Российские ученые открыли метод и разработали технологию создания логических элементов вычислителей на новых физических принципах с точностью до ±0,2 ангстрема, т.е сопоставимой с размером атома. Новая отечественная разработка позволяет серийно производить квантовые процессоры с тысячами кубитов, что открывает дорогу к практически полезным гибридным суперкомпьютерам.
Шухов.Нано — нанотехнологический центр кластера Квантум Парк МГТУ им. Н.Э. Баумана, создаваемый совместно с ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова», — представил субангстремную технологию изготовления процессоров следующего поколения (1 ангстрем (Å) = 0,1 нанометра (нм) ≈ диаметр атома). Благодаря разработанной iDEA технологии в России смогут серийно изготавливать квантовые процессоры с тысячами кубитов (сверхпроводниковых искусственных атомов) с точно заданными параметрами, что ускорит переход к практически полезным гибридным суперкомпьютерам, сообщила пресс-служба МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Современные процессоры для суперкомпьютерных вычислений, графической обработки и искусственного интеллекта могут содержать десятки и даже сотни миллиардов транзисторов на одном кремниевом чипе. «Сжать» транзистор до размеров атома — рубеж, к которому сегодня стремятся мировые лидеры. Однако в ангстремную эру КМОП-технологий вступают лишь избранные: в 2025 году Intel представил технологию Intel 18Å (1,8 нм), Samsung готовит техпроцесс SF2 на 12 Å (1,2 нм), а TSMC разрабатывает N2 — на 20 Å (2 нм). Помимо физических размеров транзисторов, а в перечисленных техпроцессах они доходят до 12-14 нм, ключевым параметром является толщина подзатворного диэлектрика — в диапазоне 1,5-2 нм. Лучшие производители научились контролировать ее с точностью до ±0,2 нм (±2 ангстрема).
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.
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», — рассказал Илья Родионов, руководитель кластера Квантум Парк. — Квантовый процессор — это единый механизм, объединяющий десяток топовых технологий, и каждая должна работать, как часы. Сегодня мы представляем критическую метод управления параметрами кубитов. Наше открытие — это путь к практически полезным квантовым вычислениям. Да, он непростой и довольно длинный, но мы ускоряемся!».
Частота кубитов задается 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, — отметил 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».
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%.
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.
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: результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances. Достижение команды МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА» выводит российские пост-КМОП технологии на лидерские позиции в мире.
