2014年7月11日消息，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計劃，以推動突破芯片技術極限，滿足云計算和大數據系統的新興需求。這些投資將推動IBM的半導體創新，從目前的有所突破，發展到更面向未來所需要的技術領先。

第一項研究計劃針對于“7納米及以下”的硅技術，這將應對那些芯片制造上面的重要的物理工藝上的挑戰，這些挑戰已經威脅到了現有的半導體技術的進一步發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出替代技術，IBM科學家和其他專家將采用完全不同的方法來實現這些技術，因為硅基半導體存在著物理極限。

云計算和大數據應用又對系統提出了新的挑戰，這是因為底層的芯片技術正面臨著眾多顯著的物理極限。內存帶寬、高速通信和設備功耗正逐漸成為日益關鍵的挑戰。

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域進行大規模招聘，這些領域包括碳納米電子學、硅光子學、新內存技術，以及支持量子和認知計算的架構。

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

7納米及以下技術

IBM研究人員和其他半導體專家預測，雖然存在挑戰，但半導體制程工藝有希望在未來數年里從目前的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方面進行巨大投資和創新，并需要發明新型制造工具和技術。

“問題不在于我們是否將把7納米技術應用到芯片生產制造過程中，而是我們如何做到、何時做到，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。“IBM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，并已經開始著手處理必需的材料科學和設備工程問題，以滿足新興系統對云計算、大數據和認知系統的需求。這些新的投資將確保我們實現必要的創新，以迎接這些挑戰。”

“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。這需要深刻的物理學和納米材料專業知識。IBM是世界上僅有的少數幾家能夠開展這種層次的科學與工程研究的公司之一，”Envisioneering 集團技術總監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，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在已經達到了納米級，但是由于受限于硅的性質和物理定律，這將阻礙其在性能上取得大的改進。在未來若干代技術之后，傳統的硅晶體管大規模集成和芯片制程縮小技術，將不會在更低功率、更低成本及更高速處理器方面，實現業界已習以為常的突破和進展。

目前幾乎所有的電子設備都采用CMOS(CMOS，Complementary metal–oxide–semiconductor，互補金屬氧化物半導體)技術，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設計，因為該技術已經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，挑戰急劇增加，需要一種新的材料來推動未來的系統，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，以及包括神經形態計算、認知計算、機器學習技術甚至量子計算等非傳統的計算方法。

作為旨在突破傳統硅基計算的領導者，IBM擁有超過500項專利，這些技術將推動7納米及以下硅芯片的發展。而且，IBM的這些專利數量超過最接近的競爭對手的兩倍以上。這些持續的投資將有助于加速在IBM云計算系統和大數據分析領域產生更多發明，并加快把它們投入生產開發。

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、神經突觸(neurosynaptic computing計算、硅光子技術(silicon photonics)、碳納米管(carbon nanotubes)、III-V族半導體技術(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。這種現象被稱為“疊加”(superposition)，它能夠讓量子計算機一次執行數百萬次計算，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域處于世界領先地位，同時也是實驗和理論量子信息領域的先鋒，這些領域目前仍處于基礎科學的范疇，但從長遠來看，它們可能會為目前利用傳統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建塊。

神經突觸計算

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

硅光子技術

超過12年來，IBM一直是CMOS集成硅光子領域的先驅，這種技術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的收發器。這樣的收發器能夠利用光線以很高的數據速率在計算系統的不同組件之間傳輸數據，具有成本低、能效高的優點。

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

企業正在進入計算新時代，需要系統來實時處理和分析極其大量的信息，即大數據。硅納米光子技術為大數據的挑戰給出了答案，它能夠無縫連接大型系統的各個部件，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的數據。

III-V族半導體技術

IBM公司的研究人員已經在一套自對準III-V族溝道MOSFET器件結構中演示了世界上最高的跨導性，該結構與CMOS縮放相兼容。這些材料以及結構方面的創新有望為7納米及以下縮放技術鋪平道路。利用比硅材料高出一個數量級電子遷移率，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，滿足云計算和大數據系統的需求。

碳納米管

IBM研究人員正在碳納米管(CNT)電子領域開展工作，探索碳納米管是否能夠在7納米以及以下的節點取代硅。作為開發基于CMOS 超大規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(經驗證的)純度;IBM還在10納米通道長度上展示了不因為規模集成而出現劣化現象的晶體管，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據運算服務器、高性能計算機以及超快速智能手機得以運轉。

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那樣來運行 – 這個厚度相當于人類頭發絲的1/10000，小于目前主流硅技術的一半。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半導體器件更快的開關晶體管，尤其適用于手持無線通信業務領域，石墨烯在這些領域將成為比目前使用的材料更有效的開關。

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，還需要新的架構和創新的設備理念來提高未來系統的性能。功耗是納米電子電路的根本挑戰。為了理解該挑戰，可以設想一個漏水的水龍頭，即便非常快地關上閥門，還是會有水往下滴，這跟現在的晶體管的情形非常相似，在晶體管中經常會發生能源“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已經開發出一種新方法，利用砷化銦作為源，利用硅作為通道，用環繞式柵極作為陡坡設備，直接在標準的硅襯底上集成III-V族納米線和異質結構，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，實現了低功耗的應用。

“下一個十年，硬件系統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新的局限，探索后硅時代，半導體技術的未來，”IBM高級副總裁、系統與科技部總經理Tom Rosamilia指出，“IBM的研究和開發團隊正在創造的是顛覆式的創新，將會引領下一個計算時代的到來。”

IBM對硅和半導體創新的歷史性貢獻包括發明和首次實施了：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，疲勞設計(strained engineering)，多核心微處理器，浸沒式光刻技術，高速硅鍺(SiGe)，高k柵介質，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備時代，因為他們發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明和創新。

IBM還將繼續資助并與大學的研究人員合作，為半導體行業探索和開發未來技術。特別是，IBM將繼續通過公-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(STARnet)以及半導體研究公司的全球研究聯合會(GRC)進行合作。