экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV)

Экстремальная ультрафиолетовая литография (длина волны 13,5 нм) уже позволила создать транзисторы с размерами признаков ниже 10 нм в продвинутых узлах, таких как Intel 4 и TSMC N3. Для квантовых схем EUV обеспечивает разрешение, необходимое для узора кубитных электродов, переходов Джозефсона и соединительных резонаторов с беспрецедентной точностью. Переход Джозефсона, ядро сверхпроводящего кубита, требует изолирующего барьера толщиной всего несколько нанометров. Способность EUV определять ультрамалые особенности с низкой шероховатостью кромки прямой улучшает однородность кубита и снижает декогеренцию, вызванную дефектами материала.

Недавние эксперименты показали, что структуры, определяемые EUV в алюминии и ниобии, могут достигать критической плотности тока, необходимой для стабильных кубитов трансмона. В то время как инструменты EUV дороги и требуют вакуумных сред, их внедрение в квантовое производство ускоряется, поскольку литейные заводы стремятся предложить специализированные процессы для клиентов квантовых вычислений. Для подробного технического обзора см. обзор Национального института стандартов и технологий по метрологии квантового производства .

Этот подход уменьшает количество проводов, перемещающихся между комнатной температурой и криогенными стадиями, что является основным узким местом для масштабирования. Intel продемонстрировала 3D-квантовый тестовый чип, который соединяет 12-кубитовый массив с криогенным контроллером с использованием 49 мкм шага микро-накачки. TSV вытравливаются через кремниевый интерпостер и покрываются сверхпроводниками для поддержания низкого сопротивления при температурах мК. Дальнейшее чтение о процессе Intel можно найти в их квантовых исследовательских публикациях .

Сверхпроводящие материальные инновации

Сверхпроводящие кубиты обычно используют алюминиевые или ниобиевые электроды с тонким туннельным барьером из оксида алюминия. Однако производительность этих материалов ограничена двухуровневым системным шумом (TLS) от аморфных оксидов на интерфейсах. Недавние инновации включают использование тантала, который образует более стабильный нативный оксид, и пленки ниобия-титана-нитрида (NbTiN), которые демонстрируют более высокие критические температуры и более низкие потери микроволновой печи. Изготовление этих материалов требует осаждения напыления при высоких температурах с последующим подъемом или сухим травлением.

Еще одним перспективным направлением является использование кристаллических сверхпроводников, таких как рений и молибден-рениевые сплавы, которые могут быть эпитаксиально выращены на кремниевых или сапфировых подложках. Эти материалы устраняют границы зерна, которые способствуют шуму. Группа MIT-Lincoln Laboratory показала, что кубиты, изготовленные из рения, демонстрируют когерентность, превышающую 300 мкс, улучшение 2-3 × по сравнению со стандартными алюминиевыми кубитами.

Криогенно-совместимые процессы развития

Сами стадии изготовления должны надежно работать при криогенных температурах. Например, при охлаждении пластин до 4 К несоответствия теплового расширения между материалами могут вызывать напряжение и расслоение. В новых рецептах процесса используются низкотемпературные PECVD (усиление плазмы химическим осаждением пара) для осаждения диэлектриков, таких как SiO2 и SiNx с минимальным напряжением пленки. Кроме того, металлические силициды (например, TiSi2) используются для формирования омических контактов, которые остаются омическими до 10 мК.

Криогенные испытательные станции, интегрированные в линейку фаб, позволяют проводить немедленное электрическое тестирование при температурах мК без удаления пластин. Эта петля обратной связи сокращает циклы разработки, выявляя плохую производительность кубита на ранней стадии. Такие компании, как Quantware и Seeqc, инвестировали в специальные крио-фабы, которые сочетают стандартные инструменты CMOS с крио-рейтинговыми модулями. Процесс Seeqc является примером криогенного производственного потока коммерческого масштаба.

Преодоление критических вызовов

Кубитовая согласованность и декогеренция

Центральным показателем качества кубита является его когерентность — продолжительность, в течение которой квантовая информация остается нетронутой. Декогеренция возникает из-за связи с шумом окружающей среды: колебания заряда, шум потока и фононы. Инновации в области фабрикации непосредственно атакуют эти источники. Например, использование интерфейсов эпитаксиального сверхпроводника-изолятора снижает шум TLS на порядок. Было показано, что чистота изготовления (ультранизкое количество частиц, вакуумное отжиг и пассивация поверхности на месте) увеличивает T1 (время релаксации энергии) от десятков микросекунд до более 500 мкс в недавних трансмонных кубитах.

Другой подход заключается в изготовлении кубитов с зазором «кремний-вакуум» с использованием микромеханической суспензии. Путем травления подложки под кубитом устраняется доминирующий канал потерь через диэлектрическую подложку. Этот метод, продемонстрированный исследователями в Принстоне и Йеле, требует точного изотропного травления и сушки критических точек, чтобы избежать сушения. Полученные кубиты показывают T1 > 1 мс.

Термическое управление при криогенных температурах

Когда классический микропроцессор работает при криогенных температурах, тепло, рассеиваемое миллиардами транзисторов, должно быть эффективно удалено, сохраняя при этом кубитную матрицу ниже 20 мК. Стандартные радиаторы неэффективны, потому что такие материалы, как кремний, имеют плохую теплопроводность при низких температурах. Изучаются технологии изготовления, такие как встраивание алмазоподобных углеродных (DLC) распредвалов тепла непосредственно в интерпостер или использование ниобийовых микроканалов для потока жидкого гелия.

Кроме того, управляющая электроника сама должна работать на 4 К с низким рассеиванием мощности. Однопоточная квантовая (SFQ) логика, основанная на соединениях Джозефсона, может работать с мощностью микроватт на затвор и естественным образом взаимодействует со сверхпроводящими кубитами. Изготовление схем SFQ требует аналогичных процессов с кубитами, но с более плотным соединением критического тока однородности. Разработка единого потока изготовления как для кубитов, так и для элементов управления SFQ является основной целью для таких компаний, как Imec и MIT Lincoln Laboratory.

Масштабируемость и доходность

Сегодняшние квантовые процессоры содержат от десятков до нескольких сотен кубитов. Полезные отказоустойчивые квантовые компьютеры потребуют миллионы. Масштабирование изготовления таких чисел требует коэффициента выхода выше 99,99% для каждого кубитного компонента. Это далеко за пределами текущих уровней, где изменчивость соединения и дефекты вызывают 10-20% отказов на пластину. Решения включают статистическое управление процессом с автоматизированным оптическим контролем (AOI) функций до 100 нм и архитектуры резервирования, где запасные кубиты изготавливаются и рассматриваются, когда первичные кубиты выходят из строя.

Кооптимизация процесса проектирования (PDCO) - методология, заимствованная из продвинутых CMOS - теперь применяется к компоновке кубитов. Путем моделирования электрического и квантового поведения макетов-кандидатов перед изготовлением масок литейные заводы могут идентифицировать структуры, чувствительные к смещению или вариации травления. IBM и Google сообщили об использовании машинного обучения для быстрого определения оптимальных параметров изготовления, которые максимизируют выход когерентности через пластину.

Архитектура для квантово-классической интеграции

Управление электроникой On-Chip

Основным узким местом в современных квантовых системах является проводка между оборудованием для управления комнатной температурой и криогенным чипом. Каждый кубит обычно требует коаксиального кабеля для микроволнового привода и считывания, что вводит задержку, тепловую нагрузку и стоимость. Закрепление управляющей электроники на том же чипе или пакете, что и кубиты, уменьшает эти проблемы. Это требует изготовления низкоэнергетических высокоскоростных схем CMOS, которые надежно работают при 4 К.

Изготовление крио-КМОП транзисторов использует оптимизированные допинг-профили и оксиды затвора, которые поддерживают пороговые напряжения и уменьшают эффекты замораживания. Несколько групп продемонстрировали операционные усилители, цифровые-аналоговые преобразователи и генераторы частоты в 28 нм КМОП, которые функционируют при 4 К с < 1 mW power per channel. These circuits are then monolithically integrated or 3D‑stacked with the qubit layer. The Природная бумага по крио-КМОП-контролю обеспечивает подробный эталон таких систем.

Логика квантовой коррекции ошибок

Неисправно-толерантные квантовые вычисления опираются на коды коррекции ошибок, которые требуют много физических кубитов на логический кубит, наряду с классической логикой для измерения синдрома и обратной связи. Интеграция этой классической логики на криогенном уровне требует массивных пользовательских ASIC или FPGA, которые могут выполнять декодирование на субмикросекундных латентностях. Производство таких ASIC использует те же самые продвинутые узлы (7 нм, 5 нм), но со специализированной SRAM и маршрутизацией, которая переносит одномерные возмущения от излучения в пространстве? На самом деле криогенные условия уменьшают радиационные эффекты, но низковольтная операция увеличивает чувствительность. Модификации процесса включают более толстые оксиды затвора и затвердевшие защелки.

Процессор Google Sycamore и последующие устройства интегрируют слой классической логики управления, который выполняет циклы коррекции ошибок менее чем за 1 мкс. Изготовление этих чипов использует пользовательский процесс 22 нм с помощью сквозных субстратов, подключаемых к слою кубита. Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге разместить весь механизм коррекции ошибок на одном чипе, полностью исключив внешние кабели.

Будущие направления

Бриллиантовые кубиты

В то время как большинство текущих усилий сосредоточены на сверхпроводящих кубитах, центры азот-вакансия (NV) в алмазе появились как надежные кубиты, которые работают при комнатной температуре. Их интеграция с обычными микропроцессорами, однако, требует изготовления подложек алмаза на кремниевом слое и точного размещения NV-центров. Недавние достижения в лазерной записи и ионной имплантации позволяют создавать NV-решения с точностью позиционирования 50 нм. Исследователи из Гарварда продемонстрировали волновод алмаза, который эффективно соединяет NV-центры с фотонными цепями, что позволяет запутывать на большие расстояния. Изготовление таких устройств использует стандартную электронно-лучевую литографию с последующим реактивным ионным травлением алмаза, материал, обычно вызывающий и т. Д.

Интеграция кремниевой фотоники

Квантовая информация также может быть закодирована в фотонах. Кремниевая фотоника, где свет направляется в кремниевых волноводах, может генерировать и манипулировать фотонными кубитами с помощью CMOS-совместимых процессов. Изготовление источников на чипе (спонтанное четырехволновое смешивание), фазовых сдвигателей и детекторов с использованием основных литейных заводов уже возможно. Такие компании, как PsiQuantum, строят фотонные квантовые компьютеры полностью на кремниевых фотонных чипах, используя процессы, предоставляемые GlobalFoundries. Этот маршрут полностью избегает криогенной проблемы, хотя эффективные однофотонные детекторы все еще требуют сверхпроводящих нанопроводов.

Сочетание сверхпроводящих однофотонных детекторов нанопроводов (SNSPD) с кремниевыми фотонными схемами является активной областью инноваций в области производства. SNSPDs сделаны из нитрида ниобия или гафния пленок; они наносятся и травятся непосредственно поверх кремниевого фотонного слоя. Задача состоит в том, чтобы точно выровнять нанопровод по волноводному ядру с точностью до 10 нм. Недавние результаты MIT и NIST показывают выровненные детекторы с квантовой эффективностью > 90%.

Социальное и промышленное воздействие

Успешная интеграция квантовых вычислений с классическими микропроцессорами откроет возможности, которые в настоящее время недоступны. В криптографии квантово-классические гибридные чипы могут реализовать алгоритм Шора на специализированных ускорителях, сохраняя при этом классический хост для ввода/вывода и безопасности. Открытие лекарств может использовать квантовое моделирование молекулярных взаимодействий с квантовыми частями, изготовленными рядом с классическими процессорами данных. Комплексное моделирование системы - от климатических моделей до финансового риска - станет более точным.

Отрасли, которые полагаются на быстрое моделирование и оптимизацию - аэрокосмическая, автомобильная, логистика - получат прямые выгоды. Однако сдвиг будет постепенным. Первые приложения, вероятно, будут в квантовой оптимизации и квантовом машинном обучении, где классический микропроцессор обрабатывает большую часть рабочей нагрузки, а квантовое ядро решает конкретные подзадачи. Производственные инновации уменьшат стоимость и сложность этих гибридных систем, делая их доступными для большего количества компаний и исследовательских учреждений.

Спрос на передовую упаковку (3D-укладки, TSV) и специализированные материалы (сверхпроводники, криогенные диэлектрики) открывает новые потоки доходов для литейных заводов. Производители оборудования уже разрабатывают инструменты для тонкопленочного осаждения кубитного класса. Мировой рынок оборудования для квантового производства, по прогнозам, превысит 2 миллиарда долларов к 2030 году.

Заключение

Микропроцессорное изготовление для интеграции квантовых вычислений продвигается по нескольким фронтам: литография для создания функций атомного масштаба, гетерогенная интеграция для объединения разрозненных материалов и температурных зон, новые сверхпроводники, которые продлевают когерентность кубитов, и криоадаптированные процессы, которые приближают управляющую электронику к кубитам. Проблемы вокруг когерентности, термоуправления и выхода остаются грозными, но темпы инноваций ускоряются. По мере того, как эти методы изготовления созревают, линия между классическими и квантовыми размытыми, что приводит к появлению систем, которые объединяют лучшее из обоих. Эра гибридных вычислений построена не на прорывах только в физике, но на инженерной дисциплине производства - один слой, один переход, одно соединение за раз.