香港大学的科学家研制出一种非凡的新型类脑芯片，能够在略高于绝对零度的环境下工作，这是可想象的最寒冷环境之一。该团队以一种全新的方式利用标准碳化硅晶体管，使单个器件表现出高能效神经元的行为，发射出类似于人脑的电“尖峰”。
该研究由张宇皓教授和博士生杨鑫领导。他们的工作引入了一种在行业标准碳化硅MOSFET中产生和控制负微分电阻（NDR）的新方法。利用这种方法，研究人员首次证明了单个晶体管可以在低至10毫开的温度下重现生物神经元的节能“尖峰”活动。
用于量子计算的类脑硬件
量子计算机依赖复杂的控制电子设备来管理量子比特，这些量子比特高度敏感，必须保持在毫开级的温度下。现有的硅基控制系统消耗大量功率并产生多余的热量，因此必须将其放置在远离量子比特的地方。这种距离导致了巨大的布线需求，可能会阻碍性能的提升，并增加构建大规模量子计算机的难度。
“我们的工作引入了一个可以与量子处理器集成在一起的硬件平台，”张教授说。“通过利用碳化硅中独特的载流子动力学，我们可以制造出能效比传统电子器件高出数千倍的电路，从而显著降低低温系统的热负荷。”
碳化硅展现出独特的低温特性
研究团队发现，当温度冷却至2K以下时，SiC MOSFET表现出强烈的“S型”NDR效应。这种行为是由电子-施主碰撞电离（EDII）驱动的。与其他依赖器件内部产生热量的技术不同，这种新观察到的机制直接源于材料的原子属性。因此，它保持高度稳定，并且可以在不同的制造批次中一致地重现。
“这是一种稳健且可扩展的方法，”杨先生说。“由于SiC已在全球范围内的电动汽车和电网中得到应用，我们可以利用现有的工业晶圆厂在300毫米晶圆上制造这些低温芯片。”
从人工神经元到深空任务
该研究还证明了这些人工神经元可以连接在一起，或“级联”成更大的网络。这种能力可以实现低温环境下的高级本地数据处理，并改进量子纠错和实时量子控制等重要的量子计算功能。
潜在的应用远不止于量子计算。由于这些电路设计为可在极寒环境中可靠运行，它们对于深空探索也可能具有重要价值。未来的系统或许能够在月球表面或太阳系遥远区域的恶劣条件下工作。
这些发现发表在《自然·通讯》上，论文题为“利用碳化硅中栅极控制的负微分电阻实现的低温神经形态电路”。