本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自allaboutcircuits
低溫CMOS電晶體解決了量子計算的兩個關鍵障礙：擴充套件和冷卻成本。
量子計算機硬體開發商 SemiQon 最近開發出一種“低溫 CMOS 電晶體”，據稱該電晶體可在超低溫下高效執行，包括臨界溫度約 1 開爾文。這一訊息代表著低溫電子學的一次飛躍，尤其是在量子計算應用方面。
過去，部署在這種超低溫下的電子元件長期表現不佳。當溫度接近毫開爾文範圍時，傳導電子的熱容量會顯著下降，難以保持穩定的溫度。電子系統與主晶格中的聲子之間的熱耦合也會減弱，使散熱變得複雜。除了寄生熱洩漏和 MOSFET 閾值電壓增加等其他問題外，這還是量子計算的主要障礙。
但隨著 SemiQon 開發出所謂的世界上第一個針對低溫條件下的高效最佳化的電晶體，這一切可能即將改變。
低溫下的傳統半導體
量子電子學通常採用傳統（非量子）電子學作為控制電路，這些電子學無法在如此低的溫度下執行。具體而言，這些低溫會顯著影響傳統半導體的閾值電壓。
大多數半導體器件的額定工作溫度範圍為 -40°C 至 +125°C。當它們在此範圍之外工作時，閾值電壓開始發生變化。當溫度低於 -40°C 時，閾值電壓會顯著增加，需要更大的電壓，功耗更高，速度降低，效能不可靠。
因此，傳統的控制電子器件在室溫下以量子結構的形式儲存，與量子位元物理上分離。這種物理分離的關鍵是龐大而笨重的電纜，這限制了量子系統的可擴充套件性。
克服低溫下的效能瓶頸
在一項名為《量子電子器件的 Millikelvin Si-MOSFET》的研究中，SemiQon 聲稱其新型低溫 CMOS 電晶體與傳統電晶體相比，散熱量減少了 1,000 倍，同時功耗僅為室溫電晶體的 0.1%。從實際角度來看，這種功耗降低可將控制和讀出電子裝置直接置於低溫恆溫器內，與量子處理器本身並列。
對於量子計算而言，這解決了一個關鍵的散熱瓶頸，這一瓶頸阻礙了將量子系統擴充套件到容錯水平的努力。量子計算機需要超低溫條件來保持量子位元相干性。然而，傳統電子裝置會產生熱量，從而破壞量子系統。有了低溫 CMOS 電晶體，電子元件不再需要保持在較高的溫度下，從而防止產生的熱量干擾量子位元的微妙量子態。
這種裝置對量子計算有兩個關鍵優勢。研究人員表示，低溫 CMOS 電晶體不僅使他們能夠將控制電子裝置與處理單元一起直接放入低溫恆溫器中，而且還能消除超冷環境中的熱量。當量子位元的數量超過幾百時，後一個特性尤其重要。
包含數字 CMOS 邏輯塊和量子器件的平面低溫量子 IC 的假彩色 SEM 顯微照片。
SemiQon 低溫 CMOS 電晶體同樣重要的一點或許在於，它可以使用現有的 CMOS 晶圓廠製造；無需額外或專門的基礎設施。這使得 SemiQon 能夠快速擴大生產規模，而無需進行大規模的基礎設施改造，這是半導體開發中常見的挑戰。
量子計算以外的應用
SemiQon 的低溫 CMOS 電晶體不僅限於量子計算應用。還有許多應用需要超低溫操作。
例如，高效能計算系統可以透過降低功耗和冷卻成本從這些電晶體中受益匪淺。同時，在溫度控制具有挑戰性的太空應用中，低溫電晶體可以在為深空敏感儀器或通訊系統供電方面提供競爭優勢。
除了能源效率之外，SemiQon 的工作還可能對資料中心冷卻產生重大影響。到 2030 年，資料中心的冷卻成本預計將上升至 500 億美元以上，研究人員的電晶體提供了一種實用的解決方案，透過大幅降低能耗來降低需要持續冷卻的系統的整體運營成本。
使容錯量子計算成為現實
SemiQon 電晶體的直接影響將體現在量子計算領域，即所謂的容錯性：量子計算機即使在出現錯誤和故障的情況下也能執行可靠計算的能力。由於量子系統固有的脆弱性及其對噪聲和退相干的敏感性，容錯性在量子計算中必不可少。
透過減少對複雜且昂貴的控制電子基礎設施的需求，低溫 CMOS 電晶體還可以提高量子計算機的效率，並減少構建的麻煩。這應該會加快這些系統實現商業可行性的步伐。
SemiQon 的工作是歐洲創新委員會資助的 SCALLOP 專案和歐盟資助的 ArcTIC Chips-JU 專案的一部分。該公司計劃在 2025 年向客戶交付首批電晶體。
4K和77K下執行的電晶體模型
去年，CryoCMOS 聯盟已經展示了可在 4K 和 77K 下執行的電晶體模型，為傳統電子裝置在低溫下執行打開了更多的大門。
新型電晶體以 GlobalFoundries 的 22nm FDSOI 工藝節點 (22FDX) 為模型，該節點可透過反向偏置控制器件閾值電壓。這一新進展主要由 SureCore 主導，該公司以其CryoIP 技術而聞名。CryoIP 是一個 IP 庫，可實現量子計算所需的電子裝置的低溫執行。得益於 22FDX 節點和 CryoIP 的這種增強控制，研究人員模擬了在低至 4K 和 77K 的溫度下仍能保持正常效能的電晶體。
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