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IBM宣布一项30亿美元的研究计划,用于解决云计算和大数据系统面临的芯片大挑战
作者:cai    时间:2014-07-11 21:44:21  来源:  通讯世界www.tele.com.cn
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科学家和工程师把硅技术的极限推进到7纳米及以下工艺,并正在创造后硅片时代

【2014年7月11日,美国纽约州阿蒙克市】IBM[NYSE: IBM]今天宣布,将在未来5年投资30亿美元开展两项广泛研究及早期开发计划,以推动突破芯片技术极限,满足云计算和大数据系统的新兴需求。这些投资将推动IBM的半导体创新,从目前的有所突破,发展到更面向未来所需要的技术领先。

第一项研究计划针对于“7纳米及以下”的硅技术,这将应对那些芯片制造上面的重要的物理工艺上的挑战,这些挑战已经威胁到了现有的半导体技术的进一步发展和制造能力的拓展。第二项研究计划集中于为后硅时代芯片开发出替代技术,IBM科学家和其他专家将采用完全不同的方法来实现这些技术,因为硅基半导体存在着物理极限。

云计算和大数据应用又对系统提出了新的挑战,这是因为底层的芯片技术正面临着众多显著的物理极限。内存带宽、高速通信和设备功耗正逐渐成为日益关键的挑战。

该研究团队将由来自纽约州Albany和Yorktown、加利福尼亚州Almaden以及瑞士苏黎世的IBM研究院科学家和工程师组成。不仅如此,IBM还将在众多新兴研究领域进行大规模招聘,这些领域包括碳纳米电子学、硅光子学、新内存技术,以及支持量子和认知计算的架构。

这些团队将专注于在系统级性能和高能效计算方面进行研究并实现突破。此外,IBM将继续投资于纳米科学和量子计算。三十多年来,IBM在这两个基础科学领域一直是先行者。

7纳米及以下技术
IBM研究人员和其他半导体专家预测,虽然存在挑战,但半导体制程工艺有希望在未来数年里从目前的22纳米缩减到14纳米,进而缩减到10纳米。然而,如果需要在十年以后压缩到7纳米或更低,则需要在半导体架构方面进行巨大投资和创新,并需要发明新型制造工具和技术。

“问题不在于我们是否将把7纳米技术应用到芯片生产制造过程中,而是我们如何做到、何时做到,以及以何种代价做到,”IBM高级副总裁、IBM研究院院长John Kelly博士指出。“IBM的工程师和科学家以及我们的合作伙伴都非常积极应对这个挑战,并已经开始着手处理必需的材料科学和设备工程问题,以满足新兴系统对云计算、大数据和认知系统的需求。这些新的投资将确保我们实现必要的创新,以迎接这些挑战。”

 “将芯片的制程工艺缩减到7纳米及以下正在成为一项严峻的挑战。这需要深刻的物理学和纳米材料专业知识。IBM是世界上仅有的少数几家能够开展这种层次的科学与工程研究的公司之一,”Envisioneering 集团技术总监Richard Doherty表示。

通向“后硅”时代的桥梁
硅晶体管,也就是芯片上传递信息的微型开关,一直在年复一年被制造得越来越细小,但它们正在接近物理极限点。它们越来越细小的尺寸现在已经达到了纳米级,但是由于受限于硅的性质和物理定律,这将阻碍其在性能上取得大的改进。在未来若干代技术之后,传统的硅晶体管大规模集成和芯片制程缩小技术,将不会在更低功率、更低成本及更高速处理器方面,实现业界已习以为常的突破和进展。

目前几乎所有的电子设备都采用CMOS(CMOS,Complementary metal–oxide–semiconductor,互补金属氧化物半导体)技术,因此迫切需要与这种工程工艺相兼容的新材料和新电路架构设计,因为该技术已经接近于硅晶体管的物理极限。

在芯片制程工艺低于7纳米时,挑战急剧增加,需要一种新的材料来推动未来的系统,也需要新的计算平台来解决目前无法或难以解决的问题。潜在的替代品包括:碳纳米管等新材料,以及包括神经形态计算、认知计算、机器学习技术甚至量子计算等非传统的计算方法。

作为旨在突破传统硅基计算的领导者,IBM拥有超过500项专利,这些技术将推动7纳米及以下硅芯片的发展。而且,IBM的这些专利数量超过最接近的竞争对手的两倍以上。这些持续的投资将有助于加速在IBM云计算系统和大数据分析领域产生更多发明,并加快把它们投入生产开发。

以下是若干探索性的研究突破,它们可能会导致重大进步,实现明显更小、更快、更强大的计算芯片。这些突破包括量子计算、神经突触(neurosynaptic computing计算、硅光子技术(silicon photonics)、碳纳米管(carbon nanotubes)、III-V族半导体技术(III-V technologies)、低功耗晶体管(low power transistors ):以及石墨烯(graphene):

量子计算
通常计算机能够理解的最基本信息单元是“比特”。就像能够打开或关闭的灯光一样,比特只能是两个值中的一个:“1”或“0”。对于量子比特(或简称为“qubit”)而言,它们可以保持 “1”或“0”的值,也可以同时保持这两个值。这种现象被称为“叠加”(superposition),它能够让量子计算机一次执行数百万次计算,而台式机只能一次只能处理一次计算。

IBM在基于超导量子比特的量子计算科学领域处于世界领先地位,同时也是实验和理论量子信息领域的先锋,这些领域目前仍处于基础科学的范畴,但从长远来看,它们可能会为目前利用传统机器不可能或无法可行地解决的问题带来解决方案。该团队最近展示了利用三个超导量子比特进行奇偶校验的首个实验,这实际上是一类量子计算机必不可少的构建块。

神经突触计算
IBM和大学合作伙伴把纳米科学、神经科学和超级计算机结合到一起,开发出了一套端到端生态系统,其中包括一个新的非冯诺依曼体系结构、一种新的编程语言以及众多应用。这种新颖的技术能够让计算系统模拟大脑的计算效率、规模和能源消耗。IBM的长远目标是建立具有一百亿个神经元和一百万亿个突触的神经突触系统,而其能耗只有一千瓦,体积不到两升。

硅光子技术
超过12年来,IBM一直是CMOS集成硅光子领域的先驱,这种技术能够把光通信功能整合到一个硅芯片上。而且IBM团队最近还设计和制造出世界上第一个基于单片硅光子、采用波分多路复用技术的收发器。这样的收发器能够利用光线以很高的数据速率在计算系统的不同组件之间传输数据,具有成本低、能效高的优点。

硅纳米光子技术利用光脉冲进行通信,而不是采用传统的铜导线技术,从而为大量数据在服务器、大型数据中心和超级计算机的芯片间通信提供了一条超高速公路,能够缓解传统互联方式的数据流量拥堵和高成本的限制。

企业正在进入计算新时代,需要系统来实时处理和分析极其大量的信息,即大数据。硅纳米光子技术为大数据的挑战给出了答案,它能够无缝连接大型系统的各个部件,无论这些部件之间相距几厘米或几公里;而且能够通过光纤以光脉冲的方式传递若干TB的数据。

III-V族半导体技术
IBM公司的研究人员已经在一套自对准III-V族沟道MOSFET器件结构中演示了世界上最高的跨导性,该结构与CMOS缩放相兼容。这些材料以及结构方面的创新有望为7纳米及以下缩放技术铺平道路。利用比硅材料高出一个数量级电子迁移率,通过把III-V族材料整合到CMOS中,可以以更低的功率密度实现更高的性能,从而拓展功耗/性能比缩减的空间,满足云计算和大数据系统的需求。

碳纳米管
IBM研究人员正在碳纳米管(CNT)电子领域开展工作,探索碳纳米管是否能够在7纳米以及以下的节点取代硅。作为开发基于CMOS 超大规模集成电路的碳纳米管的活动的一部分,IBM公司最近在世界上首次展示了2路CMOS与非门(CMOS NAND gates),它采用50纳米栅极长度的碳纳米管晶体管。

IBM还展示了把碳纳米管纯化至99.99%的能力,这是迄今为止最高的(经验证的)纯度;IBM还在10纳米通道长度上展示了不因为规模集成而出现劣化现象的晶体管,这是迄今任何其他材料体系所无法比拟的。


碳纳米管是卷成筒状的单层碳原子。碳纳米管构成了一类晶体管器件的核心,它们可以用类似于目前硅晶体管的方式运行,但性能会更好。它们可以替换当前所使用的芯片中的晶体管,这些芯片使我们的数据运算服务器、高性能计算机以及超快速智能手机得以运转。

碳纳米管晶体管能够在不足10纳米的分子厚度上像精良的开关那样来运行 – 这个厚度相当于人类头发丝的1/10000,小于目前主流硅技术的一半。对电子电路的综合建模表明,相比硅电路,碳纳米管有可能使性能提高大约5-10倍。

石墨烯
石墨烯是一种以一层原子厚度形式存在的纯碳。它是非常优良的热和电导体,并且还具有非常高的强度和柔韧性。电子在石墨烯中的移动速度比在常用的半导体材料(例如硅和硅锗材料)中快约10倍。其特性使得有可能制造出比传统半导体器件更快的开关晶体管,尤其适用于手持无线通信业务领域,石墨烯在这些领域将成为比目前使用的材料更有效的开关。

在2013年,IBM展示了世界上第一套用于无线通信的基于石墨烯的集成电路接收机。该电路包括一个2级放大器和一个4.3GHz的降压转换器。

下一代低功耗晶体管
除了碳纳米管之类的新材料之外,还需要新的架构和创新的设备理念来提高未来系统的性能。功耗是纳米电子电路的根本挑战。为了理解该挑战,可以设想一个漏水的水龙头,即便非常快地关上阀门,还是会有水往下滴,这跟现在的晶体管的情形非常相似,在晶体管中经常会发生能源“泄露”或者浪费的情况。
对目前极其耗电的硅场效应晶体管的一种潜在替代品是所谓的陡坡设备。它们能以非常低的电压运行,从而消耗明显少的功率。

为了减少电子产品的能耗,IBM的科学家们正在研究隧道场效应晶体管(TFET)。在这种特殊类型的晶体管中,“带-带”隧穿的量子力学效应被用来驱动电流流过晶体管。与互补CMOS晶体管相比,TFET的能耗可以降低100倍,这样一来,把TFET与CMOS技术整合到一起就可以提升低功耗集成电路性能。

就在最近,IBM已经开发出一种新方法,利用砷化铟作为源,利用硅作为通道,用环绕式栅极作为陡坡设备,直接在标准的硅衬底上集成III-V族纳米线和异质结构,制造出有史以来第一次基于硅的砷化铟的隧道二极管和TFET,实现了低功耗的应用。
“下一个十年,硬件系统将会和今天有根本上的不同,我们的科学家和工程师正在推动突破半导体创新的局限,探索后硅时代,半导体技术的未来,”IBM高级副总裁、系统与科技部总经理Tom Rosamilia指出,“IBM的研究和开发团队正在创造的是颠覆式的创新,将会引领下一个计算时代的到来。”

IBM对硅和半导体创新的历史性贡献包括发明和首次实施了:单一单元DRAM,支撑“摩尔定律”的“Dennard标度律”(Dennard scaling laws),化学放大的光刻胶,铜互连布线,绝缘硅,疲劳设计(strained engineering),多核心微处理器,浸没式光刻技术,高速硅锗(SiGe),高k栅介质,嵌入式DRAM,3D芯片堆叠,以及气隙绝缘。

IBM的研究人员还被认为开启了纳米设备时代,因为他们发明了获得诺贝尔奖的扫描隧道显微镜,这推动了纳米和原子尺度的发明和创新。

IBM还将继续资助并与大学的研究人员合作,为半导体行业探索和开发未来技术。特别是,IBM将继续通过公-私合作支持(PPP方式)和资助大学研究,例如,与NanoElectornics研究计划(NRI)、半导体高级研究网(STARnet)以及半导体研究公司的全球研究联合会(GRC)进行合作。

标签:   IBM  云计算  大数据
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