CryoCMOS聯(lián)盟開發(fā)4K和77K晶體管模型，以實(shí)現(xiàn)CryoIP的開發(fā)

由sureCore公司牽頭的英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會資助的CryoCMOS創(chuàng)新聯(lián)盟報告說，它已經(jīng)成功地創(chuàng)造了新的PDK質(zhì)量級的晶體管模型，其特點(diǎn)是4K和77K運(yùn)作。SureCore正在利用這些技術(shù)開發(fā)關(guān)鍵基礎(chǔ)IP，以便設(shè)計(jì)用于量子計(jì)算領(lǐng)域的低溫控制ASIC。支持這一活動的關(guān)鍵是由比利時魯汶-拉-紐夫的Incize進(jìn)行的精確的低溫測量。

(資料圖片僅供參考)

Testing inside the cryostat. Photo courtesy of Incize

該項(xiàng)目試圖解決的是量子計(jì)算帶來的挑戰(zhàn)：有效控制量子比特，量子比特只能在低溫下運(yùn)行，通常在4K左右，在低溫恒溫器的范圍內(nèi)。操縱量子比特所需的控制單元通常位于低溫恒溫器之外，目前只能在接近室溫的溫度下工作。這是因?yàn)榘匆?guī)定硅芯片只在-40℃至125℃(233K至398K)下工作。連接兩者需要昂貴而笨重的布線，除了固有的延遲影響外，所有量子比特所需的布線量對量子計(jì)算機(jī)擴(kuò)展構(gòu)成了根本障礙。

如果要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的潛力，那么增加量子比特的數(shù)量是關(guān)鍵。唯一的解決方案是將控制單元與低溫恒溫器中的量子比特放在一起。然而，考慮到當(dāng)前硅芯片的有限溫度范圍，這目前還無法實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)目的目的是了解和模擬在低溫下晶體管性能的變化，產(chǎn)生一套重新定義的晶體管模型，然后使用這些模型設(shè)計(jì)CryoCMOS IP組合，以促進(jìn)定制芯片的開發(fā)，這些芯片可以在低溫下直接連接到低溫恒溫器內(nèi)部的量子比特。

溫度驟降影響晶體管的關(guān)鍵參數(shù)之一是閾值電壓(Vt)。隨著溫度的降低，Vt大幅增加，推動晶體管選擇低和超低Vt變體(LVt/SLVt)。為了進(jìn)一步減輕這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，本項(xiàng)目選擇了GF 22nm FDSOI (22FDX)工藝節(jié)點(diǎn)。FDSOI是一種理想的技術(shù)選擇，可以通過改變后偏置來調(diào)整閾值電壓，從而實(shí)現(xiàn)最佳的低溫設(shè)計(jì)。

獲得精確的低溫晶體管模型的關(guān)鍵是選擇一個可以進(jìn)行單獨(dú)晶體管測量的合作伙伴。sureCore首席執(zhí)行官Paul Wells表示:“我們之所以選擇Incize，是因?yàn)樗巧贁?shù)幾家專門從事低溫恒溫器條件下精確低溫晶體管測量的商業(yè)公司之一。你不能在4K低溫恒溫器中隨意重新排列芯片上的探測器。我們對從incise收到的測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量非常滿意?！?/p>

Incize首席執(zhí)行官M(fèi)ostafa Emam評論道:“很高興與sureCore和SemiWise在該項(xiàng)目中合作，提供我們的低溫表征服務(wù)。Incize提供廣泛的技術(shù)支持服務(wù)，包括廣泛應(yīng)用的表征和建模，以及針對高性能半導(dǎo)體器件的制造工藝優(yōu)化?！?/p>

SemiWise使用測量數(shù)據(jù)開發(fā)新的晶體管模型，包括典型(TT)以及corners(Slow-Slow, SS & Fast-Fast, FF)晶體管，這將使可靠的電路設(shè)計(jì)適用于4K和77K。 SemiWise首席執(zhí)行官Asen Asenov教授解釋說:“標(biāo)準(zhǔn)CMOS的特點(diǎn)是通常的性能參數(shù)為-40℃至+125℃。因此，將標(biāo)準(zhǔn)CMOS溫度降至4K或-270C是邁向晶體管運(yùn)作特性顯著改變的新領(lǐng)域的重要一步?！?SemiWise正在使用測量和模擬數(shù)據(jù)的組合來重新確定鑄工晶體管SPICE模型的低溫中心，以便22FDX節(jié)點(diǎn)可以用于可靠的低溫電路設(shè)計(jì)。專利的SemiWise重新居中技術(shù)允許開發(fā)典型和corner晶體管模型以及統(tǒng)計(jì)不匹配模型，這些對SRAM設(shè)計(jì)過程都至關(guān)重要?；谶@些重新集中的低溫晶體管模型，sureCore正在利用其低功耗設(shè)計(jì)專業(yè)知識開發(fā)一套功率優(yōu)化的基礎(chǔ)IP，包括標(biāo)準(zhǔn)單元，SRAM, ROM和寄存器文件。低功耗是量子計(jì)算領(lǐng)域的一個關(guān)鍵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楣霓D(zhuǎn)化為不受歡迎的熱效應(yīng)，給低溫恒溫器帶來額外的冷卻負(fù)擔(dān)。

英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會向CryoCMOS聯(lián)盟授予了650萬英鎊的贈款。該項(xiàng)目將有助于使所有英國量子計(jì)算公司都可以使用cryo-IP，以便他們在提供量子計(jì)算解決方案的競爭中快速跟蹤，并使英國成為量子計(jì)算的卓越中心。通過組建一個由量子計(jì)算領(lǐng)域的主要英國領(lǐng)導(dǎo)人組成的團(tuán)隊(duì)，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)能夠在不到三年的時間內(nèi)取得成果，而不是像個體那樣工作多年。

sureCore?

sureCore是超低功耗的嵌入式存儲器專家，是低功耗創(chuàng)新者，通過超低功耗存儲器設(shè)計(jì)服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)IP產(chǎn)品的組合，使IC設(shè)計(jì)界能夠滿足苛刻的功耗預(yù)算。sureCore的低功耗工程方法和設(shè)計(jì)流程通過全面的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)服務(wù)組合滿足了最嚴(yán)格的存儲器要求，為客戶創(chuàng)造了明顯的市場差異。該公司的低功耗產(chǎn)品線包括一系列接近閾值、經(jīng)過硅驗(yàn)證、以及工藝獨(dú)立的SRAM IP。

www.sure-core.com enquiries@sure-core.com

Incize

Incize是半導(dǎo)體材料和器件表征和建模的強(qiáng)大公司。Incize提供的服務(wù)涵蓋硅，III-V，壓電，介電和二維材料等廣泛的技術(shù)。Incize支持模擬/混合信號和射頻、量子計(jì)算、低功耗和高功耗應(yīng)用的客戶端。Incize很榮幸來為晶圓制造商、無晶圓廠和代工公司的客戶提供服務(wù)。Incize提供的表征和建模服務(wù)基于十多年的先進(jìn)研發(fā)，提供最高精度和最先進(jìn)的技術(shù)支持。

www.incize.com info@incize.com

SemiWise

SemiWise開發(fā)創(chuàng)新的低功耗CMOS晶體管級IP，提高性能和可變性，并大幅降低功耗。SemiWise還為半導(dǎo)體行業(yè)提供模擬服務(wù)和咨詢，包括無晶圓廠、IEDM和代工廠商。作為SemiWise的首席執(zhí)行官，Asenov教授是黃金標(biāo)準(zhǔn)模擬(GSS)的創(chuàng)始人，這是格拉斯哥大學(xué)2010年的一家初創(chuàng)公司，開發(fā)了第一個基于TCAD的設(shè)計(jì)技術(shù)和優(yōu)化(DTCO)工具鏈。在2016年被Synopsys收購后，最初由GSS開發(fā)的TCAD-to- spice技術(shù)現(xiàn)在是Synopsys TCAD產(chǎn)品的一部分，即所謂的TCAD-to- spice流程，并繼續(xù)由Synopsys在格拉斯哥的研發(fā)部門開發(fā)。

https://www.synopsys.com/silicon/tcad.html.

www.semiconductorwise.com asen.asenov@glasgow.ac.uk +44 07523 293 782

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