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大規(guī)模制造量子計(jì)算機(jī)意味著要像對(duì)待最先進(jìn)的硬件一樣對(duì)待量子芯片 。 這意味著要按照最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來制造它們——類似于我們制造用于生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)典計(jì)算機(jī)芯片的標(biāo)準(zhǔn) 。
今天 ， IBM宣布 ， IBM Quantum Loon和IBM Quantum Nighthawk ， 以及IBM量子技術(shù)發(fā)展路線圖上的所有未來芯片 ， 均在紐約CREATES的奧爾巴尼納米科技中心采用最先進(jìn)的300毫米半導(dǎo)體晶圓技術(shù)制造 。 奧爾巴尼納米科技中心是世界上最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造廠之一 ， 此前 ， IBM量子芯片制造工藝的細(xì)節(jié)一直處于保密狀態(tài) 。 但現(xiàn)在 ， 團(tuán)隊(duì)迫不及待地想要展示這項(xiàng)技術(shù) ， 分享他們?nèi)绾纬晒ν瓿稍擁?xiàng)目 ， 并闡述他們對(duì)未來的愿景 。
這個(gè)故事不僅僅關(guān)乎在大尺寸晶圓上加工量子芯片 ， 更關(guān)乎如何運(yùn)用最頂尖的人才、設(shè)備和工藝來實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算 。 IBM量子芯片在奧爾巴尼納米技術(shù)中心的制造 ， 以及奧爾巴尼和位于約克鎮(zhèn)的IBM托馬斯·J·沃森研究中心的半導(dǎo)體專家和物理學(xué)家之間的緊密協(xié)作 ， 是IBM量子計(jì)算取得成功的關(guān)鍵 。
位于紐約州奧爾巴尼市奧爾巴尼納米技術(shù)中心的300毫米潔凈室（來源：IBM）
IBM量子制造技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施杰出工程師克里斯蒂·泰伯格表示：“如果我們當(dāng)初沒有在奧爾巴尼開始使用300毫米技術(shù)加工芯片 ， 我們就無法取得實(shí)現(xiàn)我們開發(fā)路線圖所需的成功 。 ”
芯片制造——量子或經(jīng)典IBM量子計(jì)算機(jī)的核心處理器與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片的制造方式相同：均由硅晶圓制成 。 半導(dǎo)體制造過程始于將長(zhǎng)圓柱形硅片切割成薄片 。 工程師和物理學(xué)家使用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)電路 。 然后 ， 通過一系列工藝步驟 ， 自動(dòng)化機(jī)器對(duì)晶圓進(jìn)行蝕刻、沉積新金屬和處理 。 最終在圓片表面形成矩形網(wǎng)格狀的計(jì)算機(jī)芯片 。
IBM 研究人員手持 300 毫米 IBM Quantum Loon 晶圓（來源：IBM）
對(duì)于量子芯片 ， 我們會(huì)制造多種類型的晶圓 ， 然后在約克鎮(zhèn)完成額外的定制加工步驟 。 最后 ， 我們將多個(gè)芯片層疊連接成三維堆疊結(jié)構(gòu) ， 并將其連接到控制電子設(shè)備 。
【IBM推出全新量子處理器、軟件和算法突破】無論是量子芯片還是經(jīng)典芯片 ， 都需要極其精密的制造工藝和潔凈室環(huán)境 。 考慮到經(jīng)典計(jì)算機(jī)晶體管的微觀尺寸和量子比特的超高靈敏度 ， 任何顆粒或缺陷都可能影響其性能 。
晶圓尺寸意味著什么？簡(jiǎn)單來說 ， 晶圓的寬度決定了其最終可制造的芯片數(shù)量 。 20世紀(jì)以來 ， 晶圓尺寸逐步增大 ， 90年代初出現(xiàn)了200毫米晶圓（約8英寸） 。 小型半導(dǎo)體晶圓廠通常加工200毫米或更小的晶圓 。 然而 ， 世紀(jì)之交出現(xiàn)了300毫米晶圓（約12英寸） 。
每種技術(shù)都配備不同的工具 。 300mm 工藝采用最先進(jìn)的工具和工藝 ， 能夠更快地制造更多芯片 。 而 200mm 工藝則更便于進(jìn)行實(shí)踐操作和定制研發(fā) 。
FOUP（前開式統(tǒng)一艙）——裝有 300 毫米晶圓 ， 裝載到潔凈室中的 300 毫米加工工具上（來源：IBM）泰伯格于2000年加入IBM ， 最初從事半導(dǎo)體研究 ， 特別是低κ介電材料 ， 隨后參與了3D芯片堆疊技術(shù)的工藝開發(fā) ， 旨在延續(xù)摩爾定律 。 直到2016年 ， 她才被問及是否愿意轉(zhuǎn)行從事量子計(jì)算 。 她當(dāng)時(shí)覺得量子計(jì)算還很遙遠(yuǎn)——IBM才剛剛開始將小型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部署到云端 。 但她覺得這個(gè)項(xiàng)目聽起來很令人興奮 ， 于是加入了團(tuán)隊(duì) 。
泰伯格從基礎(chǔ)知識(shí)入手 ， 學(xué)習(xí)量子計(jì)算的概念以及她自身的半導(dǎo)體經(jīng)驗(yàn)如何能夠推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展 。 如今 ， 她專注于開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)量子計(jì)算最終目標(biāo)的流程 ， 即打造一個(gè)全面投入生產(chǎn)的量子計(jì)算系統(tǒng) 。
首批芯片是在位于約克鎮(zhèn)高地的IBM研究院的200毫米研究級(jí)制造實(shí)驗(yàn)室中制造的 ， 需要專門的工具和工藝 。 制造量子芯片晶圓是一項(xiàng)定制化的工作 ， 建造新工具、進(jìn)行工藝處理、故障排除和解決問題都需要很長(zhǎng)時(shí)間 。 加工工作每周進(jìn)行5天 ， 分兩班倒 。
2021年 ， 泰伯格和現(xiàn)任IBM研究院院長(zhǎng)杰伊·甘貝塔探討了如何利用他們現(xiàn)有的全天候300毫米晶圓廠將量子計(jì)算作為一項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù) 。 對(duì)于近期量子計(jì)算而言 ， 理想的工藝流程是能夠利用最先進(jìn)的300毫米晶圓廠技術(shù)實(shí)現(xiàn)部分自動(dòng)化 ， 同時(shí)仍然依賴200毫米晶圓廠來完成定制或特別復(fù)雜的工藝步驟 。
量子技術(shù)前往奧爾巴尼奧爾巴尼納米科技園區(qū)是一個(gè)獨(dú)特的公私合作項(xiàng)目 ， 始于2002年 ， 當(dāng)時(shí)IBM、東京電子和紐約州政府?dāng)y手在紐約州立大學(xué)校園內(nèi)建造了全美最先進(jìn)的半導(dǎo)體研發(fā)中心 。 如今 ， IBM仍然是該尖端設(shè)施的核心合作伙伴 ， 在過去的二十年中 ， 奧爾巴尼納米科技園區(qū)已發(fā)展成為半導(dǎo)體領(lǐng)域最成功的生態(tài)系統(tǒng) ， 吸引了超過200億美元的投資 。
憑借尖端設(shè)備和數(shù)十年的專業(yè)經(jīng)驗(yàn) ， IBM奧爾巴尼研究院持續(xù)引領(lǐng)材料科學(xué)、納米技術(shù)和芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展 。 這其中包括納米片技術(shù)的研究與開發(fā) ， 該技術(shù)將助力IBM推出全球首款2納米芯片 。 因此 ， 奧爾巴尼研究院參與構(gòu)建量子計(jì)算的未來可謂順理成章 。
“我們成為了IBM量子硬件使命和路線圖的加速器 ， ”IBM研究院負(fù)責(zé)量子工藝技術(shù)研發(fā)和半導(dǎo)體加速的杰出工程師兼總監(jiān)Hemanth Jagannathan表示 ， “量子團(tuán)隊(duì)提出了需求 ， 我們會(huì)理解這些需求 ， 弄清楚涉及的工藝流程、集成方式 ， 以及如何快速、大規(guī)模地制造設(shè)備 。 ”
賈格納坦于2006年加入IBM ， 致力于研究新型材料和工藝 ， 以推進(jìn)數(shù)字電子產(chǎn)品的微縮化 ， 尤其是在高介電常數(shù)材料和金屬柵極技術(shù)方面 。 多年來 ， 他推動(dòng)了多項(xiàng)創(chuàng)新 ， 助力IBM先進(jìn)邏輯路線圖的推進(jìn) 。 他還曾擔(dān)任芯片組和先進(jìn)封裝技術(shù)的技術(shù)主管 ， 為IBM的人工智能硬件路線圖提供解決方案 。
作為半導(dǎo)體材料、工藝、器件架構(gòu)和封裝技術(shù)領(lǐng)域的資深專家 ， 賈格納坦在2021年量子團(tuán)隊(duì)來到奧爾巴尼時(shí)被邀請(qǐng)擔(dān)任該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人 。 他廣博而深厚的知識(shí)使他成為量子項(xiàng)目的理想人選 。 他將領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)團(tuán)隊(duì) ， 負(fù)責(zé)量子處理器晶圓的工藝開發(fā)和集成 。
但量子技術(shù)與經(jīng)典技術(shù)截然不同 。 盡管名稱相似 ， 量子比特（本質(zhì)上是量子芯片的晶體管）與為經(jīng)典芯片設(shè)計(jì)的2納米節(jié)點(diǎn)大相徑庭 。 它們無法采用教科書式的工藝流程 。 量子團(tuán)隊(duì)提出的要求都不同——不同的材料、不同的工具、以全新方式排列和連接的組件 。
或許最大的區(qū)別在于時(shí)間 。 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)可能有幾年的時(shí)間來研發(fā)和完善芯片 ， 而IBM量子團(tuán)隊(duì)則發(fā)布了一份雄心勃勃的路線圖 ， 承諾每年推出尺寸和性能均可擴(kuò)展的新芯片 ， 并承諾在2029年之前推出容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī) 。
量子半導(dǎo)體聯(lián)合團(tuán)隊(duì)需要制定量子芯片生產(chǎn)的規(guī)則 ， 就像上世紀(jì)七八十年代的工程師們制定雙極型晶體管（BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的生產(chǎn)規(guī)則一樣 。 而且 ， 他們需要在短短幾年內(nèi)完成這項(xiàng)工作 。 這就需要一種全新的研發(fā)方式 。
快速構(gòu)建學(xué)習(xí)文化Tyberg 和 Jagannathan 開始組建一支緊密聯(lián)系的聯(lián)合團(tuán)隊(duì) ， 負(fù)責(zé)在奧爾巴尼和約克鎮(zhèn)實(shí)現(xiàn)量子芯片 。
首先 ， 物理學(xué)家與制造工程師合作 ， 構(gòu)思出能夠滿足量子計(jì)算所需規(guī)模、質(zhì)量和速度的芯片設(shè)計(jì)方案 。 這些設(shè)計(jì)方案隨后交給制造團(tuán)隊(duì) ， 由他們負(fù)責(zé)將這些想法轉(zhuǎn)化為可在實(shí)際300毫米晶圓上執(zhí)行和重復(fù)的工藝流程 。
短期內(nèi) ， 部分晶圓將被切割成200毫米的芯片 ， 以便完成額外的定制工藝 。 晶圓隨后會(huì)經(jīng)過最終組裝 ， 并送入稀釋制冷機(jī) ， 以便物理學(xué)家驗(yàn)證其性能 。
量子技術(shù)給芯片設(shè)計(jì)和制造工程師帶來了新的挑戰(zhàn) 。 量子比特之間可能會(huì)發(fā)生不必要的相互作用并導(dǎo)致錯(cuò)誤 ， 因此他們需要一種能夠阻斷量子比特間相互作用的組件 。 他們需要能夠通過多組導(dǎo)線控制多個(gè)量子比特 ， 并且導(dǎo)線之間還需要相互交叉或上下交錯(cuò) 。 而對(duì)于最新的芯片 ， 他們需要連接除最近鄰量子比特之外的更遠(yuǎn)距離的量子比特 ， 但團(tuán)隊(duì)需要半導(dǎo)體方面的幫助才能解決所有這些問題 。
為了解決這些問題 ， 不斷壯大的團(tuán)隊(duì)開始構(gòu)建一種協(xié)作高效的文化 。 這不再是物理學(xué)家提出需求、工藝技術(shù)人員單方面解決問題的模式 。 物理學(xué)家和工藝集成人員經(jīng)常溝通 ， 共同理解問題所在 。 為了按時(shí)完成量子計(jì)算的緊迫任務(wù) ， 團(tuán)隊(duì)夜以繼日地工作 。
官方揭露IBM在半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)方面的雄厚基礎(chǔ)以及300毫米晶圓廠的先進(jìn)設(shè)施 ， 在鞏固其量子計(jì)算領(lǐng)域的領(lǐng)先地位方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用 。 憑借300毫米晶圓廠的強(qiáng)大能力和產(chǎn)能 ， 研究人員能夠在更短的時(shí)間內(nèi)探索更多種類的芯片設(shè)計(jì) 。 奧爾巴尼納米技術(shù)中心全天候24小時(shí)不間斷地進(jìn)行晶圓加工 。 因此 ， 我們能夠顯著縮短周期時(shí)間 。 這使得研究人員能夠快速迭代并實(shí)施改進(jìn)方案 ， 從而實(shí)現(xiàn)快速的學(xué)習(xí)循環(huán) 。
但成功的真正關(guān)鍵在于 ， 團(tuán)隊(duì)在奧爾巴尼和約克鎮(zhèn)兩地建立了一套緊密耦合的流程 ， 使他們能夠充分利用最先進(jìn)的300毫米技術(shù)、成熟的200毫米工藝以及兩種工藝模式下的專業(yè)知識(shí) ， 從而按時(shí)開發(fā)出Heron、Nighthawk和Loon等芯片 。 在這些晶圓上復(fù)制并創(chuàng)新工藝步驟 ， 制造出具有毫秒級(jí)相干時(shí)間的量子比特 ， 這充分證明了團(tuán)隊(duì)合作所能取得的成就 。
“IBM作為一家擁有200毫米和300毫米晶圓廠內(nèi)部使用權(quán)的公司 ， 處于非常獨(dú)特的地位 ， ”泰伯格說 。 “如果我們能充分利用這些能力 ， 這將真正給我們帶來優(yōu)勢(shì) 。 ”
隨著夜鷹和潛鳥的首批模型順利出爐 ， 聯(lián)合團(tuán)隊(duì)可以舉辦一場(chǎng)慶祝活動(dòng) ， 屆時(shí)將有大量蛋糕供應(yīng) ， 房間里擺滿了與這兩種鳥類相關(guān)的周邊產(chǎn)品 。 笑翠鳥、鳳頭鸚鵡、椋鳥和藍(lán)松鴉的模型也即將面世 ， 這段旅程才剛剛開始 。 他們還將面臨許多全新的挑戰(zhàn) 。 但團(tuán)隊(duì)充滿信心 。
“未來幾年 ， 我們需要快速創(chuàng)新并不斷完善這些系統(tǒng) 。 但我們所構(gòu)建的每一個(gè)環(huán)節(jié)都凝聚著頂尖的人才和專業(yè)知識(shí)——不僅包括半導(dǎo)體領(lǐng)域 ， 也包括系統(tǒng)開發(fā)團(tuán)隊(duì)——這些專家們的工作水平之高 ， 外人恐怕難以想象 ， ”賈格納坦說道 。 “我或許有些偏頗 ， 但我非常有信心 ， 我們可能是全球唯一一家能夠做到這一點(diǎn)的公司 。 ”
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