Imec が初めて超電導回路で平方センチメートル当たり380万個のジョセフソン接合の密度を達成

Imec は、超電導回路の密度において世界記録を達成し、380万個のジョセフソン接合を1平方センチメートルの面積に圧縮したことを発表した。同研究センターは同時に、幅わずか30ナノメートルの超電導ワイヤも製造した。Imec は2026年の応用超電導技術会議（ASC）でこの2つの成果を発表し、これらの結果は超電導技術が将来的に高性能コンピューティングシステムに拡張されるのに役立つ可能性があり、同時に現代の米国のデータセンターが高負荷のワークロードを処理することをサポートする。

新しい回路の材料と設計

新しい回路はニオブ-タンタル-ナイトライド（NbTiN）を採用しており、Imec はこの回路を3層の金属層上に構築している。最小のジョセフソン接合の直径はわずか150ナノメートルである。これらの微小なコンポーネントにより、エンジニアはより小さなスペースにより多くの計算要素を搭載することができる。ジョセフソン接合は非常に高速な電子スイッチに似ており、極わずかなエネルギー消費で信号を処理する。この効率により、超電導回路は高性能コンピューティングにおいて魅力的である。Imec は、この技術が最終的に従来のCMOSチップと比較してエネルギー消費において大幅な省エネ効果を達成すると予想している。

超電導システムはまた、より高い計算密度と帯域幅をサポートする。データセンターがより重いワークロードを処理するようになるにつれて、これらの利点はますます重要になっている。このアプローチは、データ転送が大量の電力を消費するコンピューティングシステムにとって特に有用である。超電導回路は極高速度で信号を処理するため、ある種の損失を減らすことができる。

超電導回路の利点と課題

Imec はまた、3層のNbTiN配線を披露し、最も細いワイヤの幅はわずか30ナノメートルで、これは従来のニオブベースの超電導技術で使用されるワイヤの幅の約10分の1である。より細いワイヤは、エンジニアが同じスペースにより多くの接続を詰め込むのに役立ち、これらのワイヤは回路の異なる部分間で信号を伝達し、多層間でコンポーネントを接続することもできる。超電導材料のもう一つの主な利点は、極低温でほとんど抵抗なく電流を伝達することであり、これは信号がシステム内を移動する際にエネルギー損失がほとんどないことを意味し、エンジニアが大型コンピューティングシステムの増加するエネルギー需要に取り組むのに役立つ。

Imec はまた、その接合部とワイヤの電気特性を調整することができ、これによりエンジニアが異なるアプリケーションの回路を設計する際に大きな柔軟性が提供される。Imec はこの技術を300ミリメートルの半導体製造プロセスを利用して開発しており、これは現代のチップ生産で広く使用されているウェーハサイズと同じであり、この互換性により、研究が既存の半導体製造方法と統合されやすくなる可能性があり、また、より大きく複雑な超電導回路を構築するための道を開く。

同研究センターはまた、2.5Dおよび3D集積化の研究を行っており、これらの方法により、さまざまなコンポーネントが高度に統合されたシステム内で協調して動作することができる。Imec の超電導デジタルプログラムディレクターであるRichard Rouse氏は、このプログラムはウェハーファブ、大規模データセンター、システム企業を対象としていると述べている。この技術は最終的に高性能コンピューティングやデータセンターの範囲を超える可能性があり、Imec は量子コンピューティングやフォトニクス、ニューロモルフィックコンピューティングなどの分野での潜在的な応用にも期待している。

しかし、超電導ハードウェアはまだ一つの大きな課題に直面しており、これらの回路は通常、超電導状態を保つために非常に低い温度を必要とするため、その展開は従来のチップよりも困難である。Imec によると、380万接合の密度はこのレベルで世界初であり、30ナノメートルの配線の展示は、より小さくよりコンパクトな超電導システムを指し示している。

超電導技術の応用可能性と課題

Imec の超電導回路技術は、高性能コンピューティングやデータセンターにおいて大きな可能性を秘めており、特に小さなスペース内で計算密度と効率を高めることができる。この技術がうまくいけば、増加するエネルギー需要を満たすのに役立ち、量子コンピューティングやフォトニクスなどの新興分野の発展を促進する可能性がある。しかし、超電導回路が低温度に依存することは、その広範な応用にとって依然として主要な障害であり、その展開は従来のチップよりも挑戦的である。