英特爾發(fā)布首款硅自旋量子芯片：基于12吋CMOS工藝，良率達(dá)95%！

繼去年10月英特爾宣布成功以現(xiàn)有硅半導(dǎo)體技術(shù)生產(chǎn)自旋量子計(jì)算芯片之后，當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月15日，英特爾正式發(fā)布了一款名為“Tunnel Falls”的硅自旋量子芯片，雖然只有12量子比特（quantum bit），但這是英特爾嘗試開發(fā)出超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手計(jì)算硬件的關(guān)鍵一步。

據(jù)介紹，英特爾將于美國(guó)奧勒岡州的 D1 制造工廠利用其最先進(jìn)半導(dǎo)體制造技術(shù)（例如EUV以及柵極和接觸處理技術(shù)）在300毫米晶圓上生產(chǎn)Tunnel Falls量子芯片。

英特爾量子硬件總監(jiān)Jim Clarke表示：“Tunnel Falls 是英特爾迄今為止最先進(jìn)的硅自旋量子比特芯片，它借鑒了公司數(shù)十年的晶體管設(shè)計(jì)和制造專業(yè)知識(shí)。新芯片的發(fā)布是英特爾構(gòu)建全棧商用量子計(jì)算系統(tǒng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略的下一步。雖然在容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的道路上仍然存在必須解決的基本問(wèn)題和挑戰(zhàn)，但學(xué)術(shù)界現(xiàn)在可以探索這項(xiàng)技術(shù)并加速研究發(fā)展?！?/p>

基于自旋電子的量子芯片

我們都知道，當(dāng)電荷打開或關(guān)閉調(diào)節(jié)電子流動(dòng)的門的時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)的CPU會(huì)將其讀取為0或1。同樣的道理，原子中的電子除了以極高速度在核外空間運(yùn)動(dòng)之外，也還有自旋運(yùn)動(dòng)。電子有兩種不同方向的自旋，即順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较虻淖孕?，它決定了電子自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向上的分量，通常用向上和向下的箭頭來(lái)代表，即朝上代表正方向自旋電子，朝下代表逆方向自旋電子。英特爾的自旋量子芯片就是基于自旋電子的特性，而這里的自旋量子數(shù)就是描述電子自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子數(shù)。

通過(guò)精確控制電子“朝上”或“朝下”自旋的特性，將這些朝相反方向旋轉(zhuǎn)的電子排列在薄膜等物質(zhì)上，形成磁場(chǎng)，當(dāng)你把自旋方向設(shè)定為“上”，將其定義為“1”，然后將其置于磁場(chǎng)中使方向改變180度，那么它就從“1”變成了“0”；如果改變360度，那么它就維持“1”不變。我們就得到了電子計(jì)算需要的“０”和“1”。這也使得自旋電子技術(shù)可以被應(yīng)用到存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理當(dāng)中。

其實(shí)，自旋電子學(xué)誕生至今已經(jīng)有二十多年。1997年國(guó)際商用機(jī)器公司就利用自旋電子學(xué)原理生產(chǎn)出了新型磁頭，正是這種磁頭使電腦硬盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量在過(guò)去幾年內(nèi)提高了40倍。眾多的芯片制造商也認(rèn)為，自旋電子學(xué)技術(shù)可以被用于下一代的計(jì)算芯片當(dāng)中。

而基于自旋電子學(xué)原理構(gòu)建出來(lái)的計(jì)算芯片，其運(yùn)算速度將大大快于今天的半導(dǎo)體芯片，而且能耗極低，幾乎不發(fā)熱。因?yàn)樵跊](méi)有恒定電源的情況下，自旋電子器件可以保持其磁性，這是傳統(tǒng)硅存儲(chǔ)器芯片仍然需要的。由于它們不需要恒定電源，因此自旋電子設(shè)備可以在超低功率水平下運(yùn)行。與傳統(tǒng)的芯片相比，這些器件產(chǎn)生的熱量要少得多。

但是，基于自旋電子技術(shù)的芯片的納米級(jí)結(jié)構(gòu)中不可避免的缺陷也將改變它們的動(dòng)量，并且由于動(dòng)量影響旋轉(zhuǎn)，電子的速度或軌跡的變化可以在它們被處理器讀取之前改變它們的預(yù)期自旋狀態(tài)，可能導(dǎo)致亂碼。另外，還需要使得電子的自旋方向必須能被輕易改變，又能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地保持這一方向。這也使得要研制出采用這種技術(shù)的計(jì)算芯片變得非常的困難。

不過(guò)，近年的研究發(fā)現(xiàn)，采用鉍氧化銦的材料來(lái)作為晶體材料，可以具有一組原子對(duì)稱性，可以將電子的旋轉(zhuǎn)固定在某個(gè)方向上，與其動(dòng)量無(wú)關(guān)。而鉍氧化銦的原子對(duì)稱性也存在于其他晶體材料中，這也意味著通過(guò)新的晶體材料，工程師可以使用電壓來(lái)控制電子旋轉(zhuǎn)，而不必?fù)?dān)心缺陷如何會(huì)影響電子的動(dòng)量。這也為基于自旋電子技術(shù)構(gòu)建的量子計(jì)算芯片打開了大門。

英特爾的自旋量子技術(shù)布局

早在2018年，英特爾在和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員在《自然》雜志上發(fā)表的一篇論文中，就公布了他們的自旋電子學(xué)研究進(jìn)展。論文介紹一種結(jié)合了自旋電子技術(shù)的名為“磁電旋轉(zhuǎn)軌道”（MESO）的邏輯元件，采用了多鐵性材料（具有氧、鉍和鐵原子的晶格）和拓?fù)洳牧?，提供有利的電磁屬性，以便可存?chǔ)信息和邏輯運(yùn)算。

在這篇論文中，研究人員指出，他們已將多鐵電磁電開關(guān)所需的電壓從3伏降低到500毫伏，并預(yù)測(cè)應(yīng)該可以將其降低到100毫伏。這只相當(dāng)于傳統(tǒng)CMOS晶體管所需電壓的五分之一到十分之一。較低的電壓意味著較低的能耗：將位從1切換為0的總能量將是CMOS所需能耗的十分之一到三十分之一。

同時(shí)研究人員還表示，相對(duì)于傳統(tǒng)的基于CMOS的處理器來(lái)說(shuō)，基于MESO的處理器能夠提供10到100倍能效。因?yàn)樗麄儫o(wú)需激活即可保留信息，所以還可以在設(shè)備閑置時(shí)提供更加節(jié)能的睡眠模式。此外，基于MESO的邏輯運(yùn)算速度也比CMOS高出五倍，延續(xù)了單位面積計(jì)算力提升的趨勢(shì)。

按照上面的數(shù)據(jù)換算來(lái)看，英特爾利用自旋電子技術(shù)可以在保持現(xiàn)有的CMOS芯片的性能下，將芯片尺寸縮小到目前尺寸大小的五分之一，并將降低能耗90-97%。

2022年10月，英特爾宣布成功以現(xiàn)有硅半導(dǎo)體技術(shù)生產(chǎn)了其第二代自旋量子計(jì)算芯片。該芯片由美國(guó)俄勒岡州英特爾Ronler Acres晶體管研發(fā)單位Gordon Moore Park開發(fā)，是業(yè)界最大硅自旋量子運(yùn)算芯片，量產(chǎn)芯片切出裸晶也表現(xiàn)高度均勻性，整個(gè)芯片良率有95%以上。這也正是此次發(fā)布的硅自旋量子芯片Tunnel Falls的技術(shù)基礎(chǔ)。

當(dāng)時(shí)，該硅自旋量子運(yùn)算設(shè)備也使用專門設(shè)計(jì)的量子低溫探測(cè)器 Cryoprober 進(jìn)行了測(cè)試，該設(shè)備在極低的溫度（1.7 開爾文或 -271.45 攝氏度）下運(yùn)行，以保持量子比特的穩(wěn)定性，從而使其可用于計(jì)算目的。測(cè)試確認(rèn)該硅自旋量子運(yùn)算設(shè)備可以穩(wěn)定運(yùn)行。

Tunnel Falls量產(chǎn)有何意義？

英特爾此次發(fā)布的硅自旋量子芯片Tunnel Falls同樣也利用了先進(jìn)的 CMOS 生產(chǎn)線，使得英特爾能夠使用創(chuàng)新的過(guò)程控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和性能。

具體來(lái)說(shuō)，具有12 量子位的Tunnel Falls芯片在300mm晶圓上的制造，可以實(shí)現(xiàn)95% 的晶圓良率和類似于 CMOS 邏輯工藝的電壓均勻性，每個(gè)晶圓生產(chǎn)出超過(guò) 24,000 個(gè)量子點(diǎn)器件。這些 12 量子點(diǎn)器件可以形成 4 到 12 個(gè)量子位，這些量子位可以被隔離并同時(shí)用于操作，具體取決于大學(xué)或?qū)嶒?yàn)室如何運(yùn)行其系統(tǒng)。

△Tunnel Falls是在300毫米晶圓上制造，利用英特爾最先進(jìn)的晶體管制造能力，如極端紫外光刻(EUV)和先進(jìn)的材料加工技術(shù)，使其成為一個(gè)單電子晶體管，并允許英特爾在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯處理線進(jìn)行很少改動(dòng)的情況下，制造Tunnel Falls。

雖然在英特爾之前，不少?gòu)S商都推出了超過(guò)100量子比特的量子計(jì)算機(jī)，比如，IBM在2022 年 11 月的IBM 量子峰會(huì)上就發(fā)布了一款400+ 量子比特的量子處理器Osprey，其包含了433個(gè)稱為transmon的量子位，它們本質(zhì)上是超導(dǎo)諧振器，可以存儲(chǔ) 0 或 1 個(gè)微波光子。可以通過(guò)從處理器外部向它們施加不同頻率的微波脈沖來(lái)操縱這些量子位。這款量子芯片雖然也是使用了傳統(tǒng)CMOS工藝中所謂的后端布線相同的技術(shù)，然而所有這些技術(shù)都必須修改為使用低溫超導(dǎo)金屬。

據(jù)IBM 的物理學(xué)家兼首席量子硬件架構(gòu)師 Oliver Dial介紹，“向IBM的量子處理器輸送微波信號(hào)的電纜是一個(gè)特別的問(wèn)題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)導(dǎo)電良好的東西也會(huì)導(dǎo)熱，從而損害我們冰箱的絕緣性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們的Eagle處理器（之前IBM已推出的127量子位的處理器）使用了600多條電纜，每條電纜都是手工組裝、布線和測(cè)試。在Osprey中，我們用使用標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板技術(shù)制作的柔性帶狀電纜取代了大部分這些電纜。這些電纜中的每一條都取代了許多單獨(dú)的電纜、連接器和組件簡(jiǎn)化了我們的設(shè)計(jì)，從而提高了處理器的可靠性?！奔幢闳绱耍琁BM的量子處理器制造依然非常復(fù)雜。

△IBM 433量子比特處理器Osprey

英特爾的Tunnel Falls雖然只有12個(gè)量子比特，但是得益于其所采用的硅自旋量子技術(shù)，使得其每個(gè)量子比特可以做的足夠小，并只需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯處理線進(jìn)行很少改動(dòng)的情況下就能夠大批量且相對(duì)低成本的生產(chǎn)，這也意味著未來(lái)英特爾能夠?qū)⒏嗟牧孔?/span>比特集成到一顆芯片當(dāng)中，并且能夠省去了在多個(gè)量子芯片上糾纏硬件的需求。相比之下，目前大多數(shù)其他量子芯片生產(chǎn)努力一次只能制造一個(gè)。

△Tunnel Falls的板級(jí)設(shè)計(jì)的也非常簡(jiǎn)單

△Tunnel Falls的板級(jí)設(shè)計(jì)局部放大

英特爾量子硬件總監(jiān)Jim Clarke表示，他對(duì)英特爾公司的制造能力有足夠的信心，他預(yù)計(jì)到2027年，英特爾能夠推出擁有數(shù)千個(gè)足以糾錯(cuò)的量子比特的量子芯片。

接下來(lái)，英特爾還將不斷努力提高 Tunnel Falls 的性能，并通過(guò)英特爾量子軟件開發(fā)套件 (SDK) 將其集成到其完整的量子堆棧中。此外，英特爾已經(jīng)在開發(fā)基于 Tunnel Falls 的下一代量子芯片，預(yù)計(jì)2024年發(fā)布。

在生態(tài)建設(shè)方面，英特爾已經(jīng)將 Tunnel Falls 芯片提供給量子研究社區(qū)。此外，英特爾還與馬里蘭大學(xué)物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)室 (Laboratory for Physical Sciences，LPS)、帕克學(xué)院量子位合作實(shí)驗(yàn)室 (LQC) 以及國(guó)家級(jí)量子信息科學(xué) (QIS) 研究中心合作，以推進(jìn)量子計(jì)算研究。未來(lái)，英特爾計(jì)劃與全球更多的研究機(jī)構(gòu)合作，共建量子生態(tài)系統(tǒng)。

編輯：芯智訊-浪客劍