- Imec hat einen neuen Weltrekord für die Dichte von supraleitenden Schaltkreisen aufgestellt, mit 3,8 Millionen Josephson-Kontakten pro Quadratzentimeter.
- Die neuen Schaltkreise verwenden Niob-Tantal-Nitrid und ermöglichen die Unterbringung von mehr Rechenelementen auf kleinem Raum.
- Supraleitende Systeme unterstützen eine hohe Rechen- und Bandbreitendichte, was besonders für Rechenzentren wichtig ist.
- Imec entwickelt Technologien, die mit bestehenden Halbleiterfertigungsmethoden integriert werden können.
Imec hat einen neuen Weltrekord für die Dichte von supraleitenden Schaltkreisen aufgestellt, indem es 3,8 Millionen Josephson-Kontakte auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter untergebracht hat. Das Forschungszentrum hat zudem supraleitende Drähte mit einer Breite von nur 30 Nanometern hergestellt. Diese Ergebnisse wurden auf der Applied Superconductivity Conference (ASC) 2026 vorgestellt und könnten den Weg für die Erweiterung supraleitender Technologien in zukünftige Hochleistungsrechensysteme ebnen und gleichzeitig die hohen Arbeitslasten moderner US-amerikanischer Rechenzentren unterstützen.
Materialien und Design der neuen Schaltkreise
Die neuen Schaltkreise verwenden Niob-Tantal-Nitrid (NbTiN), das von Imec auf drei Metallschichten aufgebaut wird. Der kleinste Josephson-Kontakt hat einen Durchmesser von nur 150 Nanometern. Diese winzigen Komponenten ermöglichen es Ingenieuren, mehr Rechenelemente auf kleinerem Raum unterzubringen. Josephson-Kontakte ähneln sehr schnellen elektronischen Schaltern, die Signale mit minimalem Energieverbrauch verarbeiten können. Diese Effizienz macht supraleitende Schaltkreise für Hochleistungsrechnen attraktiv. Imec erwartet, dass diese Technologie letztendlich im Vergleich zu herkömmlichen CMOS-Chips zu einer erheblichen Energieeinsparung führen könnte.
Supraleitende Systeme unterstützen auch eine höhere Rechen- und Bandbreitendichte. Mit der zunehmenden Verarbeitung immer anspruchsvollerer Arbeitslasten in Rechenzentren werden diese Vorteile immer wichtiger. Dieser Ansatz ist besonders nützlich für Rechensysteme, bei denen die Datenübertragung viel Strom verbraucht. Supraleitende Schaltkreise können Signale mit extrem hoher Geschwindigkeit verarbeiten und so einige Verluste reduzieren.
Vorteile und Herausforderungen supraleitender Schaltkreise
Imec hat auch dreischichtige NbTiN-Verbindungen präsentiert, wobei die schmalsten Drähte nur 30 Nanometer breit sind, was etwa einem Zehntel der Breite der Drähte ist, die in herkömmlicher Niob-basierter Supraleitertechnologie verwendet werden. Kleinere Drähte helfen Ingenieuren, mehr Verbindungen auf den gleichen Raum zu quetschen, die Signale zwischen verschiedenen Teilen des Schaltkreises übertragen und Komponenten über mehrere Schichten hinweg verbinden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Supraleitermaterialien ist, dass sie Strom bei extrem niedrigen Temperaturen nahezu widerstandsfrei übertragen, was bedeutet, dass Signale sich innerhalb des Systems mit minimalem Energieverlust bewegen, was Ingenieuren hilft, den wachsenden Energiebedarf großer Rechensysteme zu bewältigen.
Imec kann auch die elektrischen Eigenschaften seiner Kontakte und Drähte anpassen, was Ingenieuren eine größere Flexibilität bei der Gestaltung von Schaltkreisen für verschiedene Anwendungen bietet. Imec nutzt 300-Millimeter-Halbleiterfertigungsprozesse zur Entwicklung dieser Technologie, was der Wafergröße entspricht, die in der modernen Chipproduktion weit verbreitet ist. Diese Kompatibilität könnte es der Forschung erleichtern, mit bestehenden Halbleiterfertigungsmethoden zu integrieren und gleichzeitig den Weg für den Bau größerer und komplexerer supraleitender Schaltkreise zu ebnen.
Das Forschungszentrum führt auch Untersuchungen zur 2,5D- und 3D-Integration durch, die es ermöglichen, dass verschiedene Komponenten in einem hochintegrierten System zusammenarbeiten. Richard Rouse, Leiter des Imec Supraleitenden Digitalprogramms, sagte, dass das Programm auf Waferfabriken, große Rechenzentren und Systemunternehmen abzielt. Diese Technologie könnte schließlich über Hochleistungsrechnen und Rechenzentren hinausgehen, und Imec sieht auch Potenzial in den Bereichen Quantencomputing, Photonik und neuromorphes Rechnen.
Supraleiterhardware steht jedoch vor einer großen Herausforderung: Diese Schaltkreise benötigen in der Regel extrem niedrige Temperaturen, um den supraleitenden Zustand aufrechtzuerhalten, was ihre Bereitstellung schwieriger macht als bei herkömmlichen Chips. Laut Imec ist die Dichte von 3,8 Millionen Kontakten auf diesem Niveau ein weltweites Novum, und die Präsentation der 30-Nanometer-Verdrahtung weist auf kleinere und kompaktere supraleitende Systeme hin.
Anwendungspotenzial und Herausforderungen der Supraleitertechnologie
Die supraleitende Schaltungstechnologie von Imec zeigt ein großes Potenzial für Hochleistungsrechnen und Rechenzentren, insbesondere um die Rechen- und Energieeffizienz in kleinerem Raum zu erhöhen. Der Erfolg dieser Technologie wird nicht nur dazu beitragen, die wachsenden Energieanforderungen zu erfüllen, sondern könnte auch die Entwicklung neuer Bereiche wie Quantencomputing und Photonik vorantreiben. Die Abhängigkeit supraleitender Schaltkreise von niedrigen Temperaturen bleibt jedoch ein Haupthindernis für ihre breite Anwendung, was ihre Bereitstellung im Vergleich zu herkömmlichen Chips relativ herausfordernd macht.