據(jù)彭博社報(bào)道，知情人士稱，IBM曾愿意向Globalfoundries支付高達(dá)10億美金的費(fèi)用以讓后者接管其芯片制造業(yè)務(wù)。IBM和Globalfoundries發(fā)言人對(duì)此不予置評(píng)，那么這條消息是否真實(shí)？筆者以為不然。因?yàn)椴坏揭粋€(gè)月以前IBM還宣布要投入30億美元的大手筆來(lái)研發(fā)芯片業(yè)務(wù)，以滿足云計(jì)算和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的新興需求。

在芯片業(yè)務(wù)領(lǐng)域，藍(lán)色巨人IBM有他自己的一套六脈神劍的打法。筆者以為主要在以下幾個(gè)方面的技術(shù)上取得突破，就或許能引領(lǐng)行業(yè)，在材料學(xué)和設(shè)備工程上更進(jìn)一步：

納米技術(shù)

　　納米技術(shù)概念圖(來(lái)自image.baidu.com)

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(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)，想要在進(jìn)一步就顯得越來(lái)越艱難，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，甚至到7nm以下。

IBM高級(jí)副總裁、IBM 研究院院長(zhǎng) John Kelly 博士指出“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。”

“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。

量子計(jì)算

量子計(jì)算是一種依照量子力學(xué)理論進(jìn)行的新型計(jì)算，量子計(jì)算的基礎(chǔ)和原理以及重要量子算法為在計(jì)算速度上超越圖靈機(jī)模型提供了可能。量子的重疊與牽連原理產(chǎn)生了巨大的計(jì)算能力。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲(chǔ)4個(gè)二進(jìn)制數(shù)(00、01、10、11)中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子位(qubit)寄存器可同時(shí)存儲(chǔ)這四個(gè)數(shù)，因?yàn)槊恳粋€(gè)量子比特可表示兩個(gè)值。如果有更多量子比特的話，計(jì)算能力就呈指數(shù)級(jí)提高。

IBM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。

神經(jīng)元計(jì)算

　　計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)(renwen.com)

研究神經(jīng)元通常是指模仿人類大腦的計(jì)算方式。芝加哥西北大學(xué)的費(fèi)爾迪南多·莫沙-伊萬(wàn)迪正在研究如何利用七鰓鰻的大腦細(xì)胞控制機(jī)器人。

從機(jī)器人身上的光敏感元件上輸出信號(hào)傳遞給神經(jīng)元，神經(jīng)元的反饋再反過(guò)來(lái)用來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作。此外，英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的神經(jīng)學(xué)家克萊爾·林德受《星球大戰(zhàn)》電影中記錄的一只蝗蟲的啟發(fā)，開發(fā)出一種非常精確的故障排除系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署近來(lái)正在利用飛蛾大腦的電子元件，嘗試遙控半機(jī)械昆蟲間諜——飛蛾。

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)

硅光子技術(shù)是一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù)，用激光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，英特爾實(shí)驗(yàn)室通過(guò)混合硅激光器技術(shù)的集成激光器，首次實(shí)現(xiàn)了基于硅光子的數(shù)據(jù)連接。

　　硅光子技術(shù)

硅光子技術(shù)利用標(biāo)準(zhǔn)硅實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和其它電子設(shè)備之間的光信息發(fā)送和接收。與晶體管主要依賴于普通硅材料不同，硅光子技術(shù)采用的基礎(chǔ)材料是玻璃。由于光對(duì)于玻璃來(lái)說(shuō)是透明的，不會(huì)發(fā)生干擾現(xiàn)象，因此理論上可以通過(guò)在玻璃中集成光波導(dǎo)通路來(lái)傳輸信號(hào)，很適合于計(jì)算機(jī)內(nèi)部和多核之間的大規(guī)模通信。

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。

石墨烯

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。

石墨烯是已知的世上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光;導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過(guò)15000cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽(yáng)能電池。

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?？斓仃P(guān)上閥門，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。

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。

文章總結(jié)

隨著摩爾效應(yīng)的魔力逐漸褪色，芯片業(yè)務(wù)在一定程度上迎來(lái)了發(fā)展的挑戰(zhàn)。筆者認(rèn)為，盡早在納米技術(shù)或者材料科學(xué)上取得成功是破除魔咒的關(guān)鍵，屆時(shí)芯片業(yè)務(wù)或?qū)⒂瓉?lái)前所未有的發(fā)展良機(jī)。