Piikarbidi-transistori käyttäytyy hermosoluna kylmässä

Kuvittele yksittäinen transistori, joka laukeaa kuin hermosolu, kun se jäähdytetään lähes absoluuttiseen nollaan. Outo? Kyllä. Hyödyllinen? Erittäin hyödyllinen.

Hongkongin yliopiston tutkijat ovat ohjanneet perinteisiä piikarbidi (SiC) -laitteita käyttäytymään uudella tavalla kryogeenisissä lämpötiloissa, jolloin yksittäinen transistori tuottaa impulssimaisia, hermosoluja muistuttavia piikkejä. Tämä työ voi muuttaa kvanttiprosessorien ohjausta ja sitä, miten elektroniikka kestää avaruuden syvän kylmyyden.

Löydön ytimessä on tuttu komponentti: SiC MOSFET. Mutta äärimmäisessä jäähdytyksessä, noin 10 millikelviniin asti, nämä transistorit eivät enää toimi tavallisina kytkiminä. Ne kehittävät voimakkaan S-muotoisen negatiivisen differentiaaliresistanssin, jota ajaa elektronien aiheuttama törmäysionisaatio. Lyhyesti: laite siirtyy energiaa säästävään impulssitilaan, joka jäljittelee hermosoluimpulsseja.

Miksi tällä on merkitystä? Kvanttibitit toimivat millikelvin-lämpötiloissa ja ovat erittäin herkkiä lämmölle. Nykyiset klassiset ohjaimet tuottavat liikaa hukkalämpöä ja niiden täytyy olla metrejä kaukana, kytkettyinä johtoviidakolla, joka tukkii skaalautuvuuden. Ohjauselektroniikan sijoittaminen kylmään voisi vähentää johdotusta ja lämmönkuormaa. HKU:n tiimi sanoo, että heidän piirinsä voivat olla tuhansia kertoja energiatehokkaampia kuin matalissa lämpötiloissa käytettävät tavalliset elektroniset järjestelmät, mikä vähentää merkittävästi kryostaattien lämpökuormaa.

On myös toinen käytännön etu. Kryogeeninen piikkikäyttäytyminen johtuu piikarbidiin liittyvistä sisäisistä kantajadynamiikoista, ei heikoista lämpövaikutuksista. Se tekee ilmiöstä kestävän tuotantosarjojen yli. SiC on jo käytössä sähköajoneuvoissa ja teholaitteissa, joten nämä neuromorfiset kryopiirit voidaan periaatteessa valmistaa 300 mm:n kiekkoina nykyisissä tehtaatiloissa.

Yhden laitteen ulkopuolella tutkijat osoittivat, että näistä transistoreista rakennetut keinotekoiset neuronit voidaan kytkeä sarjaksi verkoiksi. Paikallinen signaalinkäsittely kylmätilassa avaa ovia nopeampaan kvanttivirheenkorjaukseen ja reaaliaikaisiin säätösilmukoihin, joita nykyiset arkkitehtuurit hankaloittavat. Koska piirien tiedetään kestävän äärimmäistä kylmyyttä, ne voisivat toimia myös kuulentokoneissa tai ulomman aurinkokunnan luotaimissa, joissa elektroniikan on kestettävä Maata paljon alhaisempia lämpötiloja.

Hanke tuli HKU:n sähkö- ja tietotekniikan osastolta sekä Edistyneiden puolijohteiden ja integroitujen piirien keskuksesta, jota johti professori Yuhao Zhang yhdessä tohtoriopiskelija Xin Yangin kanssa. Heidän löydöksensä, julkaistu Nature Communicationsissa, osoittavat tien, jossa neuromorfiset ideat ja kvanttialusta yhdistyvät kryotekniikan puitteissa.

Se ei ole valmis tuote. Se on uusi työkalu. Kun transistori alkaa käyttäytyä kuin hermosolu syvässä pakkasessa, kuva siitä, mitä voimme rakentaa kvanttikonetta ja kylmässä toimivia avaruuslentoja varten, alkaa muuttua.