В классической электронике пока еще главная причина сложности ее масштабирования — это отвод тепла и подача энергии. Полупроводники, работающие на экстремально низких температурах, широко исследуются во многих странах. Да, потребуются эффективные охладители, например жидкий азот или жидкий гелий. Разумеется, такие жидкости не очень юзерфрендли и персональная электроника для них закрыта, но датацентры потянут криогенные жидкости. Собственно, о криогенной электронике мы сегодня и поговорим. 

А что это вообще такое?

Криоге́ника (от слов греч. κρύος «холод, мороз» + γένος «род, происхождение») — раздел физики низких температур, изучающий закономерности изменения свойств различных веществ в условиях крайне низких («криогенных») температур. Кроме этого, этим термином обозначают технологии и аппаратно-методические средства работы в условиях низких температур. Также определяется как область науки, охватывающая исследование, развитие и применение криогенной техники.

В США реализуется госпрограмма по криогенной электронике Cryogenic Computing Complexity (C3) Program. Она включает 2 направления:

• Криогенная память: новые подходы к реализации высокопроизводительных компьютерных систем с сильным увеличением емкости памяти и энергоэффективностью: 

• Логические процессоры, коммуникации и системы: разработка продвинутых сверхпроводящих схем и их интеграция с памятью и другими компонентами для демонстрации минимальной сверхпроводящей компьютерной системы, на которой возможно измерить ключевые рабочие характеристики.

В исследовании (май 2025) к 2033 году мировой рынок криогенных устройств для квантовых вычислений достигнет объёма примерно в 1,5 миллиарда долларов США, а среднегодовой темп роста составит 18,5% в период с 2025 по 2033 год. Этот рост в первую очередь обусловлен увеличением спроса на передовые возможности квантовых вычислений, для которых требуются сложные криогенные устройства, способные поддерживать сверхнизкие температуры, необходимые для квантовых операций. Стремительное развитие квантовых технологий в сочетании с увеличением инвестиций как со стороны государственного, так и со стороны частного сектора способствуют дальнейшему расширению рынка. По мере развития квантовых вычислений потребность в эффективных и надёжных криогенных решениях становится всё более острой, что обеспечивает значительный рост этого рынка в ближайшие годы.

Основные моменты рынка криогенных устройств для квантовых вычислений:

• В настоящее время наибольшая доля рынка приходится на Северную Америку, что обусловлено значительными инвестициями в квантовые исследования и разработки;

• Ожидается, что в Азиатско-Тихоокеанском регионе будут наблюдаться самые высокие темпы роста благодаря увеличению государственных инициатив и инвестиций в квантовые технологии;

• Криостаты и холодильники — это основные компоненты, на долю которых приходится большая часть рынка, поскольку они играют важнейшую роль в поддержании низких температур;

• Научно-исследовательские институты являются основными конечными пользователями криогенных устройств, которые применяются для проведения передовых квантовых экспериментов и разработок;

• Сотрудничество между технологическими гигантами и исследовательскими институтами способствует развитию инноваций и ускорению роста рынка;

• Нормативно-правовая база и государственная политика становятся всё более благоприятными для развития и внедрения квантовых технологий.

Соединённые Штаты занимают лидирующие позиции на рынке криогенных устройств для квантовых вычислений. Текущий объём рынка составляет всего 400 миллионов долларов. Лидерство страны обусловлено развитой исследовательской инфраструктурой, значительным государственным финансированием и присутствием крупных технологических компаний, которые вкладывают значительные средства в квантовые технологии. Китай быстро становится ключевым игроком на рынке с объёмом в 200 миллионов долларов и впечатляющим среднегодовым темпом роста в 21,0%. Стратегическое внимание китайского правительства к развитию квантовых технологий и их интеграции в национальную безопасность и экономические стратегии являются ключевыми факторами роста. 

Германия с объёмом рынка в 150 миллионов долларов США и среднегодовым темпом роста в 16,0% является лидером в Европе благодаря мощной промышленной поддержке и госинициативам, направленным на стимулирование инноваций в области квантовых технологий. Япония с объёмом рынка в 100 миллионов долларов и среднегодовым темпом роста в 19,5% использует свою передовую технологическую инфраструктуру и исследовательские программы для стимулирования роста в секторе квантовых вычислений. 

Патентный аспект

Google.patents в сентябре 2025 выдал более 18 000 патентов по теме (Cryogenic computing) (H01L). Лидерами по числу патентов являются следующие патентообладатели:

1. Intel Corporation — 9,1%;

2. Monolithic 3D Inc. — 9%;

3. International Business Machines Corporation — 4,3%;

4. Texas Instruments Incorporated — 3%;

5. Applied Materials, Inc. — 2,9%;

6. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. — 2,4%.

Динамика по годам представлена на рис. 1.

Видно, что последние 10 лет мировая активность патентования изобретений по криогенной электронике выросла более чем в 3 раза! При этом первые строчки рейтинга патентообладателей занимают исключительно компании из США. TSMC оказалась лишь на шестом месте! 

Примеры их патентов:

• US10381541B2 Cryogenic electronic packages and methods for fabricating cryogenic electronic packages;

• CN118969683A Semiconductor wafer cooling method and system;

• CN117936478A A microchannel heat sink with non-uniform microstructure.

Патенты РФ

В базе ФИПС по рефератам на термин «Криогенная электроника» 22.08.2025 обнаружено 14 патентов РФ на изобретения за период 1995-2023 гг., действуюет всего один. Это №2554614 (2015) Джозефсоновский 0-пи переключатель. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова. Изобретение относится к криогенной электронике, представляет собой джозефсоновский 0-π переключатель и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах, в устройствах сверхпроводниковой электроники. Устройство выполнено по планарной технологии и состоит из двух сверхпроводящих электродов и области слабой связи, включающей магнитный слой с непосредственной или резонансной проводимостью, слой изолятора и сверхпроводящий слой между ними, а также два вспомогательных сверхпроводящих подвода для задания тока через магнитный слой. Техническим результатом является изменение величины критического тока джозефсоновской гетероструктуры под действием малого токового сигнала по сравнению с предыдущими геометриями, а также возможность переключения между состояниями с разными знаками критического тока, возможность обеспечить достаточно высокую характерную частоту джозефсоновской гетероструктуры и, как следствие, достаточно высокое быстродействие элемента памяти на ее основе.

Имеются аж два действующих патента РФ на полезные модели, полученных недавно:

• №229977 (2024) Параметрический усилитель бегущей волны на основе копланарной линии передачи из тонкой пленки гранулированного алюминия. Национальный исследовательский технологический университет МИСИС. Полезная модель относится к области криогенной СВЧ-электроники, а именно сверхпроводниковым параметрическим усилителям. Техническим результатом является широкополосное параметрическое усиление устройством, изготовленным методами оптической литографии..

• №236144 (2025) Широкополосный параметрический усилитель бегущей волны на основе микрополосковой линии передачи из тонкой пленки нитрида ниобия и германия. Национальный исследовательский технологический университет МИСИС. Полезная модель относится к области криогенной СВЧ-электроники, а именно сверхпроводниковым параметрическим усилителям. Изобретение может использоваться для усиления микроволнового сигнала различных устройств, работающих при температуре ниже 4 К, а именно сверхпроводниковых кубитов, астрофизических датчиков, молекулярных магнитных устройств.

Топологий интегральных схем, баз данных, программ для ЭВМ по термину криогенная электроника в РФ не зарегистрировано вовсе.

Заключение

Рынок криогенных полупроводниковых устройств предоставляет множество возможностей для развития, обусловленных растущим спросом на передовые технологии квантовых вычислений. По мере развития квантовых технологий потребность в эффективных и надёжных криогенных решениях становится всё более острой, что обеспечивает значительный рост этого рынка в ближайшие годы. Кроме того, стремительное развитие квантовых технологий в сочетании с увеличением инвестиций как со стороны государственного, так и со стороны частного сектора способствует дальнейшему расширению рынка. Внедрение квантовых вычислений в различные отрасли, такие как финансы, здравоохранение и телекоммуникации, повышает спрос на криогенные устройства и создаёт новые возможности для участников рынка.

Ещё одна возможность заключается в разработке компактных и экономичных криогенных решений, которые расширяют сферу их применения и делают их доступными для более широкого круга конечных пользователей, включая небольшие исследовательские институты и стартапы. 

Однако рынок также сталкивается с определёнными угрозами, в том числе с высокой стоимостью криогенных устройств и сложностью их эксплуатации и обслуживания. Эти факторы могут создавать проблемы для небольших исследовательских институтов и стартапов, ограничивая их возможности по внедрению и интеграции криогенных решений в свою деятельность. Кроме того, рынок характеризуется быстрым технологическим прогрессом, который может привести к устареванию существующих продуктов и решений, что представляет угрозу для участников рынка, которые не успевают за развитием технологий. Кроме того, проблемы с регулированием и опасения по поводу конфиденциальности и безопасности данных также могут препятствовать росту рынка, поскольку они могут повлиять на внедрение и использование решений для квантовых вычислений.

За последние 10 лет мировая активность патентования изобретений по криогенной электронике выросла более чем в 3 раза! Лидируют патентообладатели из США. Лидерами в изобретательстве выступают мощные производственные компании типа Intel или IBM.

В России имеются немногочисленные патенты по криогенной электронике. Патентообладателями выступают технические вузы. Ни одно из предприятий отечественной электроники патентов по данной теме не имеет.