兩家半導(dǎo)體公司量子計算機的故事

幾家量子公司正在討論構(gòu)建量子計算機的戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略利用半導(dǎo)體制造商在過去 75 年中進行的數(shù)萬億美元投資。為了深入挖掘，我們決定與兩家不同的公司進行交談，GlobalFoundrie和 Snowcap Compute，它們正在采取截然不同的方法將其半導(dǎo)體技能應(yīng)用于量子硬件。

格芯

第一家公司是 GlobalFoundries，這是一家跨國半導(dǎo)體代工廠，最初于 2009 年由 AMD 制造業(yè)務(wù)分拆而成。他們在馬耳他、紐約、德國德累斯頓和其他地方設(shè)有主要設(shè)施。

GlobalFoundries正在與多家量子硬件公司合作，包括PsiQuantum、Equal1、Quantum Motion、Diraq、Archer、Xanadu等。他們在量子技術(shù)方面的初步工作可以追溯到 2018 年，當(dāng)時他們與多倫多大學(xué)合作。

自旋量子比特與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體最相似，Equal1、Quantum Motion 和 Diraq 都使用這種模式。對于自旋量子比特，GlobalFoundries可以利用他們的22FDX工藝，這是一種22納米的完全耗盡的絕緣體上硅（FD-SOI）。GlobalFoundries不需要任何新設(shè)備來為這些公司制造自旋量子比特，盡管這些設(shè)計可能需要獨特的結(jié)構(gòu)，從而違反正常的半導(dǎo)體芯片設(shè)計規(guī)則。他們還在考慮使用同位素純硅 28 起始晶圓來改善量子比特相干時間，這不會改變設(shè)備或工藝流程。

構(gòu)建在低溫下運行的CMOS芯片的一個重大挑戰(zhàn)是，用于模擬設(shè)計的工藝模型沒有針對非常低的溫度進行表征。與許多半導(dǎo)體指定的更典型的 0-70 攝氏度（273-343 開爾文）相比，CMOS 晶體管在 15 毫開爾文下工作時可能具有截然不同的電氣特性。這使得設(shè)備建模和仿真變得非常困難。22FDX 工藝的優(yōu)點是其背面連接，允許用戶控制 VT（晶體管閾值電壓）。因此，即使公司無法對低溫下的特性進行建模，他們也可以調(diào)整施加到該背面連接的電壓，直到達到適當(dāng)?shù)木w管特性。除了制造自旋量子比特外，該工藝還可用于量子計算機中的低溫讀出芯片。22FDX工藝在GlobalFoundries位于德國德累斯頓的晶圓廠制造。

他們使用 PsiQuantum 所做的光子工作完全不同。這項工作需要GlobalFoundries在紐約馬耳他工廠中安裝的專用資源，需要數(shù)百萬美元的投資。2022 年 4 月，美國國防部提供了 2500 萬美元來支持 GlobalFoundries/PsiQuantum 合作伙伴關(guān)系。GlobalFoundries與PsiQuantum密切合作，根據(jù)他們的需求開發(fā)了定制工藝，這也產(chǎn)生了其他好處。與PsiQuantum的合作使GlobalFoundries能夠增強其光子工藝，然后可用于為其他客戶提供服務(wù)。

當(dāng)世界級半導(dǎo)體代工廠考慮與量子技術(shù)公司合作時，經(jīng)常出現(xiàn)的一個問題是預(yù)期數(shù)量。這些制造設(shè)施需要數(shù)十億美元的資本投資和大量的工程支持費用。為了盈利，他們需要需要數(shù)千或數(shù)百萬片晶圓的項目才能實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟。盡管量子項目目前還沒有達到這個水平，但GlobalFoundries認為量子技術(shù)非常重要，未來將需要大量的量子。這就是為什么他們現(xiàn)在進行投資，以便在量子行業(yè)的發(fā)展中在為量子行業(yè)提供制造服務(wù)方面占據(jù)領(lǐng)先地位。

Snowcap 計算

我們采訪的第二家公司是一家名為 Snowcap Compute 的初創(chuàng)公司，該公司正在采取一種截然不同的方法，有可能解決量子硬件公司在擴展系統(tǒng)時遇到的問題。

眾所周知，大型數(shù)據(jù)中心的指數(shù)級增長導(dǎo)致電力需求呈指數(shù)級增長。一個大型數(shù)據(jù)中心可能有多達 10,000 到 100,000 臺服務(wù)器，并消耗高達 100 兆瓦的功率來滿足微處理器、GPU、空調(diào)和其他需求。這是電力公司和數(shù)據(jù)中心運營商都關(guān)心的問題，一些公司甚至考慮在數(shù)據(jù)中心旁邊共建一座核電站供電。

Snowcap 最近獲得了 2300 萬美元的種子風(fēng)險投資基金，它正在推廣一種不同的解決方案。他們決定使用另一個基于過冷約瑟夫森結(jié)的邏輯系列，稱為單通量子 （SFQ），而不是提供基于 CMOS 的半導(dǎo)體邏輯。SFQ 將信息存儲為磁通量，而不是在晶體管中流動的電流。重要的是，它在低溫下運行，功率提高了 2-3 個數(shù)量級，運行速度提高了約 10 倍。他們團隊中的一些成員已經(jīng)使用 SFQ 邏輯超過 10 年。他們擁有 28 納米工藝技術(shù)、300 毫米晶圓尺寸的晶圓廠來生產(chǎn)這些電路，并且他們已經(jīng)獲得了 Cadence 的 EDA 支持。

盡管 Snowcap 技術(shù)的主要市場是人工智能數(shù)據(jù)中心，但這項技術(shù)也可能對使用同樣在低溫下運行的超導(dǎo)和自旋量子比特模式的量子硬件公司具有吸引力。GQI 在其報告《通往肖爾時代量子計算之路》中廣泛研究了量子系統(tǒng)在擴展時面臨的挑戰(zhàn)。對于超導(dǎo)和自旋量子比特系統(tǒng)來說，擴展的兩個挑戰(zhàn)很突出：布線和熱量。

通常，控制系統(tǒng)中的量子比特需要每個量子比特一根或多根線。目前大多數(shù)系統(tǒng)使用室溫電子設(shè)備產(chǎn)生控制信號，并將其電線從頂部的室溫到底部的亞開爾文溫度通過稀釋冰箱。當(dāng)量子計算機只有大約 100 個量子比特時，這種方法目前有效，但需要一種新方法將數(shù)千個量子比特放置在單個稀釋冰箱中。有幾家公司正在尋求用于控制的冷凍CMOS芯片，例如英特爾，它為此開發(fā)了Horse Ridge II和Pando Tree芯片。這種方法解決了布線問題，因為只需要將少量電線從室溫控制器布線到冷凍CMOS芯片。就 Pando Tree 而言，該芯片直接位于量子比特芯片旁邊，信號可以通過電路板進行路由。

然而，發(fā)熱問題仍有待解決。盡管控制單個量子比特的功率很低，但當(dāng)乘以數(shù)千個量子比特時，這個數(shù)字可能會顯著增加。這種功率會產(chǎn)生熱量，會壓垮稀釋冰箱的冷卻能力。例如，Bluefors XLD1000冰箱在 20 mK 時的額定冷卻能力為 30 μW。這將限制單個稀釋冰箱內(nèi)可以放置的量子比特數(shù)量，需要多個模塊的大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)所需的尺寸。（對此的詳細分析，詳見上文引用的《通往肖爾時代量子計算之路》）。

這就是 SFQ 邏輯變得相關(guān)的地方。它有可能顯著降低控制量子比特所需的功率，從而允許在稀釋冰箱內(nèi)放置更多量子比特。此外，更快的速度還可以提高系統(tǒng)速度，從而縮短運行時間。一些公司正在使用 SFQ 邏輯。SEEQC 開發(fā)這項技術(shù)已有一段時間了，最近宣布在 DARPA 的量子基準(zhǔn)測試計劃下與 IBM 合作。有傳言稱 D-Wave 正在其基于門的量子計算機程序中考慮 SFQ 邏輯。Snowcap 正在為尋求量子比特擴展問題解決方案的量子公司提供服務(wù)。雖然冷凍CMOS可能是一種可能的解決方案，但使用SFQ方法可能會提供額外的優(yōu)勢。