תוכנית המחקר הראשונה בה משקיעה יבמ, זכתה לכינוי "שבעה ננומטר והלאה", ומתמקדת בפיתוח טכנולוגיית סיליקון שתתגבר על האתגרים המורכבים המאיימים על המשך ההתקדמות של תהליכי המזעור הקיימים, ועלולים למנוע ייצור שבבים עתידיים כאלה
| אטומים הנצפים באמצעות המיקרוסקופ החדש של יבמ |
יבמ תשקיע שלושה מיליארד דולר בחמש השנים הבאות, בשתי תוכניות מחקר נרחבות ובשלבים המוקדמים של מיזמי פיתוח, המיועדים לפרוץ מחסומים בתחום טכנולוגיית השבבים, על מנת לספק את עוצמת העיבוד הנדרשת למערכות ענן מחשוב ו- Big Data.
תוכנית המחקר הראשונה בה משקיעה יבמ, זכתה לכינוי "שבעה ננומטר והלאה", ומתמקדת בפיתוח טכנולוגיית סיליקון שתתגבר על האתגרים המורכבים המאיימים על המשך ההתקדמות של תהליכי המזעור הקיימים, ועלולים למנוע ייצור שבבים עתידיים כאלה. התוכנית השנייה, מתמקדת בפיתוח טכנולוגיות חלופיות לעידן שלאחר הסיליקון, שיעשו שינוי בגישות ייצור ובחומרים שונים לחלוטין, הנדרשים להערכת מומחי יבמ ואנשי מקצוע אחרים, על מנת לעקוף את המחסומים הפיזיקאליים המגבילים את המשך תהליכי המזעור של שבבים מבוססי סיליקון.
יישומי ענן מחשוב ו- Big Data מציבים אתגרים חדשים למערכות מחשוב, כאשר במקביל מגיעים השבבים הפועלים בלב המערכות האלה אל מגבלות הטכנולוגיה. אתגרי רוחב הפס בגישה לזיכרון, תקשורת מהירה וצריכת זרם הופכים מורכבים וקריטיים יותר.
הצוותים שיפעלו במסגרת יבמ יכללו מדענים ומהנדסים ממעבדות המחקר ומפעלי הייצור של החברה באלבני, יורק טאון, אלמדן ואירופה. יבמ צפויה להרחיב את ההשקעה במחקרים שכבר יצאו לדרך, דוגמת השימוש בננו-שפורפרות (nanotubes) פחמן, שילוב סיליקון ופוטוניקה (הולכת אור), טכנולוגיות זיכרון חדשות, וארכיטקטורות התומכות במחשוב קוונטי ובמחשוב קוגניטיבי.
במקביל, תמשיך יבמ להשקיע במחקר בסיסי בתחומי הננו ובמחשוב קוונטי, אותם מובילה יבמ בשלושה העשורים האחרונים.
חוקרים של יבמ ומומחים אחרים בתחום המוליכים למחצה, צופים תהליך מאתגר של מעבר מטכנולוגיות ייצור של 22 ננומטרים כיום, ל- 14 ננומטר ולאחר מכן לעשרה ננומטר בשנים הבאות. עם זאת, המעבר הבא, לשבעה ננומטרים ואולי אף למימדים קטנים עוד יותר יחייב השקעה משמעותית וחדשנות בארכיטקטורות של מוליכים למחצה, כמו גם המצאה של כלים וטכניקות חדשים לייצור.
לדברי ג'ון קלי, סגן נשיא בכיר וראש חטיבת המחקר של יבמ, "השאלה אינה האם אנו מציגים טכנולוגית 7 ננומטר לייצור, אלא איך, מתי, ובאיזה מחיר?"
גשר לעידן ה"פוסט הסיליקון"
טרנזיסטורי סיליקון, מתגיםזעירים הנושאים מידע ודחוסים על גבי שבב, הופכים קטנים יותר משנה לשנה – אולם הולכים ומתקרבים אל מגבלות הפיזיקה: המשך המזעור בתהליך הקלאסי, לא יניב את יתרונות צמצום צריכת החשמל, קיצוץ העלויות והעבודה במהירות גבוהה יותר.
כמעט כל הציוד האלקטרוני כיום מבוסס על טכנולוגיות ייצור CMOS – וכך נוצר צורך דחוף בחומרים חדשים ובארכיטקטורת מעגלים שיתאימו לתהליכי הייצור. יבמ מחזיקה בלמעלה מ- 500 פטנטים על טכנולוגיות שתאפשרנה התקדמות לייצור בשבעה ננומטר ומעבר לו – יותר מכפליים מהמתחרה הקרובה ביותר. המשך השקעות אלה יאיץ את פיתוח המוצרים העתידיים של יבמ שיישענו על פיתוחים אלה, על מנת להציע פתרונות ייחודיים למחשוב ענן, ו- Big Data.
מחשוב קוונטים
פיסת המידע הבסיסית ביותר המובנת למחשב טיפוסי, היא "0" או "1" בדומה לשני מצבים אפשריים של אור: מופעל או כבוי. מחשבים קוונטיים, המבוססים על שינוי המסלול של חלקיקים קוונטיים, (סופרפוזיציה), מסוגלים לטפל ולבחון בו-זמנית מיליוני פתרונות בבת פעם אחת, בעוד מחשבים מסורתיים נאלצים לטפל בהם אחד אחד.
יבמ מנהלת מאמץ מחקר מקיף בתחומים אלה, ומומחיה פועלים ברמת המחקר הבסיסי הניסיוני והתיאורטי בעולם המחשוב הקוונטי. צוות של יבמ הציג לאחרונה מימוש ניסיוני ראשון של בדיקת זוגות נתונים (parity check), המבוסס על טכנולוגיות קוונטיות.
בפרויקט מחקר אחר, מפתחים יבמ ושותפי מחקר שלה באוניברסיטאות, מערכות המשלבות את עולם מדעי המוח, וטכנולוגיות ננו, על מנת להציע סביבה אקולוגית מקצה לקצה הכוללת ארכיטקטורה שאינה מבוססת על רעיונות המחשוב הקלאסיים של פון ניומן, הכוללת שפת תכנות חדשה, ויישומים הנשענים עליה. טכנולוגיה חדשנית זו מאפשרת למערכות מחשוב לחקות את מוח האדם, ולהציע יעילות מחשוב גבוהה, צמצום במימדים וקיצוץ צריכת החשמל. המטרה ארוכת הטווח של יבמ היא לבנות מערכת נוירו-סינאפטית, עם עשרה מיליארד נוירונים ומאה טריליון סינפסות,שיצרכו רק אחד קילוואט של חשמל ויידחסו אל פחות משני ליטרים של נפח.
יבמ הייתה חלוצה גם בתחום ה-CMOS המשלב סיליקון וטכנולוגיות פוטוניות, על מנת לבצע תקשורת אופטית על גבי שבב סיליקון. צוות של יבמ הציג לא מכבר יישום ראשון של תקשורת אופטית על גבי שבב סילקון בריבוב אורכי גל. רכיבים מסוג זה משתמשים באור באורכי גל שונים, כדי להעביר נתונים בין רכיבים שונים במערכת מחשוב בקצבים גבוהים, עלות נמוכה, ויעילות אנרגטית.
ננו-צינוריות פחמן
יבמ בנתה את ה"פנס" ומתג האור הקטן בעולם: שבב מוצק המפיק אותות אור. פריצת הדרך הטכנולוגית הזאת המצויה בשלבי ניסוי ופיתוח ממחישה את ההתקדמות המהירה בהבנת אופן הפעולה של מכשירים הפועלים ברמה המולקולארית. המערכת מהווה הדגמה ראשונה מסוגה לאפשרויות השימוש הייחודיות בננו-צינוריות (nanotube) הבנויות כמולקולה בודדת מסדרת טבעות של פחמן, ביישומים בתחום האופטו-אלקטרוניקה המהווה בסיס לתעשיית התקשורת המהירה.
ההתבססות על מולקולה בודדת – צינורית ובה מספר טבעות של אטומי פחמן – היא המאפשרת להגיע למימדים הקטנים ביותר של מכשיר התאורה. הוכחת היכולת הזאת מהווה צעד משמעותי בדרך להבנת אופן ההולכה החשמלית והתכונות האופטו-אלקטרוניות של הננו-צינוריות העשויות פחמן. הפיתוח צפוי להאיץ את העבודה בתחום. היעד בטווח הרחוק יהיה בניית ננו-צינוריות כאלו המשולבות בשבבי סיליקון – באורח ההופך כל שבב כזה למערכת תקשורת אופטית על גבי רכיב בודד.
מדעני יבמ הצליחו לבנות טרנזיסטור, המסוגל לשמש בעת ובעונה אחת כמתג – וכמערכת פולטת-אור. שימוש בשער הטרנזיסטור, מאפשר להפעיל או לכבות את המתג החשמלי – ואיתו את האור. למעשה, משלב הטרנזיסטור הזה שני אופני מיתוג: אלקטרונים – מיתוג חשמלי, ופוטונים – מיתוג אור.
גראפן
בשנה שעברה הציגה יבמ מעגל משולב ראשון המבוסס על גראפן – פחמן טהור בשכבה שכל עוביה אטום בודד. גראפן הוא מוליך מעולה של חום וחשמל, ומציג גם חוזק וגמישות. אלקטרונים יכולים לנוע בגרפן במהירות של פי עשרה לעומת מוליכים למחצה = כגון סיליקון וגרמניום סיליקון.
הדור הבא של טרנזיסטורים, אותו מפתחים ביבמ, ימנע "דליפה" של חשמל, האופייניות לשבבים בני ימינו. מדענים של יבמ חוקרים טרנזיסטורים באפקט שדה מנהרה (TFETs), שבו משתמשים באפקט הקוונטים על מנת לייצג מצבים שונים של הרכיב. שילוב TFETs עם טכנולוגיית CMOS עשוי לשפר משמעותית את המעגלים המשולבים שיציגו גם צריכת חשמל נמוכה.
