Исследователи из Гонконгского университета создали программируемую нейроморфную аппаратную платформу, способную работать при температурах всего в несколько тысячных долей градуса выше абсолютного нуля. Разработка основана на обычных транзисторах из карбида кремния, но использует их необычное поведение при сверхнизких температурах. Один такой транзистор удалось заставить имитировать импульсную активность биологического нейрона.
Технология особенно интересна для квантовых компьютеров. Их кубиты приходится охлаждать до температур порядка нескольких милликельвинов, чтобы сохранить квантовые состояния и уменьшить влияние теплового шума. Однако электроника, управляющая кубитами, обычно выделяет слишком много тепла, поэтому её приходится размещать на расстоянии от квантового процессора.
Это создаёт проблему масштабирования. Чем больше кубитов, тем больше требуется проводов между сверххолодной частью системы и внешней управляющей электроникой. Такая архитектура становится сложной, громоздкой и ограничивает возможность создавать квантовые компьютеры с тысячами или миллионами кубитов.
Новый чип может работать непосредственно рядом с квантовым процессором, поскольку сохраняет работоспособность при температуре около 10 милликельвинов. Исследователи считают, что это позволит переносить часть обработки и управления внутрь криогенной среды, уменьшая количество соединений с электроникой, находящейся при более высокой температуре.
Ключевым элементом разработки стали транзисторы SiC MOSFET из карбида кремния. Этот материал давно применяется в силовой электронике, электромобилях и энергетике, поскольку выдерживает высокие напряжения и температуры. Но при охлаждении ниже примерно 2 кельвинов исследователи обнаружили у него необычное электрическое поведение.
В транзисторах появляется выраженный эффект отрицательного дифференциального сопротивления. В определённом диапазоне увеличение напряжения приводит не к росту, а к уменьшению тока. Такая характеристика позволяет создавать схемы, которые ведут себя подобно нейронам: долго накапливают сигнал, а затем резко формируют электрический импульс.
Учёные связывают этот эффект с ударной ионизацией донорных примесей электронами. В отличие от некоторых других способов получения отрицательного дифференциального сопротивления, новый механизм не зависит от разогрева самого устройства. Он обусловлен фундаментальными свойствами материала и поэтому сохраняется даже при экстремально низких температурах.
Это делает технологию особенно подходящей для квантовых систем. Любое дополнительное тепло возле кубитов считается серьёзной проблемой, поскольку может нарушить их состояние. По оценке разработчиков, схемы на основе карбида кремния способны быть в тысячи раз энергоэффективнее обычной управляющей электроники, существенно уменьшая тепловую нагрузку на холодильную систему.
Исследователям удалось использовать один транзистор как искусственный импульсный нейрон. Он способен накапливать входной сигнал и при достижении определённого порога генерировать короткий электрический импульс. Подобный принцип используется в нейроморфных системах, которые пытаются воспроизводить отдельные особенности работы биологических нервных сетей.
Особенно важно, что такие искусственные нейроны можно соединять друг с другом. Команда продемонстрировала возможность каскадирования нескольких элементов, что открывает путь к созданию более сложных нейроморфных сетей непосредственно внутри криогенного оборудования.
Для квантовых компьютеров такие схемы потенциально могут применяться в системах коррекции ошибок и оперативного управления кубитами. Современный квантовый процессор генерирует большое количество измерительных данных, которые нужно анализировать практически мгновенно. Если часть этой обработки происходит рядом с кубитами, задержки и требования к внешним соединениям могут существенно уменьшиться.
Коррекция квантовых ошибок особенно требовательна к скорости. Квантовые состояния нестабильны, поэтому система должна быстро обнаружить ошибку и принять решение о корректирующем действии. Передача всех данных на электронику, находящуюся далеко от кубитов, усложняет этот процесс. Локальная криогенная обработка может стать одним из способов решить проблему.
Ещё одно преимущество карбида кремния связано с производством. Это не экспериментальный материал, который существует только в лабораторных образцах. SiC уже массово используется промышленностью, а для его обработки существуют современные производственные линии. Исследователи считают, что предложенную технологию можно потенциально масштабировать до производства на 300-миллиметровых пластинах.
Это существенно отличает разработку от многих криогенных технологий, которые требуют специализированных материалов или сложных производственных процессов. Использование существующей полупроводниковой инфраструктуры может облегчить переход от лабораторных образцов к более крупным интегральным схемам.
Потенциальные применения не ограничиваются квантовыми компьютерами. Электроника, способная стабильно работать при экстремально низких температурах, может оказаться полезной для космических аппаратов. На поверхности Луны и особенно в дальних областях Солнечной системы оборудование может сталкиваться с очень сильным охлаждением.
Современные космические аппараты часто вынуждены тратить энергию на подогрев электроники, поскольку обычные микросхемы плохо работают при слишком низкой температуре. Криогенные схемы из карбида кремния потенциально могут уменьшить зависимость от таких систем подогрева и снизить энергопотребление будущих миссий.
Особенно интересным может стать сочетание нейроморфной архитектуры и космической электроники. Аппарат, работающий далеко от Земли, должен самостоятельно обрабатывать огромные объёмы информации с датчиков и принимать часть решений без постоянного обмена данными с центром управления. Энергоэффективные нейроморфные схемы хорошо подходят для таких задач.
При этом разработка пока не означает появления полноценного «мозга» для квантового компьютера. Искусственный нейрон на одном транзисторе воспроизводит лишь отдельную электрическую особенность биологической нервной клетки. Для создания сложных вычислительных систем потребуется объединить большое количество элементов, разработать архитектуру сети и доказать её эффективность на реальных задачах.
Тем не менее работа показывает необычный путь развития криогенной электроники. Вместо попытки заставить традиционные схемы работать при экстремальном охлаждении исследователи используют физические эффекты, которые появляются именно в таких условиях. То, что обычно считается проблемой материала, превращается в полезную вычислительную функцию.
Главный результат состоит в том, что стандартный транзистор из карбида кремния может одновременно работать при температуре около 10 милликельвинов и имитировать импульсное поведение нейрона. Если технологию удастся масштабировать, она может помочь разместить энергоэффективную управляющую электронику значительно ближе к квантовым процессорам.
Это способно упростить архитектуру будущих квантовых компьютеров, уменьшить количество проводов, снизить тепловыделение и ускорить обработку сигналов для коррекции ошибок. А способность работать в экстремальном холоде дополнительно открывает перспективы применения подобных чипов в космических миссиях, где обычная электроника требует сложной тепловой защиты.