Imec ประกาศครั้งแรกถึงวงจรแบบซูเปอร์คอนดักทิ้งถึงความหนาแน่น 3.8 ล้านจุดยึดโจเซฟสันต่อตารางเซนติเมตร

Imec แจ้งว่าความหนาแน่นของวงจรแบบซูเปอร์คอนดักทิ้งของบริษัทได้สร้างสถิติโลก โดยบีบอัด 3.8 ล้านจุดยึดโจเซฟสันเข้าสู่พื้นที่ต่อตารางเซนติเมตร ในขณะเดียวกัน ศูนย์วิจัยนี้ได้ผลิตเส้นใยซูเปอร์คอนดักทิ้งที่มีความกว้างเพียง 30 นาโนเมตร Imec ได้นำเสนอผลลัพธ์ทั้งสองในการประชุมวิจัยแบบซูเปอร์คอนดักทิ้งในปี 2026 (ASC) ซึ่งผลลัพธ์เหล่านี้อาจช่วยให้เทคโนโลยีแบบซูเปอร์คอนดักทิ้งขยายไปสู่ระบบคำนวณที่มีประสิทธิภาพสูงในอนาคต และยังสามารถสนับสนุนการทำงานที่มีภาระหนักของศูนย์ข้อมูลในสหรัฐอเมริกาปัจจุบัน

วัสดุและการออกแบบของวงจรใหม่

วงจรใหม่ใช้ซับสแตนซ์ไนโตรไจด์ (NbTiN) Imec สร้างวงจรเหล่านี้บนชั้นโลหะสามชั้น จุดยึดโจเซฟสันที่เล็กที่สุดมีเพียง 150 นาโนเมตร ส่วนประกอบเล็กๆ เหล่านี้ทำให้วิศวกรสามารถติดตั้งส่วนประกอบคำนวณมากขึ้นในพื้นที่ที่เล็กลง จุดยึดโจเซฟสันคล้ายกับสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถประมวลผลสัญญาณด้วยการใช้พลังงานน้อยมาก ความมีประสิทธิภาพนี้ทำให้วงจรแบบซูเปอร์คอนดักทิ้งมีความน่าสนใจในการคำนวณที่มีประสิทธิภาพสูง Imec คาดว่าทักษะนี้สามารถให้ผลลัพธ์ในการประหยัดพลังงานอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับชิป CMOS แบบดั้งเดิม

ระบบซูเปอร์คอนดักทิ้งยังสามารถสนับสนุนความหนาแน่นคำนวณและปริมาณแบนด์วิดท์ที่สูงขึ้น เมื่อศูนย์ข้อมูลประมวลผลภาระงานที่หนักขึ้นเรื่อยๆ ความได้เปรียบเหล่านี้กลายเป็นสิ่งสำคัญมากยิ่งขึ้น วิธีการนี้มีความสำคัญมากสำหรับระบบคำนวณที่ใช้พลังงานสูงในการถ่ายโอนข้อมูล วงจรแบบซูเปอร์คอนดักทิ้งสามารถประมวลผลสัญญาณในความเร็วสูง เพื่อลดการสูญเสียบางอย่าง

ความได้เปรียบและความท้าทายของวงจรแบบซูเปอร์คอนดักทิ้ง

Imec ได้นำเสนอการเชื่อมต่อ NbTiN สามชั้น ซึ่งเส้นใยแคบที่สุดมีความกว้างเพียง 30 นาโนเมตร ซึ่งเป็นเส้นใยที่ใช้ในเทคโนโลยีซูเปอร์คอนดักทิ้งแบบดั้งเดิมประมาณ 10 เท่า เส้นใยที่เล็กลงสามารถช่วยให้วิศวกรบีบอัดการเชื่อมต่อมากขึ้นในพื้นที่เดียวกัน เส้นใยเหล่านี้ถ่ายโอนสัญญาณระหว่างส่วนต่างๆ ของวงจร และยังสามารถเชื่อมต่อส่วนประกอบในชั้นต่างๆ กัน ซูเปอร์คอนดักทิ้งยังมีอีกความได้เปรียบหลักที่สามารถถ่ายโอนกระแสได้เกือบจะไม่มีความต้านทานในอุณหภูมิต่ำมาก หมายความว่าการสูญเสียพลังงานของสัญญาณในระบบเป็นไปอย่างน้อย เพื่อช่วยให้วิศวกรตอบสนองต่อความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นของระบบคำนวณขนาดใหญ่

Imec ยังสามารถปรับแต่งลักษณะทางไฟฟ้าของจุดยึดและเส้นใยของตน ซึ่งให้ความยืดหยุ่นมากขึ้นให้วิศวกรในการออกแบบวงจรสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน Imec กำลังใช้กระบวนการผลิตสถานการณ์กึ่งตัวนำ 300 มิลลิเมตรในการพัฒนาทักษะนี้ ซึ่งเหมือนกับขนาดวงจรที่ใช้ในการผลิตชิปในปัจจุบัน ความเข้ากันได้นี้อาจทำให้การศึกษานี้ง่ายต่อการรวมเข้ากับวิธีการผลิตสถานการณ์กึ่งตัวนำที่มีอยู่ และยังเปิดทางให้การสร้างวงจรแบบซูเปอร์คอนดักทิ้งที่ใหญ่และซับซ้อนมากขึ้น

ศูนย์วิจัยยังกำลังทำการศึกษาเกี่ยวกับการรวม 2.5D และ 3D วิธีการเหล่านี้จะทำให้ส่วนประกอบต่างๆ สามารถทำงานร่วมกันในระบบที่มีการรวมสูง Imec ผู้ดูแลโครงการดิจิตอลซูเปอร์คอนดักทิ้ง Richard Rouse กล่าวว่าโครงการนี้มุ่งเป้ามาที่โรงงานผลิตชิป ศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่และบริษัทระบบ ทักษะนี้สามารถทำให้เกินขอบเขตของการคำนวณที่มีประสิทธิภาพสูงและศูนย์ข้อมูล Imec ยังมองเห็นศักยาการในด้านการคำนวณควอนตัม อินทรานิกส์และการคำนวณแบบเทียมประสาท

อย่างไรก็ตาม ฮาร์ดแวร์ซูเปอร์คอนดักทิ้งยังเผชิญกับความท้าทายหลักที่สำคัญ วงจรเหล่านี้มักต้องการอุณหภูมิต่ำมากเพื่อรองรับสภาวะซูเปอร์คอนดักทิ้ง ทำให้การใช้งานมีความยากมากกว่าชิปแบบดั้งเดิม ตามที่ Imec กล่าว ความหนาแน่น 3.8 ล้านจุดยึดโจเซฟสันเป็นครั้งแรกในโลกในระดับนี้ การแสดงเส้นใย 30 นาโนเมตรชี้ไปที่วงจรซูเปอร์คอนดักทิ้งที่เล็กและแน่นมากขึ้น

ศักยาการใช้งานและความท้าทายของเทคโนโลยีซูเปอร์คอนดักทิ้ง

เทคโนโลยีวงจรซูเปอร์คอนดักทิ้งของ Imec แสดงศักยาการในการคำนวณที่มีประสิทธิภาพสูงและศูนย์ข้อมูล โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเพิ่มความหนาแน่นและประสิทธิภาพในพื้นที่ที่เล็กลง ความสำเร็จของทักษะนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้ตอบสนองต่อความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้น แต่ยังอาจผลักดันให้การพัฒนาด้านการคำนวณควอนตัมและอินทรานิกส์และการคำนวณแบบเทียมประสาทในด้านดั้งเดิม แต่การพึ่งพาอุณหภูมิต่ำของวงจรซูเปอร์คอนดักทิ้งยังคงเป็นอุปสรรคหลักในการใช้งานที่แพร่หลาย ทำให้การใช้งานมีความยากมากกว่าชิปแบบดั้งเดิม