CryoCMOS联盟开发4K和77K晶体管模型，以实现CryoIP的开发

由sureCore公司牵头的英国技术战略委员会资助的CryoCMOS创新联盟报告说，它已经成功地创造了新的PDK质量级的晶体管模型，其特点是4K和77K运作。SureCore正在利用这些技术开发关键基础IP，以便设计用于量子计算领域的低温控制ASIC。支持这一活动的关键是由比利时鲁汶-拉-纽夫的Incize进行的精确的低温测量。

(资料图片仅供参考)

Testing inside the cryostat. Photo courtesy of Incize

该项目试图解决的是量子计算带来的挑战：有效控制量子比特，量子比特只能在低温下运行，通常在4K左右，在低温恒温器的范围内。操纵量子比特所需的控制单元通常位于低温恒温器之外，目前只能在接近室温的温度下工作。这是因为按规定硅芯片只在-40℃至125℃(233K至398K)下工作。连接两者需要昂贵而笨重的布线，除了固有的延迟影响外，所有量子比特所需的布线量对量子计算机扩展构成了根本障碍。

如果要实现量子计算的潜力，那么增加量子比特的数量是关键。唯一的解决方案是将控制单元与低温恒温器中的量子比特放在一起。然而，考虑到当前硅芯片的有限温度范围，这目前还无法实现。该项目的目的是了解和模拟在低温下晶体管性能的变化，产生一套重新定义的晶体管模型，然后使用这些模型设计CryoCMOS IP组合，以促进定制芯片的开发，这些芯片可以在低温下直接连接到低温恒温器内部的量子比特。

温度骤降影响晶体管的关键参数之一是阈值电压(Vt)。随着温度的降低，Vt大幅增加，推动晶体管选择低和超低Vt变体(LVt/SLVt)。为了进一步减轻这一设计挑战，本项目选择了GF 22nm FDSOI (22FDX)工艺节点。FDSOI是一种理想的技术选择，可以通过改变后偏置来调整阈值电压，从而实现最佳的低温设计。

获得精确的低温晶体管模型的关键是选择一个可以进行单独晶体管测量的合作伙伴。sureCore首席执行官Paul Wells表示:“我们之所以选择Incize，是因为它是少数几家专门从事低温恒温器条件下精确低温晶体管测量的商业公司之一。你不能在4K低温恒温器中随意重新排列芯片上的探测器。我们对从incise收到的测量数据的质量非常满意。”

Incize首席执行官Mostafa Emam评论道:“很高兴与sureCore和SemiWise在该项目中合作，提供我们的低温表征服务。Incize提供广泛的技术支持服务，包括广泛应用的表征和建模，以及针对高性能半导体器件的制造工艺优化。”

SemiWise使用测量数据开发新的晶体管模型，包括典型(TT)以及corners(Slow-Slow, SS & Fast-Fast, FF)晶体管，这将使可靠的电路设计适用于4K和77K。 SemiWise首席执行官Asen Asenov教授解释说:“标准CMOS的特点是通常的性能参数为-40℃至+125℃。因此，将标准CMOS温度降至4K或-270C是迈向晶体管运作特性显著改变的新领域的重要一步。” SemiWise正在使用测量和模拟数据的组合来重新确定铸工晶体管SPICE模型的低温中心，以便22FDX节点可以用于可靠的低温电路设计。专利的SemiWise重新居中技术允许开发典型和corner晶体管模型以及统计不匹配模型，这些对SRAM设计过程都至关重要。基于这些重新集中的低温晶体管模型，sureCore正在利用其低功耗设计专业知识开发一套功率优化的基础IP，包括标准单元，SRAM, ROM和寄存器文件。低功耗是量子计算领域的一个关键设计标准，因为功耗转化为不受欢迎的热效应，给低温恒温器带来额外的冷却负担。

英国技术战略委员会向CryoCMOS联盟授予了650万英镑的赠款。该项目将有助于使所有英国量子计算公司都可以使用cryo-IP，以便他们在提供量子计算解决方案的竞争中快速跟踪，并使英国成为量子计算的卓越中心。通过组建一个由量子计算领域的主要英国领导人组成的团队，该项目预计能够在不到三年的时间内取得成果，而不是像个体那样工作多年。

sureCore™

sureCore是超低功耗的嵌入式存储器专家，是低功耗创新者，通过超低功耗存储器设计服务和标准IP产品的组合，使IC设计界能够满足苛刻的功耗预算。sureCore的低功耗工程方法和设计流程通过全面的产品和设计服务组合满足了最严格的存储器要求，为客户创造了明显的市场差异。该公司的低功耗产品线包括一系列接近阈值、经过硅验证、以及工艺独立的SRAM IP。

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Incize

Incize是半导体材料和器件表征和建模的强大公司。Incize提供的服务涵盖硅，III-V，压电，介电和二维材料等广泛的技术。Incize支持模拟/混合信号和射频、量子计算、低功耗和高功耗应用的客户端。Incize很荣幸来为晶圆制造商、无晶圆厂和代工公司的客户提供服务。Incize提供的表征和建模服务基于十多年的先进研发，提供最高精度和最先进的技术支持。

www.incize.com info@incize.com

SemiWise

SemiWise开发创新的低功耗CMOS晶体管级IP，提高性能和可变性，并大幅降低功耗。SemiWise还为半导体行业提供模拟服务和咨询，包括无晶圆厂、IEDM和代工厂商。作为SemiWise的首席执行官，Asenov教授是黄金标准模拟(GSS)的创始人，这是格拉斯哥大学2010年的一家初创公司，开发了第一个基于TCAD的设计技术和优化(DTCO)工具链。在2016年被Synopsys收购后，最初由GSS开发的TCAD-to- spice技术现在是Synopsys TCAD产品的一部分，即所谓的TCAD-to- spice流程，并继续由Synopsys在格拉斯哥的研发部门开发。

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

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

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