Нейроморфный чип на карбиде кремния способен работать при температурах, близких к абсолютному нулю

Новый нейроморфный чип, работающий при температурах, близких к абсолютному нулю, может помочь в создании более мощных квантовых компьютеров и обеспечить будущие миссии в глубоком космосе. Credit: Shutterstock

Исследователи из Гонконгского университета (HKU) представили значительное достижение в области криогенной электроники, которое может помочь преодолеть ключевые проблемы в квантовых вычислениях и поддержать будущие миссии в дальний космос. Команда из Департамента электротехники и вычислительной техники HKU и Центра передовых полупроводников и интегральных схем (CASIC) разработала программируемую нейроморфную аппаратную платформу, способную работать при температурах, близких к абсолютному нулю.

Исследование возглавили профессор Юхао Чжан и аспирант Синь Ян. Их работа представляет новый метод генерации и контроля отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) в промышленных МОП-транзисторах на основе карбида кремния (SiC). Используя этот подход, исследователи впервые продемонстрировали, что один транзистор может воспроизводить энергоэффективную «спайковую» активность биологических нейронов при температурах до 10 мК.

Вдохновленное мозгом оборудование для квантовых вычислений

Квантовые компьютеры зависят от сложной управляющей электроники для управления кубитами, которые чрезвычайно чувствительны и должны поддерживаться при милликельвиновых температурах. Существующие кремниевые системы управления потребляют значительную мощность и выделяют нежелательное тепло, что вынуждает размещать их вдали от самих кубитов. Это расстояние создает обширные требования к проводке, что может препятствовать производительности и усложнять создание крупномасштабных квантовых компьютеров.

«Наша работа представляет аппаратную платформу, которая может быть интегрирована вместе с квантовыми процессорами», — сказал профессор Чжан. «Используя уникальную динамику носителей заряда в карбиде кремния, мы можем создавать схемы, которые в тысячи раз энергоэффективнее обычной электроники, значительно снижая тепловую нагрузку на криогенные системы».

Карбид кремния демонстрирует уникальное криогенное поведение

Команда обнаружила, что SiC МОП-транзисторы демонстрируют сильный «S-образный» эффект ОДС при охлаждении ниже 2 К. Это поведение обусловлено ударной ионизацией электрон-донорных пар (EDII). В отличие от других технологий, которые зависят от тепла, генерируемого внутри устройства, недавно обнаруженный механизм возникает непосредственно из атомных свойств материала. В результате он остается высокостабильным и может быть последовательно воспроизведен в разных производственных партиях.

«Это надежный и масштабируемый подход», — сказал г-н Ян. «Поскольку SiC уже используется по всему миру в электромобилях и энергосетях, мы можем использовать существующие промышленные фабрики для производства этих криогенных чипов на 300-мм пластинах».

От искусственных нейронов до миссий в глубокий космос

Исследование также продемонстрировало, что эти искусственные нейроны могут быть связаны вместе, или «каскадированы», в более крупные сети. Эта возможность может обеспечить расширенную локальную обработку данных при криогенных температурах и улучшить важные функции квантовых вычислений, такие как квантовая коррекция ошибок и управление квантовыми системами в реальном времени.

Потенциальные применения выходят далеко за рамки квантовых вычислений. Поскольку схемы предназначены для надежной работы в экстремально холодных условиях, они также могут быть ценными для исследования дальнего космоса. Будущие системы смогут функционировать в суровых условиях, обнаруженных на поверхности Луны или в отдаленных регионах нашей Солнечной системы.

Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications в статье под названием «Криогенные нейроморфные схемы с использованием управляемого затвором отрицательного дифференциального сопротивления в карбиде кремния».

Источники:

Материалы предоставлены Гонконгским университетом.

Синь Ян, Мэттью Портер, Юань Цинь, Зинэн Ян, Хэхэ Гун, Лиян Цзинь, Зичен Си, Хань Ван, Лиянь Чжу, Юхао Чжан, Линьбо Шао. Криогенные нейроморфные схемы с использованием управляемого затвором отрицательного дифференциального сопротивления в карбиде кремния. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-70963-6