IBM宣布研发芯片 或将引领行业进一步发展

一个月以前IBM宣布要投入30亿美元的大手笔来研发芯片业务，以满足云计算和大数据系统的新兴需求。在芯片业务领域，IBM在以下这六项技术上取得突破，就或许能引领行业，在材料学和设备工程上更进一步：

纳米技术

纳米技术概念图(来自image.baidu.com)

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，想要在进一步就显得越来越艰难，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，甚至到7nm以下。

IBM高级副总裁、IBM 研究院院长 John Kelly 博士指出“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。”

“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。

量子计算

量子计算是一种依照量子力学理论进行的新型计算，量子计算的基础和原理以及重要量子算法为在计算速度上超越图灵机模型提供了可能。量子的重叠与牵连原理产生了巨大的计算能力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的一个，而量子计算机中的2位量子位(qubit)寄存器可同时存储这四个数，因为每一个量子比特可表示两个值。如果有更多量子比特的话，计算能力就呈指数级提高。

IBM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。

神经元计算

计算神经生物学(renwen.com)

研究神经元通常是指模仿人类大脑的计算方式。芝加哥西北大学的费尔迪南多·莫沙-伊万迪正在研究如何利用七鳃鳗的大脑细胞控制机器人。

从机器人身上的光敏感元件上输出信号传递给神经元，神经元的反馈再反过来用来控制机器人的动作。此外，英国纽卡斯尔大学的神经学家克莱尔·林德受《星球大战》电影中记录的一只蝗虫的启发，开发出一种非常精确的故障排除系统。美国国防部高级研究计划署近来正在利用飞蛾大脑的电子元件，尝试遥控半机械昆虫间谍——飞蛾。

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。

材料科学：

硅光子技术

硅光子技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，用激光束代替电子信号传输数据，英特尔实验室通过混合硅激光器技术的集成激光器，首次实现了基于硅光子的数据连接。

硅光子技术

硅光子技术利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。与晶体管主要依赖于普通硅材料不同，硅光子技术采用的基础材料是玻璃。由于光对于玻璃来说是透明的，不会发生干扰现象，因此理论上可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输信号，很适合于计算机内部和多核之间的大规模通信。

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。

石墨烯

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光;导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

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。

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。

小结：随着摩尔效应的魔力逐渐褪色，芯片业务在一定程度上迎来了发展的挑战。笔者认为，尽早在纳米技术或者材料科学上取得成功是破除魔咒的关键，届时芯片业务或将迎来前所未有的发展良机。