7/14/2014,IBM宣布，將在未來5年投資30億美元開展兩項廣泛研究及早期開發(fā)計劃，以推動突破芯片技術(shù)極限，滿足云計算和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的新興需求。這些投資將推動IBM的半導體創(chuàng)新，從目前的有所突破，發(fā)展到更面向未來所需要的技術(shù)領(lǐng)先。

第一項研究計劃針對于“7納米及以下”的硅技術(shù)，這將應對那些芯片制造上面的重要的物理工藝上的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)已經(jīng)威脅到了現(xiàn)有的半導體技術(shù)的進一步發(fā)展和制造能力的拓展。第二項研究計劃集中于為后硅時代芯片開發(fā)出替代技術(shù)，IBM科學家和其他專家將采用完全不同的方法來實現(xiàn)這些技術(shù)，因為硅基半導體存在著物理極限。

云計算和大數(shù)據(jù)應用又對系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)，這是因為底層的芯片技術(shù)正面臨著眾多顯著的物理極限。內(nèi)存帶寬、高速通信和設(shè)備功耗正逐漸成為日益關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。

該研究團隊將由來自紐約州Albany和Yorktown、加利福尼亞州Almaden以及瑞士蘇黎世的IBM研究院科學家和工程師組成。不僅如此，IBM還將在眾多新興研究領(lǐng)域進行大規(guī)模招聘，這些領(lǐng)域包括碳納米電子學、硅光子學、新內(nèi)存技術(shù)，以及支持量子和認知計算的架構(gòu)。

這些團隊將專注于在系統(tǒng)級性能和高能效計算方面進行研究并實現(xiàn)突破。此外，IBM將繼續(xù)投資于納米科學和量子計算。三十多年來，IBM在這兩個基礎(chǔ)科學領(lǐng)域一直是先行者。

7納米及以下技術(shù) IBM研究人員和其他半導體專家預測，雖然存在挑戰(zhàn)，但半導體制程工藝有希望在未來數(shù)年里從目前的22納米縮減到14納米，進而縮減到10納米。然而，如果需要在十年以后壓縮到7納米或更低，則需要在半導體架構(gòu)方面進行巨大投資和創(chuàng)新，并需要發(fā)明新型制造工具和技術(shù)。

“問題不在于我們是否將把7納米技術(shù)應用到芯片生產(chǎn)制造過程中，而是我們?nèi)绾巫龅健⒑螘r做到，以及以何種代價做到，”IBM高級副總裁、IBM研究院院長John Kelly博士指出�！癐BM的工程師和科學家以及我們的合作伙伴都非常積極應對這個挑戰(zhàn)，并已經(jīng)開始著手處理必需的材料科學和設(shè)備工程問題，以滿足新興系統(tǒng)對云計算、大數(shù)據(jù)和認知系統(tǒng)的需求。這些新的投資將確保我們實現(xiàn)必要的創(chuàng)新，以迎接這些挑戰(zhàn)。”

“將芯片的制程工藝縮減到7納米及以下正在成為一項嚴峻的挑戰(zhàn)。這需要深刻的物理學和納米材料專業(yè)知識。IBM是世界上僅有的少數(shù)幾家能夠開展這種層次的科學與工程研究的公司之一，”Envisioneering 集團技術(shù)總監(jiān)Richard Doherty表示。

通向“后硅”時代的橋梁硅晶體管，也就是芯片上傳遞信息的微型開關(guān)，一直在年復一年被制造得越來越細小，但它們正在接近物理極限點。它們越來越細小的尺寸現(xiàn)在已經(jīng)達到了納米級，但是由于受限于硅的性質(zhì)和物理定律，這將阻礙其在性能上取得大的改進。在未來若干代技術(shù)之后，傳統(tǒng)的硅晶體管大規(guī)模集成和芯片制程縮小技術(shù)，將不會在更低功率、更低成本及更高速處理器方面，實現(xiàn)業(yè)界已習以為常的突破和進展。

目前幾乎所有的電子設(shè)備都采用CMOS（CMOS，Complementary metal–oxide–semiconductor，互補金屬氧化物半導體）技術(shù)，因此迫切需要與這種工程工藝相兼容的新材料和新電路架構(gòu)設(shè)計，因為該技術(shù)已經(jīng)接近于硅晶體管的物理極限。

在芯片制程工藝低于7納米時，挑戰(zhàn)急劇增加，需要一種新的材料來推動未來的系統(tǒng)，也需要新的計算平臺來解決目前無法或難以解決的問題。潛在的替代品包括：碳納米管等新材料，以及包括神經(jīng)形態(tài)計算、認知計算、機器學習技術(shù)甚至量子計算等非傳統(tǒng)的計算方法。

作為旨在突破傳統(tǒng)硅基計算的領(lǐng)導者，IBM擁有超過500項專利，這些技術(shù)將推動7納米及以下硅芯片的發(fā)展。而且，IBM的這些專利數(shù)量超過最接近的競爭對手的兩倍以上。這些持續(xù)的投資將有助于加速在IBM云計算系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域產(chǎn)生更多發(fā)明，并加快把它們投入生產(chǎn)開發(fā)。

以下是若干探索性的研究突破，它們可能會導致重大進步，實現(xiàn)明顯更小、更快、更強大的計算芯片。這些突破包括量子計算、神經(jīng)突觸(neurosynaptic computing計算、硅光子技術(shù)（silicon photonics）、碳納米管（carbon nanotubes）、III-V族半導體技術(shù)（III-V technologies）、低功耗晶體管（low power transistors ）:以及石墨烯（graphene）：

量子計算通常計算機能夠理解的最基本信息單元是“比特”。就像能夠打開或關(guān)閉的燈光一樣，比特只能是兩個值中的一個：“1”或“0”。對于量子比特（或簡稱為“qubit”）而言，它們可以保持 “1”或“0”的值，也可以同時保持這兩個值。這種現(xiàn)象被稱為“疊加”（superposition），它能夠讓量子計算機一次執(zhí)行數(shù)百萬次計算，而臺式機只能一次只能處理一次計算。

IBM在基于超導量子比特的量子計算科學領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，同時也是實驗和理論量子信息領(lǐng)域的先鋒，這些領(lǐng)域目前仍處于基礎(chǔ)科學的范疇，但從長遠來看，它們可能會為目前利用傳統(tǒng)機器不可能或無法可行地解決的問題帶來解決方案。該團隊最近展示了利用三個超導量子比特進行奇偶校驗的首個實驗，這實際上是一類量子計算機必不可少的構(gòu)建塊。

神經(jīng)突觸計算 IBM和大學合作伙伴把納米科學、神經(jīng)科學和超級計算機結(jié)合到一起，開發(fā)出了一套端到端生態(tài)系統(tǒng)，其中包括一個新的非馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)、一種新的編程語言以及眾多應用。這種新穎的技術(shù)能夠讓計算系統(tǒng)模擬大腦的計算效率、規(guī)模和能源消耗。IBM的長遠目標是建立具有一百億個神經(jīng)元和一百萬億個突觸的神經(jīng)突觸系統(tǒng)，而其能耗只有一千瓦，體積不到兩升。

硅光子技術(shù)超過12年來，IBM一直是CMOS集成硅光子領(lǐng)域的先驅(qū)，這種技術(shù)能夠把光通信功能整合到一個硅芯片上。而且IBM團隊最近還設(shè)計和制造出世界上第一個基于單片硅光子、采用波分多路復用技術(shù)的收發(fā)器。這樣的收發(fā)器能夠利用光線以很高的數(shù)據(jù)速率在計算系統(tǒng)的不同組件之間傳輸數(shù)據(jù)，具有成本低、能效高的優(yōu)點。

硅納米光子技術(shù)利用光脈沖進行通信，而不是采用傳統(tǒng)的銅導線技術(shù)，從而為大量數(shù)據(jù)在服務(wù)器、大型數(shù)據(jù)中心和超級計算機的芯片間通信提供了一條超高速公路，能夠緩解傳統(tǒng)互聯(lián)方式的數(shù)據(jù)流量擁堵和高成本的限制。

企業(yè)正在進入計算新時代，需要系統(tǒng)來實時處理和分析極其大量的信息，即大數(shù)據(jù)。硅納米光子技術(shù)為大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)給出了答案，它能夠無縫連接大型系統(tǒng)的各個部件，無論這些部件之間相距幾厘米或幾公里；而且能夠通過光纖以光脈沖的方式傳遞若干TB的數(shù)據(jù)。

III-V族半導體技術(shù) IBM公司的研究人員已經(jīng)在一套自對準III-V族溝道MOSFET器件結(jié)構(gòu)中演示了世界上最高的跨導性，該結(jié)構(gòu)與CMOS縮放相兼容。這些材料以及結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新有望為7納米及以下縮放技術(shù)鋪平道路。利用比硅材料高出一個數(shù)量級電子遷移率，通過把III-V族材料整合到CMOS中，可以以更低的功率密度實現(xiàn)更高的性能，從而拓展功耗/性能比縮減的空間，滿足云計算和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的需求。

碳納米管 IBM研究人員正在碳納米管（CNT）電子領(lǐng)域開展工作，探索碳納米管是否能夠在7納米以及以下的節(jié)點取代硅。作為開發(fā)基于CMOS 超大規(guī)模集成電路的碳納米管的活動的一部分，IBM公司最近在世界上首次展示了2路CMOS與非門（CMOS NAND gates），它采用50納米柵極長度的碳納米管晶體管。

IBM還展示了把碳納米管純化至99.99％的能力，這是迄今為止最高的（經(jīng)驗證的）純度；IBM還在10納米通道長度上展示了不因為規(guī)模集成而出現(xiàn)劣化現(xiàn)象的晶體管，這是迄今任何其他材料體系所無法比擬的。

碳納米管是卷成筒狀的單層碳原子。碳納米管構(gòu)成了一類晶體管器件的核心，它們可以用類似于目前硅晶體管的方式運行，但性能會更好。它們可以替換當前所使用的芯片中的晶體管，這些芯片使我們的數(shù)據(jù)運算服務(wù)器、高性能計算機以及超快速智能手機得以運轉(zhuǎn)。

碳納米管晶體管能夠在不足10納米的分子厚度上像精良的開關(guān)那樣來運行 – 這個厚度相當于人類頭發(fā)絲的1/10000，小于目前主流硅技術(shù)的一半。對電子電路的綜合建模表明，相比硅電路，碳納米管有可能使性能提高大約5-10倍。

石墨烯石墨烯是一種以一層原子厚度形式存在的純碳。它是非常優(yōu)良的熱和電導體，并且還具有非常高的強度和柔韌性。電子在石墨烯中的移動速度比在常用的半導體材料（例如硅和硅鍺材料）中快約10倍。其特性使得有可能制造出比傳統(tǒng)半導體器件更快的開關(guān)晶體管，尤其適用于手持無線通信業(yè)務(wù)領(lǐng)域，石墨烯在這些領(lǐng)域?qū)⒊蔀楸饶壳笆褂玫牟牧细�有效的開關(guān)。

在2013年，IBM展示了世界上第一套用于無線通信的基于石墨烯的集成電路接收機。該電路包括一個2級放大器和一個4.3GHz的降壓轉(zhuǎn)換器。

下一代低功耗晶體管除了碳納米管之類的新材料之外，還需要新的架構(gòu)和創(chuàng)新的設(shè)備理念來提高未來系統(tǒng)的性能。功耗是納米電子電路的根本挑戰(zhàn)。為了理解該挑戰(zhàn)，可以設(shè)想一個漏水的水龍頭，即便非常快地關(guān)上閥門，還是會有水往下滴，這跟現(xiàn)在的晶體管的情形非常相似，在晶體管中經(jīng)常會發(fā)生能源“泄露”或者浪費的情況。

對目前極其耗電的硅場效應晶體管的一種潛在替代品是所謂的陡坡設(shè)備。它們能以非常低的電壓運行，從而消耗明顯少的功率。

為了減少電子產(chǎn)品的能耗，IBM的科學家們正在研究隧道場效應晶體管（TFET）。在這種特殊類型的晶體管中，“帶-帶”隧穿的量子力學效應被用來驅(qū)動電流流過晶體管。與互補CMOS晶體管相比，TFET的能耗可以降低100倍，這樣一來，把TFET與CMOS技術(shù)整合到一起就可以提升低功耗集成電路性能。

就在最近，IBM已經(jīng)開發(fā)出一種新方法，利用砷化銦作為源，利用硅作為通道，用環(huán)繞式柵極作為陡坡設(shè)備，直接在標準的硅襯底上集成III-V族納米線和異質(zhì)結(jié)構(gòu)，制造出有史以來第一次基于硅的砷化銦的隧道二極管和TFET，實現(xiàn)了低功耗的應用。

“下一個十年，硬件系統(tǒng)將會和今天有根本上的不同，我們的科學家和工程師正在推動突破半導體創(chuàng)新的局限，探索后硅時代，半導體技術(shù)的未來，”IBM高級副總裁、系統(tǒng)與科技部總經(jīng)理Tom Rosamilia指出，“IBM的研究和開發(fā)團隊正在創(chuàng)造的是顛覆式的創(chuàng)新，將會引領(lǐng)下一個計算時代的到來�！�

IBM對硅和半導體創(chuàng)新的歷史性貢獻包括發(fā)明和首次實施了：單一單元DRAM，支撐“摩爾定律”的“Dennard標度律”（Dennard scaling laws），化學放大的光刻膠，銅互連布線，絕緣硅，疲勞設(shè)計（strained engineering），多核心微處理器，浸沒式光刻技術(shù)，高速硅鍺（SiGe），高k柵介質(zhì)，嵌入式DRAM，3D芯片堆疊，以及氣隙絕緣。

IBM的研究人員還被認為開啟了納米設(shè)備時代，因為他們發(fā)明了獲得諾貝爾獎的掃描隧道顯微鏡，這推動了納米和原子尺度的發(fā)明和創(chuàng)新。

IBM還將繼續(xù)資助并與大學的研究人員合作，為半導體行業(yè)探索和開發(fā)未來技術(shù)。特別是，IBM將繼續(xù)通過公-私合作支持（PPP方式）和資助大學研究，例如，與NanoElectornics研究計劃（NRI）、半導體高級研究網(wǎng)（STARnet）以及半導體研究公司的全球研究聯(lián)合會（GRC）進行合作。

來源ZDNetserver頻道