Silicio karbido tranzistorius elgiasi kaip neuronas šaltyje

Įsivaizduokite vieną tranzistorių, kuris, atšaldytas iki beveik absoliučios nulio, iššauna kaip smegenų ląstelė. Keista? Taip. Naudinga? Labai.

Honkongo universiteto mokslininkai privertė įprastus silicio karbido prietaisus elgtis kitaip kryogeninėmis temperatūromis, sukurdami viename tranzistoriuje impulsų primenančią, neuronų įkvėptą veiklą. Šis darbas žada pakeisti kvantinių procesorių valdymą ir užtikrinti, kaip elektronika ištveria gilią kosmoso šaltį.

Atraukos centre yra pažįstama dalis: SiC MOSFET. Tačiau esant itin žemai temperatūrai — iki maždaug 10 milikelvinų — šie tranzistoriai nustoja elgtis kaip įprasti jungikliai. Jie įgauna ryškų S formos neigiamą diferencialinį pasipriešinimą, kurį sukelia elektronų donorų smūginė ionizacija. Trumpai tariant: prietaisas pereina į energetiškai efektyvų impulsų režimą, imituojantį neuronų impulsus.

Kodėl tai svarbu? Kvantiniai bitai gyvena milikelvino temperatūroje ir yra itin jautrūs šilumai. Dabartiniai klasikiniai valdikliai generuoja per daug atliekamos šilumos ir turi stovėti metrų atstumu, sujungti labirintu laidų, kuris riboja mastelį. Talpinus valdymo elektroniką į šaltį, galima sumažinti laidų skaičių ir terminę naštą. HKU komanda teigia, kad jų grandinės gali būti tūkstančius kartų energetiškai efektyvesnės už standartinę žematemperatūrinę elektroniką, smarkiai sumažinant šilumos krūvį kriostatuose.

Yra ir kitas praktinis privalumas. Kryogeniniai impulsai kyla iš silicio karbido intrinziškos nešėjų dinamikos, o ne iš trapios terminės įtakos. Tai daro reiškinį patvaresnį per gamybos serijas. SiC jau yra plačiai naudojamas elektriniuose automobiliuose ir galios įrangoje, tad šiuos neuromorfinius kryo lustus teoriškai galima gaminti 300 mm plokštelėse esančiose esamose gamyklose.

Už vieno prietaiso ribų mokslininkai parodė, kad dirbtiniai neuronai, sukonstruoti iš šių tranzistorių, gali būti sujungti į tinklus. Vietinis signalo apdorojimas šaltoje aplinkoje atveria duris greitesnei kvantinei klaidų korekcijai ir realaus laiko valdymo ciklams, kuriuos šiuolaikinės architektūros sunkiai įgyvendina. Ir kadangi grandinės toleruoja ekstremalų šaltį, jos taip pat galėtų būti panaudotos mėnulio nusileidėjuose ar įrenginiuose siunčiamuose į Saulės sistemos pakraščius, kur elektronika turi ištverti žymiai žemesnes temperatūras nei Žemėje.

Projektą inicijavo Honkongo universiteto Elektros ir kompiuterių inžinerijos departamentas bei Pažangių puslaidininkių ir integruotų grandinių centras, kuriems vadovauja profesorius Yuhao Zhang kartu su doktorantu Xin Yang. Jų išvados, publikuotos žurnale Nature Communications, nurodo kelią, kuriame neuromorfinės idėjos ir kvantinė aparatūra susijungia kryogeninėse sąlygose.

Tai nėra baigtas produktas. Tai naujas įrankis. Bet kai tranzistorius pradeda elgtis kaip neuronas gilios šaltyje, keičiasi žemėlapis to, ką galime sukurti aplink kvantines mašinas ir misijas šaltajame kosmose.