GF在量子生态系统中发挥着作用

作者：Dave Lammers戴夫-拉默斯

我第一次见到Sorin Voinigescu是在1995年，当时他带着刚刚获得的博士学位，在国际电子器件会议（IEDM）上介绍了一些在CMOS技术下制作的射频电路的早期工作。

近24年后，Voinigescu在量子计算领域做着同样创新的路径研究，使用GLOBALFOUNDRIES（GF）的22FDX®工艺，研究如何将量子比特与射频控制和读出电路集成在一起。而且Voinigescu看到了量子设备的一种摩尔定律，即按比例缩小的量子比特和支持电路能够在更高的温度下工作，也许就不需要今天低温技术中消耗的稀缺氦气了。

今天的量子设备主要是在毫开温度下运行的约瑟夫森结超导设备，用导线将量子比特连接到控制和测量电子装置。Voinigescu在多伦多大学的实验室正在研究如何创建可以用毫米波信号控制的半导体型量子比特。现今的超导量子比特的量子能量分离水平在5-10GHz范围内。为了操作量子门，微波控制信号需要在该频率，即5-10GHz范围内。

"Voinigescu教授解释说："所有的量子比特，无论实现方式如何，都模拟了一个自旋，而控制是用一个必须与该量子比特的电子自旋共振频率发生共振的信号进行的。他说，一种思考方式是，每个量子门可能需要相当于一个5G手机信号，也许在60GHz范围内。事实上，几年前他就被量子计算领域所吸引，当时他参加了IEDM的一个关于量子计算的会议，并意识到他二十年来在高频电路方面的研究可以在量子计算领域发挥作用。

22FDX在3.3度开尔文的时候

在寻找更高温度的量子计算中，存在他所说的 "三位一体"，即设备必须与任何热量或干扰隔绝。晶体管的栅极宽度越小，激发量子比特栅极所需的频率就越高，它可以在更高的温度下运行。现在，Voinigescu实验室正在研究的基于22FDX的器件的栅极宽度为50纳米（栅极长度为18纳米，而通道厚度为6-7纳米）。随着栅极宽度的减少，可以为量子比特、控制和测量电路使用一个更高的温度环境。

而22FDX工艺最酷的地方（请原谅双关语）是多伦多实验室及其合作伙伴最近发现的：在量子系统所需的极低温度下，有源和无源高频器件的性能实际上有所提高。

多伦多大学团队与GF和工业合作伙伴Lake Shore Cryotronics和Keysight Technologies等合作，在6月于波士顿举行的2019年RFIC会议上报告了如何利用22FDX工艺创建单片集成的双量子点与读出跨阻放大器（TIA），其输出匹配为50Ω。

对于电路设计来说，更重要的是，研究人员发现，在生产型22纳米22FDX技术中创建的所有有源和无源器件的高频性能在3.3度K时得到了改善，多晶硅电阻没有变化，MOM电容器的质量系数得到了改善。

"FD-SOI的独特之处在于，在低频和高频时，电路不会受到去离子化的影响，因为众所周知，散装MOSFET会受到影响。正因为如此，我们基本上可以在低温下获得明显更好的性能，如在低至2开尔文的温度下测量。他说："事实上，我们看到低至60-70开氏度的显著改善，而低于这个温度的性能基本上保持不变。跨导、移动性和fmax都得到了改善，这对太空、卫星和其他低温环境也有重要影响。

在低温下，无论采用何种技术，n-MOSFET 的阈值电压都会增加，p-MOSFET 的阈值电压都会降低。利用 FD-SOI，可以利用后门将 Vts 调整到最佳工作点。可以在室温下设计电路，然后在低温下进行 "验证"，用背栅偏置调整 Vt。Voinigescu说，在室温下找到 "甜蜜点 "的电路，可以将该电流密度保持到开氏2度。

更小的尺寸有助于提高温度

GF公司22FDX和12FDX FD-SOI平台的产品经理Jamie Schaeffer说，量子比特是在六或七纳米的活性层中产生的，为库仑和自旋阻断装置提供了约束，从某种意义上说，这些装置被埋藏的氧化物框住。"我们必须让自旋层相互作用，随着更先进的尺寸，我们可以让这些更接近。当我们从22FDX到12FDX时，较小的尺寸为更高温度的量子计算目标服务，"谢弗说。

在GF公司首席技术官办公室工作的技术专家Nigel Cave说，随着半导体类型的量子比特被放大到更小的尺寸，有可能将量子系统的工作温度从今天系统的10-100毫开尔文提高到4度以上。这将使人们能够使用标准的氦气低温箱而不是稀释低温箱，从而降低成本，并且还可以从系统中去除1-2瓦的总功率。"Cave说："消除更多功率的能力有可能为将Qubits及其控制电路共同集成在同一个基于FDX的设备中铺平道路。

谢弗说，IBM、谷歌、英特尔、微软和其他公司都有大型的量子研究项目在进行。"在我们的案例中，我们相信我们可以为我们的合作伙伴做出一些贡献，这些合作伙伴在量子科学领域正在进行有意义的工作。我们有一个可制造的工具集，利用我们的工艺集成能力是一种获得低成本的方法。"

量子生态系统中的两个阵营

GF副总裁兼高级研究员Ted Letavic说，从万丈高楼平地起，量子计算界可以分为两个阵营：一个是推动创造成千上万个量子比特的方法，以提高量子计算能力；另一个阵营则认为，需要更多地关注如何使用现在存在的大约50-100个量子比特系统，以解决现实世界的问题。

"一派说我们需要成千上万的量子比特，另一派说我们现在有50-100个量子比特系统，不知道该怎么用它们。他说："一个答案是在联合体中提供免费使用，我们可以一起最好地找出如何使用它们，如何创造经济价值并推动我们的经济。

GF拥有 "一些可以提供帮助的关键技术"，在初创企业、大学和其他机构研究不同的方法时，充当他们的铸造厂。Letavic和Cave以及副首席技术官兼全球研发副总裁John Pellerin向能源部提供了意见，能源部在今年早些时候发布了关于如何最好地组织量子信息科学中心（QISCs）的信息请求。

他们认为，虽然目前的探索性研发主要是在非标准的大学实验室进行的，但GF可以为研究人员、初创企业和其他参与QISCs的人提供工艺整合和早期制造工作。与代工厂合作将确保 "旨在释放量子系统前景的设备可以在现有的制造资产中批量制造。"

Letavic指出，与Voinigescu教授一起进行的工作就是一个真实的例子，事实证明FD-SOI器件在开氏4度的I/O条件下具有优势，并有望成为限制在非常薄的FD-SOI层中的四比特晶体管的来源。多伦多的工作使用了在GF德国德累斯顿工厂加工的晶圆穿梭机。

GF还拥有一个硅锗平台，以及硅光子学能力，可以在 "解锁量子的承诺 "中发挥作用。

"Letavic说："我确实相信量子，但它将是对经典计算的补充。"首先进入量子计算基础设施的社会将比其他社会有非常大的经济优势。无论你是站在'让我们追逐最大数量的量子比特'的阵营，还是站在'让我们弄清楚如何最好地利用量子系统以发挥我们的能力'的阵营，GF都在这两个阵营中发挥作用。"