2014年7月11日消息，IBM宣布，將在未來(lái)5年投資30億美元開(kāi)展兩項(xiàng)廣泛研究及早期開(kāi)發(fā)計(jì)劃，以推動(dòng)突破芯片技術(shù)極限，滿足云計(jì)算和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的新興需求。這些投資將推動(dòng)IBM的半導(dǎo)體創(chuàng)新，從目前的有所突破，發(fā)展到更面向未來(lái)所需要的技術(shù)領(lǐng)先。

第一項(xiàng)研究計(jì)劃針對(duì)于“7納米及以下”的硅技術(shù)，這將應(yīng)對(duì)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(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和制造能力的拓展。第二項(xiàng)研究計(jì)劃集中于為后硅時(shí)代芯片開(kāi)發(fā)出替代技術(shù)，IBM科學(xué)家和其他專家將采用完全不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)，因?yàn)楣杌雽?dǎo)體存在著物理極限。

云計(jì)算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用又對(duì)系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)榈讓拥男酒夹g(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(tuán)隊(duì)將由來(lái)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(xué)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(jìn)行大規(guī)模招聘，這些領(lǐng)域包括碳納米電子學(xué)、硅光子學(xué)、新內(nèi)存技術(shù)，以及支持量子和認(rèn)知計(jì)算的架構(gòu)。

這些團(tuán)隊(duì)將專注于在系統(tǒng)級(jí)性能和高能效計(jì)算方面進(jìn)行研究并實(shí)現(xiàn)突破。此外，IBM將繼續(xù)投資于納米科學(xué)和量子計(jì)算。三十多年來(lái)，IBM在這兩個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)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(dǎo)體專家預(yù)測(cè)，雖然存在挑戰(zhàn)，但半導(dǎo)體制程工藝有希望在未來(lái)數(shù)年里從目前的22納米縮減到14納米，進(jìn)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(dǎo)體架構(gòu)方面進(jìn)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(wèn)題不在于我們是否將把7納米技術(shù)應(yīng)用到芯片生產(chǎn)制造過(guò)程中，而是我們?nèi)绾巫龅?、何時(shí)做到，以及以何種代價(jià)做到，”IBM高級(jí)副總裁、IBM研究院院長(zhǎng)John Kelly博士指出。“IBM的工程師和科學(xué)家以及我們的合作伙伴都非常積極應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，并已經(jīng)開(kāi)始著手處理必需的材料科學(xué)和設(shè)備工程問(wèn)題，以滿足新興系統(tǒng)對(duì)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和認(rèn)知系統(tǒng)的需求。這些新的投資將確保我們實(shí)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(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這需要深刻的物理學(xué)和納米材料專業(yè)知識(shí)。IBM是世界上僅有的少數(shù)幾家能夠開(kāi)展這種層次的科學(xué)與工程研究的公司之一，”Envisioneering 集團(tuán)技術(shù)總監(jiān)Richard Doherty表示。

通向“后硅”時(shí)代的橋梁

硅晶體管，也就是芯片上傳遞信息的微型開(kāi)關(guān)，一直在年復(fù)一年被制造得越來(lái)越細(xì)小，但它們正在接近物理極限點(diǎn)。它們?cè)絹?lái)越細(xì)小的尺寸現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了納米級(jí)，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(jìn)。在未來(lái)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(huì)在更低功率、更低成本及更高速處理器方面，實(shí)現(xiàn)業(yè)界已習(xí)以為常的突破和進(jìn)展。

目前幾乎所有的電子設(shè)備都采用CMOS(CMOS，Complementary metal–oxide–semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(jì)，因?yàn)樵摷夹g(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(shí)，挑戰(zhàn)急劇增加，需要一種新的材料來(lái)推動(dòng)未來(lái)的系統(tǒng)，也需要新的計(jì)算平臺(tái)來(lái)解決目前無(wú)法或難以解決的問(wèn)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(jì)算、認(rèn)知計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)甚至量子計(jì)算等非傳統(tǒng)的計(jì)算方法。

作為旨在突破傳統(tǒng)硅基計(jì)算的領(lǐng)導(dǎo)者，IBM擁有超過(guò)500項(xiàng)專利，這些技術(shù)將推動(dòng)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(guò)最接近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的兩倍以上。這些持續(xù)的投資將有助于加速在IBM云計(jì)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(kāi)發(fā)。

以下是若干探索性的研究突破，它們可能會(huì)導(dǎo)致重大進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)明顯更小、更快、更強(qiáng)大的計(jì)算芯片。這些突破包括量子計(jì)算、神經(jīng)突觸(neurosynaptic computing計(jì)算、硅光子技術(shù)(silicon photonics)、碳納米管(carbon nanotubes)、III-V族半導(dǎo)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(jì)算

通常計(jì)算機(jī)能夠理解的最基本信息單元是“比特”。就像能夠打開(kāi)或關(guān)閉的燈光一樣，比特只能是兩個(gè)值中的一個(gè)：“1”或“0”。對(duì)于量子比特(或簡(jiǎn)稱為“qubit”)而言，它們可以保持 “1”或“0”的值，也可以同時(shí)保持這兩個(gè)值。這種現(xiàn)象被稱為“疊加”(superposition)，它能夠讓量子計(jì)算機(jī)一次執(zhí)行數(shù)百萬(wàn)次計(jì)算，而臺(tái)式機(jī)只能一次只能處理一次計(jì)算。

IBM在基于超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)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(xué)的范疇，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它們可能會(huì)為目前利用傳統(tǒng)機(jī)器不可能或無(wú)法可行地解決的問(wèn)題帶來(lái)解決方案。該團(tuán)隊(duì)最近展示了利用三個(gè)超導(dǎo)量子比特進(jìn)行奇偶校驗(yàn)的首個(gè)實(shí)驗(yàn)，這實(shí)際上是一類量子計(jì)算機(jī)必不可少的構(gòu)建塊。

神經(jīng)突觸計(jì)算

IBM和大學(xué)合作伙伴把納米科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和超級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)合到一起，開(kāi)發(fā)出了一套端到端生態(tài)系統(tǒng)，其中包括一個(gè)新的非馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)、一種新的編程語(yǔ)言以及眾多應(yīng)用。這種新穎的技術(shù)能夠讓計(jì)算系統(tǒng)模擬大腦的計(jì)算效率、規(guī)模和能源消耗。IBM的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是建立具有一百億個(gè)神經(jīng)元和一百萬(wàn)億個(gè)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(guò)12年來(lái)，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(gè)硅芯片上。而且IBM團(tuán)隊(duì)最近還設(shè)計(jì)和制造出世界上第一個(gè)基于單片硅光子、采用波分多路復(fù)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(jì)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(diǎn)。

硅納米光子技術(shù)利用光脈沖進(jìn)行通信，而不是采用傳統(tǒng)的銅導(dǎo)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(jí)計(jì)算機(jī)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(jìn)入計(jì)算新時(shí)代，需要系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)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(wú)縫連接大型系統(tǒng)的各個(gè)部件，無(wú)論這些部件之間相距幾厘米或幾公里;而且能夠通過(guò)光纖以光脈沖的方式傳遞若干TB的數(shù)據(jù)。

III-V族半導(dǎo)體技術(shù)

IBM公司的研究人員已經(jīng)在一套自對(duì)準(zhǔn)III-V族溝道MOSFET器件結(jié)構(gòu)中演示了世界上最高的跨導(dǎo)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(gè)數(shù)量級(jí)電子遷移率，通過(guò)把III-V族材料整合到CMOS中，可以以更低的功率密度實(shí)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(jì)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(kāi)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(diǎn)取代硅。作為開(kāi)發(fā)基于CMOS 超大規(guī)模集成電路的碳納米管的活動(dòng)的一部分，IBM公司最近在世界上首次展示了2路CMOS與非門(mén)(CMOS NAND gates)，它采用50納米柵極長(zhǎng)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(yàn)證的)純度;IBM還在10納米通道長(zhǎng)度上展示了不因?yàn)橐?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(wú)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(yùn)行，但性能會(huì)更好。它們可以替換當(dāng)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(yùn)算服務(wù)器、高性能計(jì)算機(jī)以及超快速智能手機(jī)得以運(yùn)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(kāi)關(guān)那樣來(lái)運(yùn)行 – 這個(gè)厚度相當(dāng)于人類頭發(fā)絲的1/10000，小于目前主流硅技術(shù)的一半。對(duì)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(dǎo)體，并且還具有非常高的強(qiáng)度和柔韌性。電子在石墨烯中的移動(dòng)速度比在常用的半導(dǎo)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(dǎo)體器件更快的開(kāi)關(guān)晶體管，尤其適用于手持無(wú)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行У拈_(kāi)關(guān)。

在2013年，IBM展示了世界上第一套用于無(wú)線通信的基于石墨烯的集成電路接收機(jī)。該電路包括一個(gè)2級(jí)放大器和一個(gè)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(lái)提高未來(lái)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(gè)漏水的水龍頭，即便非常快地關(guān)上閥門(mén)，還是會(huì)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(huì)發(fā)生能源“泄露”或者浪費(fèi)的情況。

對(duì)目前極其耗電的硅場(chǎng)效應(yīng)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(yùn)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(xué)家們正在研究隧道場(chǎng)效應(yīng)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(xué)效應(yīng)被用來(lái)驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)晶體管。與互補(bǔ)CMOS晶體管相比，TFET的能耗可以降低100倍，這樣一來(lái)，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(kāi)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(biāo)準(zhǔn)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(lái)第一次基于硅的砷化銦的隧道二極管和TFET，實(shí)現(xiàn)了低功耗的應(yīng)用。

“下一個(gè)十年，硬件系統(tǒng)將會(huì)和今天有根本上的不同，我們的科學(xué)家和工程師正在推動(dòng)突破半導(dǎo)體創(chuàng)新的局限，探索后硅時(shí)代，半導(dǎo)體技術(shù)的未來(lái)，”IBM高級(jí)副總裁、系統(tǒng)與科技部總經(jīng)理Tom Rosamilia指出，“IBM的研究和開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)正在創(chuàng)造的是顛覆式的創(chuàng)新，將會(huì)引領(lǐng)下一個(gè)計(jì)算時(shí)代的到來(lái)。”

IBM對(duì)硅和半導(dǎo)體創(chuàng)新的歷史性貢獻(xiàn)包括發(fā)明和首次實(shí)施了：?jiǎn)我粏卧狣RAM，支撐“摩爾定律”的“Dennard標(biāo)度律”(Dennard scaling laws)，化學(xué)放大的光刻膠，銅互連布線，絕緣硅，疲勞設(shè)計(jì)(strained engineering)，多核心微處理器，浸沒(méi)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(rèn)為開(kāi)啟了納米設(shè)備時(shí)代，因?yàn)樗麄儼l(fā)明了獲得諾貝爾獎(jiǎng)的掃描隧道顯微鏡，這推動(dòng)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(xué)的研究人員合作，為半導(dǎo)體行業(yè)探索和開(kāi)發(fā)未來(lái)技術(shù)。特別是，IBM將繼續(xù)通過(guò)公-私合作支持(PPP方式)和資助大學(xué)研究，例如，與NanoElectornics研究計(jì)劃(NRI)、半導(dǎo)體高級(jí)研究網(wǎng)(STARnet)以及半導(dǎo)體研究公司的全球研究聯(lián)合會(huì)(GRC)進(jìn)行合作。