Belgialainen tutkimuslaitos Imec vie suprajohtavia piirejä kohti teollista valmistusta. Uudessa NbTiN-prosessissa johdot on kutistettu 30 nanometriin ja Josephson-liitoksia voidaan pakata miljoonia neliösentille. Tekniikasta haetaan huomattavasti CMOSia energiatehokkaampaa ratkaisua tulevien AI- ja HPC-järjestelmien laskentaan.
Nykyisen CMOS-tekniikan keskeisiä ongelmia suurissa laskentajärjestelmissä ovat kasvava tehonkulutus ja lämmöntuotto. Ongelma korostuu erityisesti tekoälykiihdyttimissä ja supertietokoneissa, joissa valtavia datamääriä pitää sekä käsitellä että siirtää nopeasti.
Suprajohtavassa digitaalisessa tekniikassa logiikka rakennetaan Josephson-liitoksista. Ne voivat kytkeytyä erittäin nopeasti ja hyvin pienellä energialla. Myös suprajohtavissa metallijohdoissa sähköinen resistanssi häviää, mikä pienentää datansiirron häviöitä.
Imec arvioi suprajohtavan tekniikan voivan parhaimmillaan parantaa energiatehokkuutta satakertaisesti CMOSiin verrattuna. Laskentatiheyden ja datan jakamiseen käytettävän kaistanleveyden potentiaaliksi tutkimuskeskus arvioi jopa tuhatkertaisen parannuksen.
Tähän asti yksi keskeisistä ongelmista on ollut suprajohtavien piirien heikko skaalautuvuus. Perinteiseen niobiumiin perustuvilla prosesseilla rakenteita ei ole pystytty kutistamaan lähellekään kehittyneiden puolijohdeprosessien mittoja.
Imec käyttää ratkaisussaan niobium-titaani-nitridiä eli NbTiN:ää. Uudessa prosessissa suprajohtavat metallijohdot on skaalattu 30 nanometrin leveyteen. Imecin mukaan tämä on noin kymmenesosa siitä, mihin perinteisellä niobiumtekniikalla päästään.
Samalla Imec on valmistanut kolmen metallitason NbTiN-pohjaisen Josephson-piirin. Liitosten halkaisija on pienimmillään 150 nanometriä, mikä mahdollistaa 3,8 miljoonan Josephson-liitoksen suunnittelutiheyden neliösentillä.
Prosessi perustuu 300 millimetrin piikiekoille soveltuviin CMOS-yhteensopiviin valmistusmenetelmiin. Tavoitteena on mahdollistaa tulevaisuudessa myös suprajohtavien piirien yhdistäminen muihin teknologioihin 2,5D- ja 3D-integraation avulla.
