МГТУ им. Н. Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова», занимающиеся разработкой технологий квантовых компьютеров с 2016 года, анонсировали открытие первого в России контрактного производства сверхпроводниковых квантовых процессоров на 100-мм пластинах, которое будет расположено в новом кампусе МГТУ им. Н. Э. Баумана. Это позволит удовлетворить растущий запрос ключевых заказчиков сверхпроводниковых интегральных схем, включая ведущие российские бигтехи, технологические компании и научные лаборатории. С учетом амбициозных планов развития квантовых технологий в РФ до 2030 года, ежегодный рост потребности в сверхпроводниковых интегральных схемах к составит более 35%. Серийное производство квантовых процессоров обеспечит растущую потребность РФ в суперкомпьютерах следующего поколения.
Квантовые процессоры для экзафлопсных вычислений
Экзафлопсные суперкомпьютеры (от англ. «FLOP» (floating point operations per second) — метод ранжирования скоростей суперкомпьютеров) сегодня активно применяются для решения широкого спектра задач: от фундаментальных (задачи теоретической физики, включая проблему расширения Вселенной) до модельных (решение дифференциальных и иных уравнений для целей нефтеразведки, помехоустойчивости, сейсморазведки, радиолокации и проч.).
Математическое суперкомпьютерное моделирование в настоящее время активно внедряется в бизнес-процессы технологических компаний-лидеров, используется для создания новых лекарств и материалов для промышленности, глубокой финансовой аналитики, кредитных рисков и т. п. При этом одним из главных драйверов развития суперкомпьютеров является ускорение вычислений на основе искусственного интеллекта с решением задач, связанных с ИТ-системами и основанных на использовании ИИ сервисов.
Новые типы вычислителей, основанные на принципах квантовой механики, позволят значительно повысить производительность классических суперкомпьютеров. Выступая в роли сопроцессоров, они обеспечат дополнительную мощность для решения подзадач в рамках единого вычислительного процесса. Похожим образом сегодня используются графические ускорители, забирающие на себя часть специфических задач алгоритмов и выполняя их заметно быстрее универсальных процессоров. При этом квантовые сопроцессоры будут справляться с этими задачами на порядки быстрее.
«Суперкомпьютерные вычисления становятся сегодня абсолютным приоритетом ведущих мировых держав благодаря внедрению методов искусственного интеллекта, — отмечает Александр Андрияш, научный руководитель ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова» ГК «Росатом». — Поставленная цель увеличения мощности российских суперкомпьютеров в десятки раз к 2030 году может быть достигнута в том числе благодаря разработанным на базе МГТУ им. Н. Э. Баумана серийным технологиям квантовых сопроцессоров. При этом эффективность экзафлопсных машин на базе квантовых технологий может быть заметно выше традиционных подходов — и это при гораздо более низкой стоимости. Переходя на серию в квантах, мы формируем принципиально новые возможности ускоренной разработки квантовых устройств технологическими компаниями и научными группами нашей страны».
100 чипов с пластины, выход годных — 95%
Технологии сверхпроводниковых квантовых схем заметно отличаются от классического полупроводникового КМОП-процесса и требуют специальных компетенций. Переход от изготовления «отдельных кристаллов» к серии в НОЦ ФМН (совместный научный центр МГТУ им. Н. Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова») стал возможен благодаря собственной технологии сверхпроводниковых джозефсоновских схем — одной из наиболее перспективных для создания высокоточных квантовых процессоров и параметрических усилителей, необходимых для точного считывания сигналов квантовых схем. Так, сегодня на одной пластине может быть размещены сотни чипов различных квантовых устройств, объединенных одним технологическим маршрутом изготовления.
Для перехода на серию с соблюдением параметров качества квантовых устройств, достигнутых на отдельных чипах, НОЦ ФМН потребовалось несколько лет. Команда сознательно не шла на уступки в качестве, но смогла сохранить и даже улучшить точность изготовления элементов квантовых схем в допуске 0,5 нм (для сравнения — точность формирования элементов транзисторов передового КМОП-техпроцесса Intel сегодня также форсирует уровень 1 нм). Для масштабирования разработанной технологии и запуска контрактного производства команде осталось дооснастить построенный в 2024 году в новом Бауманском кампусе исследовательский кластер (площадь чистых комнат более 2500 м2) уже спроектированным оборудованием.
Точность изготовления — на уровне лучших мировых групп
Важнейшей задачей при постановке серийного техпроцесса стало создание наноразмерных элементов сверхпроводниковых устройств — джозефсоновских переходов. Они представляют собой трехслойную структуру из алюминия, туннельного оксида алюминия и алюминия (Al-AlOx-Al), в которой «рождается» кубит при переходе чипа в состояние сверхпроводимости (охлаждение процессора до температуры ниже −273 С).
В НОЦ ФМН поставлена технология изготовления джозефсоновских переходов с линейными размерами в десятки нанометров с суб-нанометровой точностью (если представить весь чип квантового процессора 4×10мм размером с Россию, то джозефсоновский переход на нем — это Москва-река), что обеспечило рекордные показатели воспроизводимости электрических характеристик переходов и параметров кубитов процессоров на мировом уровне (Scientific Reports vol. 13, 6772 (2023)).
«При отработке технологии особое внимание мы уделяли операциям электронно-лучевой литографии, осаждения и формирования туннельных барьеров, определяющим геометрию и «внешний вид» будущего кубита. Установили влияние каждого фактора процессов (тока пучка электронов, шага экспонирования, углов осаждения, потоков газов и другие) на структуру и площадь джозефсоновских переходов. Такой скрупулезный подход обеспечил результат», — отмечает Дмитрий Москалев, ведущий инженер НОЦ ФМН, обладатель Премии Правительства Москвы 2023 г. за разработку технологии сверхпроводниковых квантовых устройств (Scientific Reports vol. 13, 4174 (2023)).
Для постановки технологии в серийное производство на пластине 100 мм командой исследователей предложена и внедрена математическая модель, симулирующая процесс воспроизводимого формирования джозефсоновских переходов (arXiv:2403.01894).
Полученные результаты уже сегодня позволяют изготавливать квантовые интегральные схемы с точностью контроля частот кубитов на уровне лучших мировых бигтехов.
Уникальные квантовые технологии станут доступными для российского бигтеха, технологических компаний, стартапов и университетов.