سرمایه‌گذاری ۳ میلیارد دلاری IBM برای تحول در دنیای تراشه‌ها و تولید پردازنده‌های ۷ نانومتری

هدف از سرمایه‌گذاری عظیم IBM یافتن راهکارهایی برای پاسخ‌دادن به نیازهای کوتاه‌مدت و بلندمدتی است که با استفاده از نتایج آن بتوان محدودیت‌های موجود در فناوری تراشه‌ها را که در کاربردهایی چون سرویس‌های ابری و سیستم‌هایی با تحلیل داده‌هایی بزرگ احساس می‌شود، از بین برد. مطمئناً چنین سرمایه‌گذاری‌هایی منجر به پیشی‌گرفتن این کمپانی از سایر رقبا در زمینه‌ی فناوری‌های پیشرفته‌ی تولید تراشه خواهد شد که یکی از ملزومات تولید محصولات و ارائه‌ی سرویس‌ها در سال‌های پیش رو است.

اولین برنامه‌ی مطالعاتی و تحقیقاتی "۷ نانومتر و بیشتر" نام گرفته است که در جهت یافتن راه‌حل‌هایی برای چالش‌هایی است که‌ هم اکنون صنعت تولید تراشه‌های سیلیکونی را تهدید می‌کند. حوزه‌ی دوم سرمایه‌گذاری برای یافتن فناوری‌های جایگزینی به‌منظور استفاده در دنیای تراشه‌های پس از سیلیکون‌ها است که هم اکنون نقش اصلی را در ساخت تراشه‌ها بازی می‌کند و رفته‌رفته قادر به پاسخگویی به نیاز برای تقویت پردازنده‌ها به جهت عدم تبعیت از قانون مور نیست.

همچون محدودیت‌های فیزیکی که در ساخت تراشه‌های سیلیکونی رفته‌رفته گریبان‌گیر کمپانی‌ها می شود، ارائه‌ی سرویس‌های مبتنی بر تحلیل داده‌های بزرگ و سرویس‌های ابری، پردازنده‌ها و تراشه‌ها را به چالش می‌کشند. از جمله‌‌ی محدودیت‌هایی که هم‌اکنون صنعت تولید تراشه‌ها را تهدید می‌کند، نیاز برای پهنای باند بیشتر بین حافظه‌ی رم و پردازنده، نیاز به برقراری ارتباطات بیشتر و همچنین کاهش مصرف انرژی در تراشه‌ها است.

این پروژه با همکاری طیف وسیعی از محققان و مهندسان IBM از سراسر شعبات پیش برده خواهد شد. بخش عمده‌ای از تحقیقات در زمینه‌هایی انجام خواهد شد که نیازها به آن‌ها شدیداً احساس می‌شود و پیش از سرمایه‌گذاری نیز متخصصان IBM تحقیقاتی را در این حوزه به انجام رسانده‌اند. این تحقیقات شامل نانوالکترونیک‌های کربنی، فوتونیک‌های سیلیکونی، فناوری‌های جدید حافظه و معماری‌هایی است که از رایانش کوانتومی و رایانش شناختی پشتیبانی می‌کنند. تمامی فناوری‌های نام برده با هدف حل مشکل فیزیکی تولید تراشه‌ها و همچنین بهینه‌سازی هرچه بیشتر مصرف انرژی به وجود آمده‌اند.

همانطور که گفتیم، بیگ‌بلو علاوه بر موراد ذکر شده، سرمایه‌گذاری‌هایی را در زمینه‌ی نانوتکنولوژی و رایانش کوانتومی انجام خواهد داد که در سه‌دهه‌ی اخیر یکی از کمپانی‌های پیشرو در این حوزه بوده است.

محققان IBM پیش‌بینی کرده‌اند که علی‌رغم چالش‌های پیش‌رو در مورد تولید تراشه‌ها شاهد تولید تراشه‌هایی مبتنی بر لیتوگرافی 14 نامومتری به‌جای 22 نانومتری خواهیم بو که این روند با تولید تراشه‌هایی مبتنی بر لیتوگرافی 10 نانومتر و سپس در انتهای دهه‌ی جاری با لیتوگرافی 7 نانومتری ادامه خواهد یافت که یکی از اساسی‌ترین پیش‌نیازهای دست‌یابی به تکنولوژی ساخت چنین تراشه‌هایی سرمایه‌گذاری گسترده و همچنین نوآوری در صنعت تولید تراشه‌ها و معماری نیمه‌رساناها است که بستر و ابزار‌های مورد نیاز برای تولید چنین تراشه‌هایی را در اختیار کمپانی‌ها قرار خواهد داد.

جان‌کِلی، قائم‌مقام بخش تحقیقات کمپانی IBM در مورد تولید تراشه‌های مبتنی بر لیتوگرافی 7 نانومتری چنین اظهار نظر کرده است:

مساله‌ی اصلی در مورد تولید تراشه‌های مبتنی بر لیتوگرافی 7 نانومتری، چگونگی دستیابی به این فناوری و همچنین هزینه‌ای است که باید به‌منظور تولید آن متقبل شد. مهندسان ما به‌همراه شرکای سخت‌افزاریمان با علم بر تمامی علوم و فناوری‌های مورد نیاز همچون مهندسی مواد و مهندسی سیستم، در پی آنند تا محصولاتی را برای پوشش دادن نیازهای سرویس‌های ابری، داده‌های بزرگ و رایانش کوانتومی روانه‌ی بازار سازند. سرمایه‌گذاری‌های انجام شده ما را در مورد دستیابی به فناوری تولید چنین تراشه‌هایی مطمئن می‌کند.

ریچارد دوهرتی، یکی از محققان و مدیر گروه تحقیقاتی Envisioneering در این خصوص چنین اظهار نظر کرده:

تولید تراشه‌هایی مبتنی بر لیتوگرافی 7 نانومتری نیازمند دانش بالایی در زمینه‌ی فیزیک نانو مواد و ساخت موادی است که بتوان در تولید این تراشه‌ها از آن‌ها استفاده کرد. IBM جزو معدود کمپانی‌هایی است که به‌صراحت از سرمایه‌گذاری در این بخش خبر داده است.

ترانزیسیتورهای سیلیکونی از اولین سال‌های استفاده از رایانه‌ها در داخل این سیستم‌ها جا خوش کرده و رفته رفته توسعه یافته‌اند، اما از نظر فیزیکی این تراشه‌ها با محدودیت‌هایی روبرو می‌شوند که امکان توسعه‌ی هرچه بیشتر آن‌ها را غیرممکن می‌کند. ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون‌ها هم‌اکنون اندازه‌ی بسیار کوچکی دارند، بطوریکه رفته ‌رفته در مقیاس‌های نانو تولید می‌شوند. یکی از قوانین بنیادی در زمینه‌ی پردازنده‌ها، قانون مور است که براساس آن تعداد ترانزیستورها در هر دو سال دو برابر خواهد شد، از این‌رو با تبعیت از این قانون در ساخت پردازنده‌ها در سال‌های اخیر، ظرفیت سیلیکون دیگر اجازه‌ی این تقسیم را نخواهد داد.

تولیدکنندگان ابزار‌های الکترونیک این روزها از فناوری CMOS یا به بیان بهتر از نیم‌رسانای اکسید فلزی مکمل در محصولات خود استفاده می‌کنند که با توجه به محدودیت‌های این سیستم، نیاز به مواد جدید و همچنین معماری‌های منطبق بر این مواد بسیار ضروری است.

علاوه بر لیتوگرافی 7 نانومتر چالش‌های دیگری نیز وجود دارد که نیازمند استفاده از مواد دیگری برای توسعه‌ی پردازنده‌ها برای حل مشکل است. از جمله‌ی موادی که پتانسیل بالایی برای جایگزینی دارند، می‌توان به نانو لوله‌های کربنی یا موارد دیگری از رایانش همچون رایانش کوانتومی، تکنیک‌های یادگیری ماشین، رایانش نئومورفیک و موارد دیگری اشاره کرد.

به‌‌منظور توسعه‌ی تراشه‌های مبتنی بر لیتوگرافی 7 نانومتری، IBM به‌عنوان یکی از کمپانی‌های پیشرو در این زمینه نزدیک به ۵۰۰ پتنت مرتبط را دارا است که منجر به پیش بودن IBM‌از رقبا در زمینه‌ی تراشه‌های ۷ نانومتری و همچنین انتقال به دوران پست-سیلیکون خواهد شد. چنین سرمایه‌گذاری‌هایی در صورتی که ادامه داشته باشد می‌تواند منجر به شتاب گرفتن اختراعات و معرفی محصولات جدیدی از جانب IBM گردد که راهکاری مورد استفاده توسط این کمپانی را در زمینه‌هایی چون سرویس‌های ابری و تحلیل و آنالیز داده‌های بزرگ را بسیار تحت تاثیر قرار خواهد داد.

یکی از بنیادی‌ترین مسائل در مورد رایانه‌های امروزی، کوچکترین واحد اندازه‌گیری در رایانه‌ها، یعنی یک بیت است. یک بیت می‌تواند در هر لحظه یکی از مقادیر ۰ یا ۱ را داشته باشد که برای مثال می‌توان آن را با خاموش یا روشن بودن یک لامپ مقایسه کرد. اما رایانش کوانتومی نگرش متفاوتی داشته و بیت‌های کوانتومی که با نام کوبیت‌ها شناخته می‌شوند، قادرند تا در هر لحظه‌ی ترکیبی از حالت‌های مختلف را تجربه نمایند که این اصل که با نام Superposition شناخته می‌شود، اساسی‌ترین مساله در فیزیک کوانتومی است. از این‌رو کوبیت‌ها با برخورداری از ویژگی سوپرپوزیشن قادرند تا میلیون‌ها حالت را در یک آن تجربه کرده و نتیجه‌ی مورد نظر را در کسری از ثانیه‌ای در خروجی قرار دهند، در حالی که بیت‌ها مورد استفاده در رایانه‌ها در هر لحظه تنها قادر به داشتن مقدار یک یا صفر هستند.

IBM یکی از پیشروترین کمپانی‌ها در زمینه‌ی علوم رایانش کوانتومی و همچنین ارائه‌ی تئوری‌ها در زمینه‌ی رایانش کوانتومی و پردازش اطلاعات با استفاده از کوبیت‌ها است. هرچند هنوز راهکار خاصی برای استفاده از این حوزه ارائه نشده و هنوز مفهوم رایانش کوانتومی در دنیای نظریه‌های علمی سیر می‌کند، اما شاید در آینده‌ی نه‌چندان دور شاهد حل مسائلی باشیم که امروز بسیار غیرمکن و غیرقابل حل به‌نظر می‌رسد. تیمی که روی این مفهوم در IBM‌مشغول است، اخیراً اولین نمونه‌ی آزمایشی از ترکیب سه کوبیت را ارائه کرده که یکی از بنیادی‌ترین قسمت‌ها برای توسعه‌ی یک کامپیوتر کوانتومی است.

کامپیوترهای امروزی تنها مجموعه‌ای از واحد‌های پردازش اطلاعاتی هستند که با پیشرفت‌های انجام شده در نیم‌قرن اخیر، تنها شاهد بالا رفتن سرعت پردازشی رایانه‌ها بوده‌ایم، بطوریکه می‌توان پیشرفت صورت گرفته را در جهت بالابردن سرعت پردازشی اطلاعات عنوان کرد. کامپیوترهای امروزی تنها اطلاعات را پردازش می‌کنند، اما قادر به فکر کردن همچون انسان نیستند. این کامپیوترها با تبعیت از معماری فون‌نویمان که بر جداسازی حافظه‌های جانبی و واحد‌های پردازشی تاکید دارد، توسعه یافته‌اند، اما IBM درصدد توسعه‌ی سیستم‌هایی مبتنی بر معماری غیر فون‌نویمان است. بیگ‌بلو با در تلاش است تا با همکاری مراکز تحقیقاتی و دانشگاه‌های متعدد و ترکیب علوم نانو، اعصاب و ابررایانش، سیستمی را مبتنی بر معماری غیرفون‌نویمان طراحی نماید که در این رساتا زبان‌ برنامه‌نویسی و کاربردهای جدیدی نیز تعریف شده است، چراکه زبان‌های برنامه‌نویسی کنونی همگی براساس معماری فون‌نویمان و با الگوهای شرطی توسعه داده شده‌اند. سیستم جدید توسعه داده شده الگوی شبیه به مغز انسان خواهد داشت، بطوریکه از نظر بهینگی و میزان مصرف انرژی همچون مغز انسان‌ها عمل خواهد کرد. هدف بلند مدت IBM طراحی سیستمی با برخورداری از میلیون‌ها نئورون و شبکه‌ای متشکل از میلیاردها اعصاب است، بطوریکه انرژی مصرفی آن ۱ کیلووات و حجم آن نیز کمتر از ۲ لیتر باشد.

IBM‌ در ۱۲ سال اخیر یکی از کمپانی‌های پیشرو در زمینه‌ی تولید ابزار‌های الکترونیک مبتنی بر CMOS بوده است. با استفاده از این فناوری می‌توان ارتباطات نوری را در یک تراشه‌ی سیلیکونی برقرار کرده و مورد استفاده قرار داد. اما IBM پا را فراتر گذاشته و اولین فرستنده و گیرنده‌ی مبتنی بر سیلیکون فوتونیک را با قابلیت مالتی‌پلکس براساس طول موج تولید کرده است. این فرستنده و گیرنده قادر است تا داده‌ها را بین تمامی کامپوننت‌های یک سیستم رایانه‌ای با استفاده از نور و با نرخ انتقال بسیار بالایی انتقال دهد که مزایایی چون هزینه‌ی کم را دربرداشته و همچنین از نظر مصرف انرژی نیز بسیار بهینه است.

نانوفوتونیک‌های سیلیکون از پالس‌های نوری برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کنند که در مقایسه با ارتباطات مبتنی بر سیم‌های مسی قادرند حجم بالایی از داده‌ها را با سرعت بسیار بالا انتقال دهند که می‌توان از این قابلیت در تراشه‌های مورد استفاده در سرورها، دیتاسنترهای بزرگ و سوپرکامپیوترها استفاده کرد که محدودیت‌های ترافیک داده و همچنین هزینه‌های بالا را حل می‌کند.

 این روزها دنیای تجاری نیاز مبرمی به سیستم‌هایی دار که توانایی تحلیل و آنالیز داده‌های بزرگ را بصورت آنی داشته باشند. سیستم‌های مبتنی بر فوتونیک‌های سیلیکون بهترین راهکار موجود برای پردازش و تحلیل داده‌های بزرگ است که این روزها تبدیل به یکی از چالش‌‌های دنیای فناوری شده است. با استفاده از این فناوری می‌توان بخش‌های مختلف یک سیستم بزرگ را حتی در مسافت‌های چند کیلومتری را به‌هم متصل کرد و داده‌های بزرگ را در سریع‌ترین زمان ممکن با نرخ انتقال بالا حتی در مقیاس‌های چند ترابایتی از طریق پالس‌های نوری انتقال داد.

متخصصان IBM اخیراً ساختار ترانزیستور اثر میدان‌الکتریکی ساخته شده از نیمه‌هادی‌های اکسید فلز گروه III-V را به نمایش گذاردند که دارای بالاتری نرخ انتقال داده‌ی ممکن بود. این ترانزیستور را می‌توان در ابزار‌های مبتنی بر CMOS مورد استفاده قرار داد. بیگ‌بلو در نظر دارد تا با استفاده از این مواد و فناوری‌های حاصل از آن به تولید تراشه‌های مبتنی بر لیتوگرافی ۷ نانومتر و حتی پایین‌ترن از آن بپردازد. مواد گروه III-V قادرند تا حجم بالایی از الکترون‌ها را در مقایسه با سیلیکون از خود عبور دهند که استفاده از آن‌ها نتیجه‌ای جز کاهش استفاده از انرژی را دربرنخواهد داشت که از این‌رو آن را به‌گزینه‌ی مناسبی برای استفاده در سیستم‌های مخصوص پردازش در سرویس‌های ابری خواهد کرد.

محققان IBM در حال انجام تحقیقاتی به‌منظور جایگزین کردن نانولوله‌های کربنی به جای استفاده از سیلیکون در تراشه‌های مبتنی بر لیتوگرافی ۷ نانومتری هستند. به‌عنوان بخشی از فعالیت‌های صورت‌گرفته، IBM برای اولین بار به تولید مدارهایی مبتنی بر CMOS VLSI پرداخته که با استفاده از آن‌ها قادر به تولید گیت‌های دو طرفه CMOS NAND با استفاده از ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله‌‌هایی با طول گیت 50 نانومتری شده است.

IBM همچنین موفق به بالا بردن خلوص کرین در نانولوله‌های کربنی تا 99.99 درصد شده است که یکی از خالص‌ترین نمونه‌های ساخته شده تا به امروز است. ترانزیستورهای ساخته شده با این نانولوله‌ها که دارای عرض کانال 10 نانومتری هستند دارای کمترین افت کیفیت بوده‌اند که تا به امروز نمونه‌‌ای با چنین دقتی توسعه داده نشده است.

نانولوله‌های کربنی ورق‌های کربنی هستند که بصورت استوانه‌ای قرار گرفته‌اند. نانولوله‌های کربنی هسته‌ی اصلی ترانزیستور‌ها را تشکیل خواهند داد که از منظر ساختاری شبیه به ترازیستورهای کنونی خواهند بود، اما از لحاظ کارایی دارای قابلیت‌های بهتری در مقایسه با ترازیستورهای کنونی خواهند بود. این ترانزیستورها را می‌توان در سرورهایی با نرخ بالای پردازش‌ داده‌ها و همچنین تلفن‌های‌هوشمند با سرعت بالا و همچنین کامپیوترها قدرتمند مورد استفاده قرار داد.

نانولوله‌های کربنی دارای ابعاد بسیار کوچکی هستند، بطوریکه می‌توان ضخامت آنها را کمتر از ۱۰ نانومتر برآورد کرد که 10,000 برابر باریک‌تر از موی انسان و نصف ترانزیستورهای سیلیکونی مورد استفاده است. براساس برآوردهای انجام شده باید شاهد بهبود پنج تا ده برابری کارایی این تراشه‌ها در مقایسه با تراشه‌های سیلیکونی باشیم.

گرافن ورقه‌ای متشکل از یک لایه‌ی اتم‌های کربن در کنار یکدیگر است. این ماده یکی از بهترین رساناهای گرما و الکتریسیته بوده و در عین انعطاف‌پذیری دارای استحکام بسیار بالایی است. سرعت حرکت الکترون‌ها در گرافن ده‌برابر بیشتر از نیمه‌هادی‌هایی چون سیلیکون و سیلیکون گارمیموم است که یکی از پرکاربردترین مواد در ساخت تراشه‌ها است. استفاده از گرافن منجر به ساخت ترانزیستورهایی سریع‌تر در مقایسه با ترانزیستورهای کنونی خواهد بود که می‌توان از آن در کاربردهایی چون ساخت تراشه‌هایی برای ارتباطات بی‌سیم اشاره کرد که نتیجه بهینگی این تراشه‌ها خواهد بود.

IBM‌ در سال 2013 میلادی اولین مدار گیرنده‌‌ی ارتباطی بی‌سیم را مبتنی بر گرافن به نمایش گذارشت که از یک آمپلی‌فایر دو مرحله‌ای و یک کانورتور کاهنده‌ که در فرکانس 4.3 گیگاهرتزی کار می‌کند، تشکیل شده است.

علاوه بر استفاده از مواد جدیدی که برای ساخت ترانزیستورها لازم است، معماری و نسل جدیدی از مفاهیم نیز برای بالا بردن توان سیستم‌ها باید طراحی شده و معرفی گردد. اتلاف انرژی یکی از اصلی‌ترین مسائل در مدارهایی با مقیاس نانو است. برای درک بهتر این موضوع، بهتر است یک شیر آب را تصور کنید که علی‌رغم بستن آن، باز هم شاهد ریزش آب هستیم. ترانزیستورهای کنونی نیز چنین مشکلی دارند، بطوریکه در زمان عدم استفاده از ترانزیستورها نیز شاهد اتلاف انرژی هستیم.

کارشناسان و محققان در IBM در پی استفاده از روش‌های مختلفی برای پیشگیری از اتلاف انرژی هستند که از جمله‌ی آن می‌توان به استفاده از ابزارهایی با نام Steep Slope اشاره کرد. ترازیستورهای TFET‌ که نمونه‌ی کم مصرفی از ترانزیستورهای اکسید فلز هستند، با مصرف انرژی بسیار پایینی به فعالیت خود ادامه می‌دهند.

همچنین IBM راهکاری را برای ترکیب مواد گروه III-V‌ در ساختار سیلیکونی ترانزیستورهای کنونی یافته که از این طریق نیز می‌توان محصولات با مصرف بسیار پایین انرژی تولید کرد.

تام رُزامیلا، یکی از مدیران کمپانی IBM‌در خصوص تحقیقات در حال انجام در IBM‌چنین اظهار نظر کرده است:

در ده سال پیش‌ِ‌رو با توجه به فعالیت‌های دانشمندان و متخصصان کمپانی IBM شاهد گسترش مرزهای دانش و تغییرات بنیادین در محصولاتی خواهیم بود که در حوزه‌ی فناوری‌های رایانه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد که نتیجه‌ی آن گذار به دوران پُست-سیلیکون خواهد بود. تیم‌های تحقیقاتی IBM‌ در حال توسعه‌ی فناوری‌ها و دانش لازم برای توسعه‌ی محصولات پیشرفته در سال‌های آتی هتسند.

IBM همچنان به همکاری با داشنگاه‌ها در خصوص پیشبرد فناوری‌های تولید نیمه‌رسانا ادامه خواهد داد. این کمپانی با پشتیبانی و همچنین ارائه‌ی بودجه به دانشگاه‌ها در خصوص تحقیقات در علومی چون نانوالکترونیک  تحقیقات پیشرفته در زمینه‌‌ی شبکه‌ی نیمه‌‌رساناها راه برای تولید محصولاتی با قابلیت‌های بالا در عین مصرف انرژی کمتر باز خواهد کرد.