מעגלים נאורומורפיים קריוגניים באמצעות התנגדות דיפרנציאלית שלילית הנשלטת על־ידי שער בסיליקון קרביד

מדוע מחשבים קפואים חשובים

מחשבים קוונטיים וכלי מדע חלש-רעש לחישה בחלל חייבים לפעול בסמוך לאפס המוחלט, שם אפילו חום פסולת זעיר עלול לגרום לבעיות. לכן מהנדסים זקוקים למעגלים אלקטרוניים שיכולים "לחשוב" ולהגיב תוך שימוש כמעט אפסי באנרגיה. המחקר הזה מראה כיצד חומר סיליקוני מוכר, סיליקון קרביד, ניתן לתכנות כיחידות קטנות הדומות לנוירונים שמפגינות פעולה אמינה בסביבת קיפאון זו ועלולות לסייע בשליטה על מכונות קוונטיות עתידיות.

סיבוב חדש על טרנזיסטור מוכר

החוקרים מתחילים מטרנזיסטור ורטיקלי מסיליקון קרביד, רכיב תעשייתי בשימוש נרחב שכבר מיוצר על וופרים תעשייתיים גדולים. כשמקפיאים את הטרנזיסטור הזה לטמפרטורות מתחת לכ־2 קלווין, התנהגות ток–מול–מתח (I–V) שלו משתנה באופן בולט. במקום שהזרם יעלה באופן חד־משמעי עם המתח, יש אזור שבו עלייה במתח מפחיתה למעשה את הזרם. תופעה מנוגדת אינטואיציה זו, הנקראת התנגדות דיפרנציאלית שלילית, יוצרת התנהגות החלפה טבעית: המכשיר יכול לקפוץ בין מצב זרם נמוך מאוד ומצב זרם גבוה מאוד עם יחס דליפה של יותר מעשרה מיליון, בעוד שהוא עדיין כמעט ולא נוזל כאשר הוא כבוי.

כיצד אלקטרונים קרים יוצרים החלפה חדה

בטמפרטורות כאלה, רוב האלקטרונים בתוך הטרנזיסטור כלואים על אטומי זיהום ואינם נעים, כך שהמכשיר כמעט ואינו מוליך. כאשר מוחל על השער מתח, נפתח נתיב לאלקטרונים לזרום מאזור מקור מועשר בדופנטים לאזור מועשר פחות. שם, שדות חשמליים חזקים גורמים לחלק מהאלקטרונים להכות ולשחרר אלקטרונים אחרים ממקומותיהם על האטומים — תהליך המכונה יינון בהשפעה (impact ionization). מאחר שסיליקון קרביד מכיל שתי רמות אנרגיה של תורם קרובות זו לזו הנובעות מאטומי חנקן, התגובה השרשרת הזו נדלקת באופן פתאומי ואז רוויה, ונותנת את העקומה בצורת S המאפיינת התנגדות דיפרנציאלית שלילית. מהותית, מיקום ורוחב אזור ההחלפה הזה ניתנים לכוונון פשוט על־ידי שינוי מתח השער, מה שהופך את המכשיר לרכיב שניתן לתכנות במידה רבה.

להפוך מכשירים לנוירונים מלאכותיים קפואים

באמצעות ההחלפה שניתנת לשליטה זו, הצוות בונה כמה סוגי מעגלים נאורומורפיים החיקים התנהגויות שונות של נוירונים ביולוגיים. במעגל נוירון חושי, נגד וקבל טוענים לאט את הטרנזיסטור עד שהוא מגיע לסף ההחלפה; אז ההתנגדות הדיפרנציאלית השלילית גורמת לפריקה מהירה ויוצרת דף מתח חד. חזרה על המחזור הזה מייצרת רצף פולסים שקצבו תלוי באות הקלט ובערכי המעגל, בדומה לעצבים חושיים אמיתיים היורים בקצב גבוה יותר בתגובה לגירוי חזק יותר. מאחר שההחלפה נשלטת על ידי תכונות חומר יציבות ולא על ידי חימום, הירי הפיקלתי נשאר יציב לאורך מחזורים רבים ובין מכשירים ובין מאגרי וופרים שונים.

לוגיקה וזיכרון בצריכת הספק זעירה

בלוק הבניין הזה יכול לבצע גם פונקציות לוגיקה וסוג של זיכרון. על־ידי הזנת פולסים לקבל קטן ואז הפעלת הטרנזיסטור לזמן קצר, המעגל יכול לפעול כגרסה פיקלית של שערי OR או AND, תלוי במתח הבקרה הנבחר. בתצורה אחרת, המכשיר משמש כנוירון מסוג אינטגרט-וא-פייר, שמחבר פולסים נכנסים עד שמושג סף ואז משמיע פולס פלט חזק. החוקרים מדגימים וריאנטים חיוביים ושליליים כך שפלט של שלב אחד יכול להניע ישירות את השלב הבא, והם מראים שרשראות מצופות של נוירונים אלה פועלות בצורה יציבה בטמפרטורות סביב עשירית קלווין.

ממדגמן במעבדה למוחות קריוגניים

למרות שהניסויים משתמשים ברכיבים גדולים יחסית ומבודדים, המחברים מעריכים שגרסה משולבת מלאה על שבב סיליקון קרביד יכולה לכווץ כל נוירון לכמה מאות מיקרומטרים רבועים ולהקטין את השימוש באנרגיה לכל פולס לעשרות פמטו־ג'אולים בלבד. מאחר שעיבוד סיליקון קרביד כבר בשל בשל תעשייתית, גישה זו יכולה להיסקל להרבה רכיבים על וופר ולחיות יחד עם רכיבים קריוגניים אחרים. במלים פשוטות, העבודה מצביעה על דרך לבנות מעגלי שליטה קטנטנים בהשראת מוח שממעטים לחמם את סביבתם, מה שהופך אותם מתאימים במיוחד לניהול קיוביטים עדינים, חיישנים קרים וכלים חלליים שפועלים בקצות הסקאלה של האפס המוחלט.

ציטוט: Yang, X., Porter, M., Qin, Y. et al. Cryogenic neuromorphic circuits using gate-controlled negative differential resistance in silicon carbide. Nat Commun 17, 4351 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70963-6

מילות מפתח: אלקטרוניקה קריוגנית, סיליקון קרביד, מעגלים נאורומורפיים, התנגדות דיפרנציאלית שלילית, בקרה למחשוב קוונטי