7-Nanometer-Struktur

IBM pumpt drei Milliarden US-$ in Halbleiterentwicklung

| Redakteur: Peter Koller

Um den Anforderungen von Cloud und Big Data-Anwendungen zu genügen, treibt IBM die Halbleiterentwicklung stark voran
Um den Anforderungen von Cloud und Big Data-Anwendungen zu genügen, treibt IBM die Halbleiterentwicklung stark voran (IBM)

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 ersten Programm sollen 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.

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.

Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz um mehrere Größenordnungen verbessern

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.

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.

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.“

Der Blick in die Post-Silizium-Ära

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.

Zu den 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.

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