Криогенные нейроморфные схемы с управляемым затвором нагрузочно-отрицательным дифференциальным сопротивлением в карбиде кремния

Почему важны сверххолодные компьютеры

Квантовые компьютеры и ультрачувствительные космические приборы должны работать вблизи абсолютного нуля, где даже небольшое выделение тепла может создать проблемы. Поэтому инженерам нужны электронные схемы, которые могут «думать» и реагировать, потребляя практически ноль энергии. В этом исследовании показано, как знакомый полупроводниковый материал — карбид кремния — можно превратить в крошечные элементы, подобные нейронам, которые надёжно функционируют в таких условиях глубокой заморозки и могут помочь управлять будущими квантовыми устройствами.

Новый поворот в знакомом транзисторе

Исследователи начинают с вертикального транзистора на карбиде кремния — штатного устройства, уже выпускаемого на промышленных подложках. При охлаждении такого транзистора до температур ниже примерно 2 кельвинов его вольт-амперная характеристика меняется заметным образом. Вместо того чтобы ток просто возрастал с увеличением напряжения, появляется область, где при росте напряжения ток фактически падает. Этот на первый взгляд противоречивый эффект, называемый отрицательным дифференциальным сопротивлением, создаёт естественное переключающее поведение: устройство может «прыгать» между состоянием очень малого тока и состоянием очень большого тока с отношением включено/выключено более чем в десять миллионов, при этом при выключенном состоянии утечки тока почти отсутствуют.

Как холодные электроны создают резкое переключение

При таких низких температурах большинство электронов внутри транзистора захвачены на примесных атомах и не перемещаются, поэтому устройство почти не проводит. Когда на затвор подаётся напряжение, открывается путь для течения электронов из сильно легированного источника в слабо легированную область. Там сильные электрические поля заставляют некоторые электроны выбивать других из их локальных примесных состояний — процесс, известный как ударная ионизация. Поскольку в карбиде кремния присутствуют два близко расположенных донорных уровня энергии, связанных с атомами азота, эта цепная реакция включает устройство очень резко и затем насыщается, давая характерную S-образную кривую отрицательного дифференциального сопротивления. Важно, что положение и ширина этой области переключения легко настраиваются просто изменением напряжения на затворе, превращая элемент в высокопрограмуемый компонент.

Превращение устройств в искусственные криогенные нейроны

Используя это управляемое переключение, команда создала несколько типов нейроморфных схем, имитирующих разные поведения биологических нейронов. В схеме сенсорного нейрона резистор и конденсатор медленно заряжают транзистор до тех пор, пока он не достигнет порога переключения, после чего отрицательное дифференциальное сопротивление вызывает быстрое разряжение, формируя острый всплеск напряжения. Повторение этого цикла генерирует цепочку импульсов, частота которой зависит от входного сигнала и параметров схемы, подобно тому, как реальные сенсорные нервы стреляют чаще при более сильных стимуляциях. Поскольку переключение определяется стабильными свойствами материала, а не нагревом, генерация импульсов остаётся стойкой на многих циклах и в разных устройствах и партиях пластин.

Логика и память при доли потребления энергии

Тот же строительный блок может выполнять логические и память-подобные функции. Если подавать импульсы на небольшой конденсатор и затем кратковременно включать транзистор, схема может работать как импульсная версия логических ворот OR или AND в зависимости от выбранного управляющего напряжения. В другой конфигурации устройство выступает как интегрировать-и-генерировать нейрон: оно суммирует входящие импульсы до достижения порога и затем испускает сильный выходной импульс. Исследователи демонстрируют как положительные, так и отрицательные варианты, чтобы выход одного звена мог напрямую управлять следующим, и показывают каскадные цепочки таких нейронов, стабильно работающие при температурах порядка одной десятой кельвина.

От лабораторной демонстрации к криогенным «мозгам»

Хотя эксперименты проводились с относительно крупными дискретными компонентами, авторы оценивают, что полностью интегрированная версия на чипе из карбида кремния могла бы уменьшить площадь каждого нейрона до нескольких сотен квадратных микрометров и сократить энергозатраты на один импульс до нескольких десятков фемтоджоулей. Поскольку технологические процессы для карбида кремния уже отработаны в промышленности, этот подход может масштабироваться до большого числа устройств на пластине и сосуществовать с другими криогенными компонентами. Проще говоря, работа указывает на путь создания крошечных, вдохновлённых мозгом управляющих схем, которые почти не нагревают окружение, что делает их особенно подходящими для управления деликатными кубитами, холодными датчиками и космическими приборами, работающими на грани абсолютного нуля.

Цитирование: 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

Ключевые слова: криогенная электроника, карбид кремния, нейроморфные схемы, отрицательное дифференциальное сопротивление, управление квантовыми вычислениями