IBM wird in den nächsten fünf Jahren drei Milliarden US-Dollar in zwei umfassende Programme investieren, deren Ziele die Erforschung und erste Entwicklungen von neuartigen Chip-Technologien sind. Im Fokus stehen dabei schnellere und effizientere Prozessoren mit Strukturgrößen von sieben und weniger Nanometern sowie die Entwicklung von Post-Silizium-Technologien für die gestiegenen Anforderungen von Cloud Computing und Big Data. Mit diesen Investitionen will IBM seine Innovationsführerschaft in der Halbleitertechnologie weiter ausbauen. Im ersten Programm sollen innovative Lösungen zur Bewältigung der physikalischen Herausforderungen entwickelt werden, die einer weiteren Skalierung der gängigen Halbleitertechnologie Grenzen setzen. Das zweite Programm befasst sich mit der Erforschung und Entwicklung alternativer Konzepte, wie zum Beispiel Quantencomputer, für die Post-Silizium-Ära.
Neue Herausforderungen bringen Computersysteme an die Grenzen
Cloud und Big Data-Anwendungen stellen grosse Herausforderungen an heutige und künftige Computersysteme. Gleichzeitig stösst die Chiptechnologie, die nach dem Mooreschen Gesetz bisher die Anzahl der Transistoren auf einem Chip und damit dessen Leistungsfähigkeit nahezu alle zwei Jahre verdoppelt, zunehmend an physikalische Grenzen. Bei der Systementwicklung werden Speicherbandbreiten, Hochgeschwindigkeitskommunikation und Stromverbrauch in gesteigertem Masse zu begrenzenden Faktoren. In den beiden Forschungsprogrammen werden Wissenschaftler und Ingenieure von den IBM Research Standorten in Albany, Yorktown, Almaden (U.S.A.) und Rüschlikon (Schweiz) an neuen Lösungen für die oben genannten Herausforderungen arbeiten.
Gemeinsames Ziel ist es, sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Energieeffizienz von Computersystemen um mehrere Grössenordnungen zu verbessern. IBM wird signifikant in zukunftsorientierte Bereiche investieren, wie zum Beispiel in Kohlenstoff-Nano-Elektronik, Silizium-Photonik und neuartige Speichertechnologien sowie in Architekturen, die Quantum und Cognitive Computing unterstützen. Ausserdem wird das Unternehmen seine umfassenden Aktivitäten in der Grundlagenforschung fortführen – etwa in den Bereichen Nanowissenschaften und Quantencomputer.
7-Nanometertechnologie – und danach
IBM Wissenschaftler und weitere Experten erwarten, dass in den nächsten Jahren eine Skalierung der Halbleitertechnologie von heute 22 Nanometer auf zunächst 14 und später zehn Nanometer, trotz der grossen Herausforderungen, möglich sein wird. Allerdings wird eine Verkleinerung der Strukturen auf unter sieben Nanometer bis zum Ende des Jahrzehnts signifikante Investitionen und Innovationen in den Halbleiterarchitekturen wie auch neuartige Fertigungsmethoden erfordern. „Die Frage ist nicht, ob wir die 7-Nanometertechnologie in die Chip-Herstellung einführen werden, sondern wie, wann und zu welchem Preis“, sagt Dr. John Kelly, Senior Vice President, IBM Research. „IBMs Forscher und Ingenieure können zusammen mit unseren Partnern diese Herausforderungen meistern. Sie arbeiten bereits heute an neuartigen Materialien und Bauelemente, die für zukünftige Cloud- und Big Data-Anwendungen sowie für kognitive Systeme erforderlich sind.“
Richard Doherty, Direktor der Technologieforschung bei The Envisioneering Group, ergänzt: „Die Skalierung von Transistoren auf unter sieben Nanometer ist keine einfache Aufgabe. Dafür braucht es ein detailliertes Verständnis der Physik und umfassende Kenntnisse im Bereich der Nanomaterialien. IBM ist eine der wenigen Firmen weltweit, die Forschung auf diesem Niveau und derartige Ingenieursleistungen erbringen kann.“
Nur wenige Verbesserungen für künftige Chip-Generationen – IBM mit 500 Patenten für die Zukunft
Die Dimensionen von Siliziumtransistoren konnten in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich verkleinert werden. Schon in wenigen, künftigen Chip-Generationen werden die traditionellen Skalierungsmethoden jedoch keine weiteren Verbesserungen in den Bereichen Energie, Kosten und Prozessorgeschwindigkeit mehr erzielen. Heutzutage enthalten nahezu alle elektronischen Geräte Halbleiterbauelemente, die auf CMOS-Technologie basieren. Folglich müssen zukünftig Schaltkreisarchitekturen, die auf neuen Materialien basieren, unterhalb von sieben Nanometer damit kompatibel sein. Vielversprechend hierfür sind unter anderem Kohlenstoff-Nanoröhren. Durch die zunehmende Komplexität der zu lösenden Probleme und die damit verbundenen stetig wachsenden Anforderungen an die Rechenleistung von Computersystemen werden ausserdem neuartige Rechenkonzepte, wie neuromorphische und quantenbasierte Computer, notwendig.
IBM besitzt über 500 Patente für Technologien, die die weitere Entwicklung auf diesen Gebieten vorantreiben werden – mehr als doppelt so viele wie der nächste Wettbewerber. Die oben erwähnten Investitionen werden weitere Erfindungen und die Umsetzung von Innovationen in die Produktentwicklung für IBMs hochdifferenzierte Computersysteme für Cloud und Big Data-Analytik beschleunigen.
Zu den bahnbrechenden Forschungsfeldern, die zukünftig zu immer schnelleren, kleineren und leistungsfähigeren Computerchips führen könnten, gehören Quantencomputer, Neurosynaptische Computer, Silizium-Photonik, Kohlenstoff-Nanoröhren, III-V Halbleitertechnologien sowie Transistoren mit sehr geringerem Energieverbrauch und Graphen.
Nanotechnologie bei IBM Research – Zürich
Ein Großteil der oben genannten Forschungsaktivitäten wird auch bei IBM Research – Zürich in Rüschlikon erforscht. Hierbei ist besonders das 2011 eröffnete, hochmoderne Binnig and Rohrer Nanotechnology Center, das gemeinsam mit der ETH Zürich betrieben wird, von zentraler Bedeutung.
Die Nanotechnologieforschung hat im IBM Forschungszentrum in Rüschlikon eine lange Geschichte. Mit der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (STM) in den 80er Jahren durch Gerd Binnig und Heinrich Rohrer wurde es erstmals möglich, Oberflächen Atom für Atom abzubilden und zu manipulieren. Diese Erfindung, für die die beiden Forscher 1986 den Nobelpreis für Physik erhielten, legte den Grundstein für die Erforschung des Nanokosmos.
