В России создана технология изготовления процессоров с точностью до 0.2 ангстрема1
Российские исследователи из МГТУ им. Баумана и ВНИИА разработали технологию iDEA для создания элементов вычислительных устройств с точностью до ±0,2 ангстрема (1 ангстрем (Å) = 0,1 нанометра (нм) ≈ диаметр атома). Эта технология позволяет производить квантовые процессоры с тысячами кубитов, что может ускорить создание гибридных суперкомпьютеров.
Результаты применения технологии iDEA при обработке кубитных схем квантовых вычислителей
Современные процессоры содержат миллиарды транзисторов на одном чипе. Основные производители работают над уменьшением их размеров: Intel разрабатывает 1,8 нм технологию, Samsung - 1,2 нм, TSMC - 2 нм. Важным параметром является толщина подзатворного диэлектрика (1,5-2 нм), которую научились контролировать с точностью ±0,2 нм, сообщает пресс-служба МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Дальнейшее уменьшение размеров транзисторов потребует разработки новых физических принципов их работы, и такие исследования ведутся уже более 20 лет. Гибридные компьютеры, объединяющие возможности современных КМОП технологий и сопроцессоров на новых физических принципах (пост-КМОП), могут обеспечить колоссальный рост производительности. Появление таких компьютеров полностью изменит нашу жизнь: от лекарств и транспорта до освоения дальнего космоса.
Сверхпроводниковые квантовые сопроцессоры — лидирующая пост-КМОП платформа и многие ведущие страны (США, Китай, Япония, страны ЕС и др.) реализуют на ней свои гибридные системы обработки информации. Они состоят из искусственных атомов — сверхпроводниковых кубитов, которые изготавливаются на кремниевых чипах, почти как современные КМОП процессоры. Однако в квантовых сопроцессорах требования к точности изготовления кубитов на порядок выше — искусственные атомы должны быть одинаковыми — практически идеальными как в природе, только созданные руками человека.
Именно такую возможность предоставляет российская iDEA технология (от англ. ion beam-induced DEfects Activation — активация дефектов фокусированными ионами), разработанная в Шухов.Нано. Она позволяет формировать элементы кубитов на основе туннельных диэлектриков толщиной 0,8-2 нм с точностью ±0,2 Å (±0,02 нм). Такую точность гарантирует принципиально новый физический принцип управления толщиной туннельного диэлектрика кубита. При его облучении ионами генерируются дефекты в кристаллической решётке, которые провоцируют сверхточное изменение толщины выбранного технологом интерфейса «металл-оксид», что критически важно для практического применения квантовых компьютеров.
iDEA отжиг сверхпроводниковых кубитов с субангстремной точностью
Одним из основных препятствий на пути к практически полезным квантовым вычислениям являются ошибки двухкубитных операций, часто вызванные неверно выставленной частотой кубитов. При совпадении частот энергетических уровней кубитов и элементов квантовых схем возникают перекрёстные помехи — потери энергии из вычислительной квантовой системы, нежелательный обмен энергией между несколькими кубитами и т.п. По мере роста числа кубитов на чипе вероятность таких перекрёстных помех и ошибок увеличивается экспоненциально.
«Ранее одинаковые атомы могла создавать только природа — это было за гранью доступных технологий. Мы могли изготовить хоть 100 кубитов на уровне полупроводниковой фабрики, но даже малейший разброс размеров в ±5 нм или толщины туннельного барьера в доли нанометра по чипу приводит к недопустимым ошибкам для некоторых кубитов», — рассказывает Илья Родионов, руководитель кластера Квантум Парк. — Квантовый процессор — это единый механизм, объединяющий десяток топовых технологий, и каждая должна работать, как часы. Сегодня мы представляем критический метод управления параметрами кубитов. Наше открытие — это путь к практически полезным квантовым вычислениям. Да, он непростой и довольно длинный, но мы ускоряемся!».
Частота кубитов задаётся параметрами туннельного диэлектрика джозефсоновских переходов. Любое отклонение толщины диэлектрика — вплоть до атома — существенно изменяет спроектированные частоты кубитов, они «уплывают», разрушая все расчёты разработчиков квантовых процессоров и снижая точность вычислений.
Технология iDEA, разработанная в Шухов.Нано, позволяет контролируемо и с точностью до «доли атома» (±0,2 ангстрема) управлять эффективной толщиной диэлектрического слоя — довести джозефсоновский переход до идеала. Для этого структура облучается одиночными ионами гелия или неона. В процессе обработки ионы инертных газов ювелирно модифицируют кристаллическую решётку материала, доводя толщину диэлектрика до проектной с субангстремной точностью. Процесс полностью автоматизирован и занимает всего одну секунду на кубит.
«Сам процесс просчитывается и моделируется заранее — на уровне отдельных молекул, — отмечает Никита Смирнов, ведущий разработчик сверхпроводниковых квантовых процессоров Квантум Парка. — После этого мы «тюнингуем» изготовленные кубиты на нужную частоту, приближая выход годных квантовых схем к 100%. Мы обеспечиваем отклонение от проектной частоты кубита не более ±0,35%, и это позволяет переходить к многокубитным квантовым процессорам и симуляторам».
Разработанная серийная технология позволяет изменять частоту кубитов в диапазоне от 10 до 400 МГц (от 0,2 до 10%) в составе многокубитных квантовых процессоров. Обеспечить разброс частот кубитов в 0,35% (±17МГц) по чипу с локальной обработкой радиусом менее 10 нм сегодня в мире возможно только с применением iDEA подхода. Более того, метод не влияет на когерентные свойства квантовых систем, с его помощью изготовлены самые высококогерентные кубиты-трансмоны в России, «время жизни» которых после iDEA отжига превысило 500 мкс (уровень ведущих мировых компаний). Технология апробирована при создании серии сверхпроводниковых квантовых сопроцессоров и реализации на них квантовых алгоритмов для решения задач материаловедения.
В IBM Quantum посчитали, что для используемой архитектуры текущий уровень их технологии (±14-18 МГц) позволит изготавливать квантовые процессоры с 300 кубитами. С помощью iDEA метода уже сегодня понятно, как превзойти уровень точности ±10 МГц, кроме того, архитектура ВНИИА/МГТУ накладывает менее строгие ограничения на частоты. Это позволит создавать российские квантовые процессоры с 1000 и более кубитов — идеальных искусственных атомов с выходом годных близким к 99%.
Российские технологии процессоров нового поколения
Технология обработки искусственных атомов фокусированным ионным пучком предложена впервые в мире. Конкурирующие разработчики гибридных сопроцессоров используют альтернативные способы, например, лазерный отжиг, электронное облучение или электрическую обработку. Эти методы отличаются на порядки большей площадью воздействия и не дают возможности обработать близкие структуры нанометровых размеров. Выигрыш ещё и в производительности: одна секунда на кубит (технология Шухов.Нано) против десятков секунд для технологии лазерного отжига (IBM Quantum) и сотен секунд — для электрической обработки (Rigetti). iDEA точнее, быстрее и не повреждает соседние элементы — критическое преимущество при масштабировании.
Не только в квантах
Технология iDEA может применяться для изготовления других пост-КМОП процессоров, использующих скрытые диэлектрические слои. В их числе транзисторы и мемристоры, магнитные скирмионы — ключевые компоненты вычислителей следующего поколения и систем ИИ. Разработанный метод открывает путь к практическому применению пост-КМОП архитектур, необходимых для преодоления физических и энергетических ограничений классических полупроводниковых процессоров.
Российская разработка оценена научным сообществом: статья с результатами исследований опубликована ведущим издательством Science. Достижение команды МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА» выводит российские пост-КМОП технологии на лидерские позиции в мире.
