När ska dynamisk logik användas istället för statisk logik vid kryogena temperaturer?

Moderna digitala system bygger huvudsakligen på statisk logik, men vid kryogena temperaturer kan dynamisk logik erbjuda betydande fördelar. Den avgörande faktorn för när man bör byta från statisk till dynamisk logik är läckströmmarnas beteende, särskilt subtröskelläckströmmen, som påverkar logiktypens prestanda olika. Statisk logik bibehåller tillståndet kontinuerligt så länge ström finns tillgänglig, medan dynamisk logik förlitar sig på lagring av laddning i kapacitanser och kräver regelbunden uppfräschning, eftersom laddningen läcker bort över tid.

En dynamisk logikkrets fungerar genom två faser i klockcykeln: förladdning (precharge) och utvärdering (evaluate). Under förladdningsfasen laddas utgångskondensatorn till spänningsnivån Vdd oberoende av ingångssignalerna. Under utvärderingsfasen kopplas NMOS-transistorerna in och utgången kan urladdas om den logiska konfigurationen tillåter det. Det är denna tillfälliga laddningslagring som gör kretsen dynamisk och tidsberoende, med ett krav på att läsas ut innan spänningen sjunker under en kritisk nivå.

MOSFET-transistorer vid kryogena temperaturer uppvisar signifikanta förbättringar jämfört med rumstemperatur. Från cirka 77 K och lägre börjar bärarna i substratet frysa ut, men kanalens rörlighet förbättras på grund av minskat spridningsbeteende från gittervibrationer. Detta resulterar i högre överföringshastighet och lägre läckströmmar, vilket tillsammans ger en kraftigt förbättrad subtröskellutning och snabbare transienter. I praktiken har man observerat upp till 62 % förbättrad hastighet i ringoscillatorer vid 4 K.

Dessa egenskaper innebär att dynamisk logik, som traditionellt undviks på grund av läckströmmars påverkan vid rumstemperatur, kan utnyttjas effektivt i kryogena system för att uppnå både högre prestanda och lägre energiförbrukning. Den temporära naturen hos dynamisk logik, som är en nackdel vid högre temperaturer, förvandlas till en fördel när den negativa effekten av läckströmmar nästan elimineras. Därmed flyttas också den temperaturgräns där dynamisk logik överträffar statisk logik betydligt uppåt.

Det är av vikt att förstå att kryogena förhållanden inte bara förändrar elektroniska komponenters elektriska egenskaper utan även möjliggör nya arkitekturer och designmetoder som tidigare varit opraktiska. Det är inte enbart en fråga om snabbare transistorer utan om helt nya tillvägagångssätt där dynamisk logik, med dess reducerade ytkrav och effektförbrukning, kan dominera framtida ultrasnåla och högpresterande system.

Hur beter sig CMOS-transistorer och dynamiska kretsar vid kryogena temperaturer?

Vid extremt låga temperaturer, runt 4,2 K, uppvisar CMOS-transistorer fundamentalt annorlunda egenskaper jämfört med rumstemperatur. En betydande ökning av dräneringsströmmen observeras, vilket främst beror på ökad rörlighet hos laddningsbärare vid låga temperaturer. I ett exempel med en 160 nm CMOS-transistor ökade dräneringsströmmen med cirka 40 % vid 4,2 K jämfört med rumstemperatur. Tröskelspänningen förskjuts samtidigt från ungefär 0,55 V till 0,7 V, vilket är en följd av laddningsbärarfrysning och förändringar i Fermi-nivån. Den subtröskellutning som beskriver hur snabbt strömmen minskar under tröskelspänningen blir också markant brantare, vilket resulterar i en kraftigt reducerad läckström vid låga temperaturer.

En viktig effekt vid låga temperaturer är att vissa dopanter inte helt joniseras, vilket leder till den så kallade fryseffekten av laddningsbärare. Detta gör att den subtröskliga lutningen (SS) inte längre är linjärt proportionell mot temperaturen, något som komplicerar modelleringen av transistorns beteende i detta område. Kink-effekten, som kan förekomma i tjockoxids-CMOS vid kryogena temperaturer, är däremot obetydlig i tunna oxider och kan i sådana fall negligeras.

För att exakt kunna simulera och designa kretsar vid dessa låga temperaturer krävs specialanpassade modeller. En modifierad HSPICE-modell, baserad på Phillips MOS11, används för att beskriva de temperaturberoende parametrarna hos transistorer vid 4,2 K. Genom att justera parametrar såsom VFB, BETSQ och THESRR kan simuleringarna anpassas för att ge en noggrann representation med fel under 5 % för ström-spännings-karakteristiken.

När det gäller dynamiska kretsar visar simuleringar och experiment att beteendet vid kryogena temperaturer skiljer sig markant från rumstemperaturens. En dynamisk CMOS-krets med fyra transistorer och en liten kapacitans (20 fF) laddas upp under precharge-fasen till logisk ett. Under utvärderingsfasen kan dock läckströmmar leda till att spänningen sjunker. Vid rumstemperatur finns det en kritisk frekvens under vilken spänningen sjunker under tröskelvärdet och logiknivån förloras, vilket exempelvis inträffar runt 180 kHz för den undersökta kretsen.

Det är väsentligt att förstå hur temperaturberoendet hos parametrar såsom tröskelspänning, rörlighet, subtröskellutning och dopantjonisering påverkar både statiska och dynamiska egenskaper hos CMOS-transistorer vid kryogena temperaturer. Dessa effekter måste beaktas noggrant vid design och simulering för att skapa pålitliga och effektiva kretsar för applikationer inom exempelvis rymdteknik, kvantdatorer eller andra system som kräver extremt låga temperaturer.

Utöver dessa tekniska aspekter är det viktigt att betrakta tillförlitligheten över tid vid låga temperaturer. Minskade termiskt inducerade fel såsom oxidnedbrytning och elektromigration leder till längre livslängd för komponenter. Samtidigt kan vissa icke-ideala effekter vid LHT kräva särskilda designstrategier för att undvika problem som exempelvis latch-up, även om detta fenomen ofta är mindre framträdande vid låga temperaturer.

För att fullt ut kunna utnyttja fördelarna med CMOS-teknologi vid kryogena temperaturer är det också avgörande att förstå och kunna modellera den dynamiska kretsens frekvensbeteende, speciellt vid låga frekvenser där urladdningsfenomen och läckströmmar blir dominerande faktorer för funktion och stabilitet.

Hur optimeras temperaturer i hybridkvantdatorsystem för att minimera effekt och förseningar?

I ett scenario med tio enheter och tio möjliga temperaturer per enhet finns initialt $10^{10}$ möjliga vägar. Om de vägar som börjar med en viss temperaturkombination kan tas bort redan i första steget minskar antalet kvarvarande vägar dramatiskt, vilket gör algoritmen mer effektiv. Resultatet är en uppsättning temperaturer för varje enhet som tillsammans uppfyller fördröjningskravet och samtidigt minimerar den totala effektförbrukningen.

En viktig aspekt är att varje enhet har olika driftparametrar för fördröjning och effekt beroende på temperaturen, och dessa parametrar påverkar systemets totala prestanda. Data för varje enhet, inklusive fördröjning och effektförbrukning vid olika temperaturer, måste tilldelas noggrant. Dessa parametrar är ofta baserade på statistiskt framtagna medelvärden och kan anta en exponentiell fördelning över temperaturintervallet.

Kommunikationen mellan de supraledande enheterna och kvantprocessorn sker via låglinjär, supraledande koppling som minimerar värmeläckage och korsprat, vilket är avgörande för att bibehålla den extrema kyla som kvantberäkning kräver. Det termiska beteendet mellan enheterna modelleras som ett elektriskt nätverk av termiska motstånd, där varje motstånds värde är temperaturberoende. Generellt minskar det termiska motståndet linjärt med ökande temperatur inom det cryogena området, vilket måste beaktas i optimeringsmodellen.

För att undvika ineffektiv kylning och överhettning delas den elektroniska styrenheten ofta upp i olika temperaturområden, vilket möjliggör närmare placering till kvantprocessorn och minskar värmeöverföringen. Dock begränsas denna närhet av kylkapaciteten vid låga temperaturer, vilket kräver en balans mellan närhet och termisk belastning.

Den totala effektförbrukningen i systemet inkluderar inte enbart komponenternas egna effektbehov utan även den energi som krävs för att driva kylsystemen. Därför är optimeringen tvungen att integrera hela systemets termiska ekvationsnätverk för att säkerställa hållbar drift.

Det är väsentligt att läsa och förstå dessa sammanhang för att greppa de praktiska utmaningar och lösningar som krävs för nästa generations kvantdatorer. Systemets komplexitet förutsätter att även små förändringar i temperaturprofilen kan påverka både prestanda och energieffektivitet markant. Därför krävs en noggrann och dynamisk optimering som anpassas efter både termiska och beräkningsmässiga realiteter.

Hur kan optimala temperaturer bestämmas för komponenter i kryogeniska system för att minimera energiförbrukning och fördröjning?

Effektiv integration av kryogeniska datorsystem kräver att elektroniska komponenter fungerar vid olika kryogena temperaturer. Målet är att identifiera en uppsättning optimala temperaturer för varje komponent, som minimerar den totala energiförbrukningen eller fördröjningen i systemet. För detta ändamål används en metodik baserad på grafteori, där systemets komponenter och deras egenskaper vid olika temperaturer representeras i en riktad acyklisk multiviktad graf.

För att utvärdera värmen och energiflödet mellan komponenter modelleras systemet termiskt. Värmeflödet påverkas av den termiska konduktansen mellan komponenterna och temperaturerna på de sammankopplande kablarna. En kritisk aspekt är läckageeffekten, som beskriver effekten av värmeöverföring från komponenter vid högre temperatur till komponenter som måste hållas vid lägre temperatur. Denna värmeöverföring ökar kylbehovet och därmed energiförbrukningen, vilket gör att den totala energiförbrukningen inkluderar läckageeffekten mellan olika temperaturzoner. Att inkludera denna effekt breddar metodens tillämpningsområde avsevärt.

Kryogeniska kylsystem, som används i superconductiva enheter, kvantdatorer och materialforskning, är uppbyggda av flera temperaturzoner, där varje zon kyler nästa via olika köldmedier såsom kväve, neon, helium och isotopblandningar av helium. Temperaturen i varje kylzon kan sträcka sig från rumstemperatur ner till millikelvin. Varje zon eller kammare i kylsystemet representeras i grafmodellen som en nod med flera möjliga temperaturer, vilket speglar det faktiska kylsystemets flerstegsstruktur.

Optimeringsproblemet formuleras som att välja den bästa temperaturen för varje zon i kylsystemet, så att en väg genom grafen från start till slut ger minimal total energiförbrukning och/eller fördröjning, med hänsyn till både direkta komponentkrav och termiska kopplingar mellan zonerna. Detta kan förstås som en komplex multiviktad vägvalsproblem där vikterna (effekt och fördröjning) beror på valda temperaturer och påverkar varandra mellan zonerna.

Denna metodik har testats på hybridiserade system som kombinerar superledande logik med traditionell CMOS-teknik i molnbaserade datorsystem, där det finns tydliga vinster i att optimera temperaturstyrningen för att reducera energiförbrukningen samtidigt som prestandan bibehålls.

Det är viktigt att förstå att värmehantering i sådana system inte bara handlar om att kyla enskilda komponenter till deras optimala driftstemperatur, utan att se hela systemet som en sammanhängande termisk enhet där värmeflöden och kylbehov är tätt kopplade mellan olika temperaturzoner. Optimering i detta sammanhang kräver alltså att systemets komplexitet hanteras holistiskt och att samverkan mellan kylzonerna beaktas noggrant.

Den beskrivna metodiken belyser också hur optimering inom kryogenik måste balansera mellan systemets olika mål – minimerad energiförbrukning, bibehållen eller förbättrad prestanda (fördröjning), samt tekniska begränsningar som kylteknikens kapacitet och termisk ledningsförmåga hos interconnects. Detta är centralt för att möjliggöra nästa generations högpresterande och energieffektiva kryogena datorsystem.

Vilken roll spelar kryoteknik i utvecklingen av framtidens beräkningssystem?

Kryoteknik har sedan mitten av 1900-talet utvecklats från en teknisk nisch till en kritisk möjliggörare för framtidens beräkningssystem och energihantering. De tidiga framstegen inom gaskylteknologier, såsom Gifford-McMahon-cykeln och pulsörkylare, lade grunden för tillförlitliga metoder att uppnå och underhålla extremt låga temperaturer. Detta visade sig avgörande inte bara för vetenskapliga experiment utan också för teknologier som i dag formar våra beräkningsparadigm.

När digital elektronik började närma sig sina fysiska gränser, blev energiförbrukning och värmeutveckling i allt mer kompakta system en flaskhals. Kryogen kylning framstod som ett sätt att minska termisk brus och förbättra prestanda i både klassiska och kvantmekaniska system. Superledande logik, som Single Flux Quantum (SFQ), har till exempel möjliggjort dramatiskt lägre energiförbrukning per operation och därmed möjliggjort nya arkitekturer som annars skulle vara opraktiska i rumstemperatur.

Kryogen databehandling, och särskilt kryogen CMOS (komplementär metall–oxid–halvledare), utgör idag ett forskningsfält där konventionell elektronik samspelar med kvantkomponenter. Här krävs en balans mellan köldgenerering, termisk effektivitet och komplex systemintegration. Det är inte längre en fråga om enskilda enheter, utan om hur hela datorsystem – från cacheminne till gränssnitt – kan optimeras för att fungera under kryogena förhållanden utan att kompromissa med bandbredd, latens eller tillförlitlighet.

Samtidigt som kvantdatorer har börjat ta plats i industriella och vetenskapliga applikationer – från kvantkemiska beräkningar till finansanalys – har det blivit tydligt att deras funktionalitet är djupt beroende av stabila kryogena miljöer. För att uppnå tillförlitlig kvanttillståndsmätning, som i supraledande qubitar eller kvantpunkter, krävs temperaturer långt under 1 kelvin, vilket i sin tur ställer extrema krav på både kylteknologi och elektromagnetisk avskärmning.

Nya koncept som CryoCache eller SuperNPU (en supraledande neuralkrets) visar hur kryotekniska framsteg möjliggör specialiserade beräkningsenheter med låg latens och hög parallellitet – egenskaper som är svåra att replikera i konventionella arkitekturer. Dessa system erbjuder inte bara energieffektivitet utan också en möjlighet att utforska helt nya sätt att modellera beräkning, där kvantalgoritmer och superledande logik samexisterar i en optimerad miljö.

För att förstå hela den tekniska potentialen är det dock avgörande att inte isolera kryotekniken från dess omgivande system. Det räcker inte med att utveckla effektiva kylcykler – lika viktigt är att förstå materialegenskaper vid låga temperaturer, som fasövergångar i vätskeblandningar, värmeledningsförmåga i strukturella material och elektromagnetiska egenskaper hos isolatorer och ledare under kryogena förhållanden.

För att kunna realisera dessa visioner krävs tvärvetenskaplig förståelse mellan elektroteknik, termodynamik, materialvetenskap och kvantfysik. Förståelsen av entropiska gränser i icke-jämviktsystem, så som beskrivs i moderna formuleringar av termodynamik bortom andra lagen, ger dessutom nya perspektiv på effektivitet i kryogena processer.