Представители компании IBM недавно объявили об инвестициях суммой три миллиарда долларов в две научно-исследовательские программы, целью которых является разработка новых технологий и новой вычислительной архитектуры для пост-кремниевой электроники следующего поколения, способной обеспечить соблюдение закона Гордона Мура еще достаточно долгое время.

Обе программы нацелены на разработку технологий «7 нанометров и меньше», технологий, которые будут коренным образом отличаться от существующих технологий изготовления кремниевых кристаллов современных цифровых чипов.

Для реализации своих идей специалисты компании IBM сосредоточатся на исследованиях в области углеродной наноэлектроники, кремниевой фотоники, новых технологиях памяти и вычислительной архитектуре на основе технологий квантовых, нейросинаптических вычислений и искусственного интеллекта.

В настоящее время компания IBM выпускает основную массу процессоров, изготовленных по технологии 22 нанометра, кроме этого уже существуют опытные образцы процессоров, изготовленных по 14-нанометровой технологии и не за горами появление 10-нанометровых кристаллов.

Однако,

для перехода от 10-нанометровых технологий к 7-нанометровым потребуется новый качественный рывок, который позволит решить массу проблем технологического плана за счет использования принципиально новых методов производства и инструментов.

Граница 7 нанометров является той границей, после которой количество технологических проблем увеличится лавинообразно при условии следования традиционным методам кремниевой электроники. Поэтому, для преодоления той границы потребуется использование принципиально новых материалов, а главными кандидатами на эту роль являются графен и углеродные нанотрубки.

Кроме этого,

преодолеть вышеупомянутую границу могут помочь новая вычислительная архитектура и технологии организации вычислений, такие, как квантовые, фотонные и нейросинаптические технологии.

Рис. 1.

Согласно прогнозам специалистов IBM Research, главным кандидатом на суб-семи нанометровые технологии являются углеродные нанотрубки. И специалистам компании уже удалось продемонстрировать первые логические элементы CMOS NAND, состоящие из нескольких транзисторов, располагающихся на единственной нанотрубке, длиной 50 нанометров. Кроме этого,

специалисты компании уже владеют технологией изготовления углеродных нанотрубок, которая позволяет получить конечный продукт, чистотой 99.99 процента, и технологией изготовления нанотрубочных транзисторов, размером 10 нанометров, которые не подвержены деградации по времени и по времени их работы.

Проведенные моделирования показали, что

эти транзисторы на основе углеродных нанотрубок могут обеспечить прирост производительности процессоров в пять-десять раз по сравнению с обычными кремниевыми транзисторами.

Вторым кандидатом на роль материала электроники будущего является графен, форма углерода, кристаллическая решетка которого имеет толщину в один атом.

Графен является превосходным проводником электрического тока, он невероятно прочен и гибок. Электроны перемещаются по графену в 10 раз быстрее, чем в среде традиционных полупроводниковых материалов, таких, как кремний и германий. Это означает, что транзисторы на основе графена смогут переключаться очень быстро, что было использовано специалистами компании IBM для создания интегрального приемника системы радиосвязи, продемонстрированного в 2013 году.

Одним из перспективных направлений развития электроники является область кремниевой фотоники, которая при помощи импульсов света может обеспечить быструю передачу огромных массивов информации как между различными функциональными частями одного чипа, так и между разными чипами вычислительной системы, в том числе и между частями суперкомпьютеров.

Из-за этого кремниевая фотоника рассматривается как перспективное средство для решения так называемой проблемы «больших данных». В этом направлении специалистам компании IBM удалось создать и продемонстрировать первый монолитный фотонный приемопередатчик, обеспечивающий функцию мультиплексирования каналов по длине волны света.

Рис. 2.

Полупроводниковые материалы III-V группы также рассматриваются в качестве материалов электроники следующего поколения в качестве высокоэффективных преобразователей энергии света в электричество. Эти материалы обладают подвижностью электронов, на порядок превышающую этот показатель у кремния, и внедрение этих материалов в структуру CMOS-чипов позволит этим чипам работать на более высоких скоростях при более низком напряжении, рассеивая в окружающую среду гораздо меньшее количество энергии в виде паразитного тепла.

В области технологий квантовых вычислений специалистам компании IBM также удалось добиться значительных успехов.

Они продемонстрировали узел, выполняющий процедуру проверки на четность, реализованный при помощи трех сверхпроводящих кубитов, который имеет возможность стать одним из стандартных блоков квантового компьютера будущего.

Рис. 3.

Еще одним и наиболее перспективным направление развития вычислительных технологий будущего специалисты компании IBM относят область нейросинаптических вычислений.

Это подразумевает создание вычислительных узлов или законченных систем, работа которых стремится быть максимально похожей на работу головного мозга человека, самой быстродействующей, самой эффективной и самой малогабаритной вычислительной системы биологического происхождения. В настоящее время компанией уже созданы первые нейросинаптические чипы, насчитывающие сотни и тысячи электронных аналогов нейронов и синапсов, а в ближайшей перспективе компания планирует создать систему, насчитывающую 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов, которая будет потреблять всего один киловатт энергии и занимать объем не более одного литра.