Imec достигла рекордной плотности 3,8 миллиона переходов в сверхпроводящих схемаx

ЛЁВЕН, Бельгия — Международный исследовательский центр микроэлектроники imec достиг важнейшего этапа в области криогенной полупроводниковой инженерии, изготовив сверхпроводящую интегральную схему с рекордной плотностью 3,8 миллиона джозефсоновских переходов на квадратный миллиметр. Согласно техническому отчету, опубликованному Aamir Khollam 8 сентября 2026 года, прорыв основан на использовании ультратонких 30-нанометровых соединительных проводников из нитрида ниобия-титана (NbTiN). Это достижение задает новый структурный ориентир для высокоплотных криогенных вычислительных архитектур, предлагая жизнеспособный аппаратный путь к масштабированию квантовых процессоров и сверхнизкопотребляющих управляющих систем суперкомпьютеров, работающих вблизи абсолютного нуля.

## Ключевые факты - Исследовательский центр imec продемонстрировал рекордную плотность сверхпроводящей схемы в 3,8 миллиона джозефсоновских переходов на квадратный миллиметр. - Архитектура схемы включает 30-нанометровые проводники из нитрида ниобия-титана (NbTiN) для высокоплотных электрических соединений. - Методология изготовления решает давние проблемы пространственных ограничений и межузловых соединений в криогенных логических сетях и электронике управления квантовыми системами. - Нитрид ниобия-титана обеспечивает более высокую устойчивость к критическому магнитному полю и более высокую критическую температуру перехода по сравнению с традиционными проводниками из чистого ниобия. - Техническое достижение было подробно описано в репортаже, опубликованном Aamir Khollam 8 сентября 2026 года.

## Что произошло Достигнутый imec рубеж интеграции знаменует собой количественный прыжок в плотности компоновки элементов сверхпроводящей микроэлектроники — класса вычислительного оборудования, проводящего электрический ток с нулевым сопротивлением при охлаждении ниже критических температур перехода. Физической основой сверхпроводящих цифровых логических чипов являются джозефсоновские переходы — наноразмерные устройства, состоящие из двух сверхпроводящих электродов, разделенных ультратонким изолирующим барьером, через который туннелируют электронные пары без рассеяния энергии.

Чтобы достичь плотности компоновки в 3,8 миллиона переходов на квадратный миллиметр, imec полностью переработала как геометрию масштабирования переходов, так и лежащую в основе схему металлизации межузловых соединений. Предыдущие поколения сверхпроводящих логических схем опирались в основном на дорожки из чистого ниобия (Nb). Однако чистый ниобий подвергается серьезной физической деградации при масштабировании до размеров менее 100 нанометров, демонстрируя повышенную кинетическую индуктивность, ухудшение критической плотности тока и высокую восприимчивость к паразитному захвату магнитного потока.

Imec преодолела эти барьеры миниатюризации, внедрив 30-нанометровые соединительные линии из нитрида ниобия-титана (NbTiN) — тугоплавкого сверхпроводящего сплава. 30-нанометровые проводники из NbTiN обеспечивают плотное размещение отдельных джозефсоновских переходов, сохраняя при этом надежные свойства электрического транспорта, необходимые для переключения цифровых состояний на частотах в десятки и сотни гигагерц. Уменьшив как активные переключающие переходы, так и пути трассировки сигналов до наноразмеров, исследователи успешно разместили миллионы активных компонентов на площади чипа, где ранее помещались лишь десятки тысяч.

Технологический процесс, разработанный в imec, использует стандартную инфраструктуру для производства 300-миллиметровых кремниевых пластин. Это указывает на то, что высокоплотные сверхпроводящие схемы могут производиться с использованием модифицированных коммерческих производственных линий, а не малопроизводительного лабораторного оборудования.

## Почему это важно Достижение плотности в 3,8 миллиона переходов на квадратный миллиметр напрямую решает главную физическую проблему, с которой сталкиваются передовые криогенные вычисления: увеличение количества компонентов без превышения жестких тепловых ограничений. Современные суперкомпьютеры, построенные на стандартных кремниевых транзисторах, потребляют десятки мегаватт электроэнергии, выделяя огромное количество тепла, что сильно ограничивает дальнейший рост производительности. В отличие от них, сверхпроводящая цифровая логика, такая как логика на единичных квантах магнитного потока (SFQ) и взаимная квантовая логика (RQL), работает с нулевым электрическим сопротивлением, потребляя на три порядка меньше энергии на логическую операцию при тактовых частотах, превышающих 100 гигагерц.

Однако криогенная логика исторически страдала от низкой плотности интеграции. В то время как традиционные кремниевые КМОП-чипы вмещают десятки миллиардов транзисторов на одном кристалле, сверхпроводящие схемы долгое время ограничивались тысячами или десятками тысяч переходов. Этот дефицит плотности означал, что криогенные чипы управления были слишком велики, чтобы располагаться рядом с квантовыми процессорами внутри рефрижераторов растворения или охлаждающих пластин суперкомпьютеров, что вынуждало системных инженеров прокладывать тысячи отдельных коаксиальных кабелей в вакуумные камеры с субкельвиновыми температурами.

Сжимая миллионы джозефсоновских переходов в один квадратный миллиметр, разработка imec позволяет интегрировать сложные схемы управления, считывания и обработки сигналов непосредственно в криогенную среду. В квантовых вычислениях масштабирование систем от сотен физических кубитов до отказоустойчивых процессоров, содержащих миллионы кубитов, требует криогенной логики на чипе, способной выполнять коррекцию ошибок и маршрутизацию кубитов в реальном времени. Плотность в 3,8 миллиона переходов позволяет размещать сложные цифровые логические контроллеры в миллиметрах от сверхпроводящих кубитных массивов, работающих при температуре 15 милликельвинов, что устраняет гигантские проблемы с разводкой кабелей, замедляющие развитие крупномасштабных квантовых систем.

Кроме того, для высокопроизводительных эксафлопсных суперкомпьютеров высокоплотные схемы из NbTiN открывают путь к ультраплотным криогенным сопроцессорам, способным выполнять алгоритмы с интенсивным обменом данными с ничтожно малым рассеянием энергии, что предлагает путь к созданию устойчивых суперкомпьютерных инфраструктур.

## Предыстория Теоретические истоки сверхпроводящей электроники восходят к 1962 году, когда британский физик Brian Josephson предсказал туннелирование сверхпроводящих электронных пар через тонкий изолирующий барьер — открытие, за которое он получил Нобелевскую премию по физике в 1973 году. На протяжении второй половины XX века крупные промышленные исследовательские программы под руководством IBM, AT&T Bell Laboratories и консорциумов японского правительства пытались создать мейнфреймы на основе джозефсоновских переходов, привлеченные их пикосекундной скоростью переключения и субмикроваттным энергопотреблением.

Ранние попытки создания мейнфреймов были в основном отложены в конце 1980-х годов из-за быстрого и экономически эффективного масштабирования кремниевой технологии КМОП в соответствии с законом Мура, а также из-за производственных трудностей, связанных с контролем однородности переходов на больших кремниевых подложках. Ранние схемы также опирались на металлургию свинца или чистого ниобия, которая подвергалась структурной деградации при многократном термическом циклировании между комнатной температурой (295 Кельвинов) и температурой жидкого гелия (4,2 Кельвина).

В 2010-х годах появление сверхпроводящих квантовых вычислений возобновило мировой интерес к криогенной микроэлектронике. Оборонные и научные агентства, такие как Управление перспективных исследовательских проектов в области разведки США (IARPA), запустили крупные инициативы, включая программы Cryogenic Computing Complexity (C3) и SuperTools, для модернизации автоматизации электронного проектирования и протоколов производства сверхпроводящих чипов.

Основанный в 1984 году в Лёвене (Бельгия), центр imec (Interuniversity Microelectronics Centre) является ведущим независимым мировым исследовательским центром в области наноэлектроники, сотрудничающим с мировыми лидерами полупроводниковой отрасли, включая ASML, TSMC, Intel, Samsung и GlobalFoundries. Стратегия imec сосредоточена на адаптации передовых промышленных инструментов 300-мм литографии и плазменного травления для нетрадиционных систем материалов, таких как NbTiN, тантал и барьеры из оксида алюминия. Нитрид ниобия-титана стал предпочтительным материалом, поскольку его критическая температура перехода (приблизительно от 14 до 16 Кельвинов) и устойчивость к критическому магнитному полю значительно превышают показатели чистого ниобия (9,2 Кельвина), что обеспечивает больший технологический запас и позволяет использовать более узкую геометрию проводников без потери сверхпроводимости.

## Реакция Хотя официальные публичные заявления от коммерческих партнеров-производителей еще не были опубликованы после этого объявления, физики полупроводниковых приборов и архитекторы квантового оборудования считают достигнутую imec плотность важнейшим рубежом для проектирования криогенных систем. Эксперты отрасли регулярно оценивают результаты интеграции новых материалов посредством рецензируемых технических докладов на крупных международных форумах, таких как Конференция IEEE по прикладной сверхпроводимости (ASC) и Международная встреча по электронным приборам (IEDM).

Ожидается, что разработчики квантового оборудования, включая инженерные группы в IBM Quantum, Google Quantum AI, Rigetti Computing и Oxford Quantum Circuits, внимательно изучат методологию изготовления imec. В настоящее время эти организации сталкиваются со серьезными проблемами маршрутизации сигналов внутри гелиевых рефрижераторов растворения, где теплопроводность через медную разводку ограничивает общее количество линий управления, которые могут входить в самую холодную ступень криостата.

Академические исследовательские группы, специализирующиеся на проектировании логики на единичных квантах магнитного потока, как ожидается, также отреагируют путем обновления своих библиотек ячеек САПР (EDA). Более высокая плотность переходов позволяет разработчикам логики реализовывать сложные регистровые файлы, многоразрядные арифметико-логические устройства (АЛУ) и плотные массивы криогенной памяти, создание которых ранее было невозможным из-за физических ограничений на размер кристалла.

## Что пока неизвестно Несмотря на заявленный прорыв в плотности переходов и ширине линий, несколько критических производственных и физических параметров производительности остаются нераскрытыми в первоначальном техническом отчете: - **Выход годных изделий и однородность в масштабе пластины:** В настоящее время неизвестно, какой процент из 3,8 миллиона джозефсоновских переходов на квадратный миллиметр работает в пределах жестких допусков по критическому току ($I_c$) по всей 300-мм пластине. В сверхпроводящих логических схемах даже небольшой процент переходов, выходящих за пределы спецификации, может вызвать системные логические ошибки. - **Стабильность при термическом циклировании:** Долговечная механическая надежность 30-нанометровых соединений из NbTiN, подвергающихся многократным циклам охлаждения между комнатной температурой и криогенными режимами, публично не детализировалась. - **Высокочастотные пределы работы:** Хотя NbTiN обладает высокой кинетической индуктивностью, что может влиять на задержки распространения сигнала, точная максимальная тактовая частота и энергия переключения на переход для данной конкретной 30-нанометровой реализации не были полностью указаны. - **Перекрестные помехи и магнитное экранирование:** При шаге проводников в 30 нанометров и субмикронном расстоянии между переходами захват рассеянного магнитного потока и паразитная электромагнитная связь между соседними линиями представляют собой серьезные инженерные проблемы, требующие эмпирической проверки.

## За чем следить В ближайшие месяцы несколько ключевых этапов прояснят промышленную жизнеспособность высокоплотной сверхпроводящей архитектуры imec: - **Предстоящие технические презентации:** Ожидаются рецензируемые технические публикации и подробные статьи по интеграции процессов на предстоящих отраслевых мероприятиях, таких как Международная встреча по электронным приборам (IEDM) или Международная конференция IEEE по сверхпроводящей электронике (ISEC). - **Демонстрация прототипов схем:** Следует ожидать последующих анонсов с демонстрацией функциональных многоразрядных логических блоков, таких как высокоплотный сумматор SFQ, массив криогенной памяти или интегрированный мультиплексор управления кубитами, изготовленных по 30-нанометровому техпроцессу NbTiN. - **Интеграция на фабриках и опытных линиях:** Прогресс в переносе этого 300-мм технологического модуля NbTiN с опытно-промышленной линии исследований и разработок imec на коммерческие специализированные фабрики или линии по производству квантового оборудования. - **Криогенные показатели производительности:** Публикация измеренных показателей критической температуры ($T_c$), критической плотности тока ($J_c$) и устойчивости к магнитному полю на областях пластин размером в несколько дюймов в рабочих криогенных условиях.

Этот отчет основан на технических новостях, опубликованных журналистом Aamir Khollam 8 сентября 2026 года, с подробным описанием разработок в области микроэлектроники в исследовательском институте imec.