早在2014年,随着“摩尔定律将死”的观点在芯片行业四起,雄心勃勃的IBM耗资30亿美元,启动了一个名为“7nm and Beyond”的项目,期望通过为期5年的研究,看看在芯片尺寸不断缩小的物理效应作用下,未来的计算技术将如何发展。“在实现设备扩展和性能差异化的过程中,都无法停止对新设备架构和新材料的探索。”IBM高级逻辑和存储技术研究、半导体和AI硬件部门主管Huiming Bu谈到,虽然摩尔定律已无法很好地指导芯片技术的发展,但在计算领域,创新仍是发展的必经之路。其中,“7nm and Beyond”项目就能够满足计算领域不断增长的创新需求。
除了对芯片架构的创新应用外,如何在芯片设计阶段对布线进行重新设计,也是IBM研究人员研发的方向之一。经过“7nm and Beyond”项目研究,IBM研究人员对如何在这些晶体管和开关上进行布线有了一定的见解。“我们的创新之一就是尽可能地增加对铜线的使用。”IBM研究员Daniel Edelstein谈到,其中最困难的部分在于对极其微小的沟槽进行图案化,并用铜进行填充,使其没有缺陷。实际上,现阶段铜的使用在晶体管布线中仍存在挑战,但Edelstein认为,在未来短时间内,行业将不会从铜迁移到其他更特殊的材料。“因为就目前的生产而言,铜的使用肯定还没有达到极限。”他说。
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AI推动异构集成发展,新兴存储器取得突破
对IBM来说,芯片尺寸、架构和材料驱动了“7nm and Beyond”项目的许多创新发展,但Edelstein和Huiming Bu都注意到,人工智能(AI)也在未来计算技术的发展中扮演着关键的角色。“随着AI、大脑启发式计算和其他非数字计算的出现,我们开始在研究层面开发其他设备,尤其是新兴的存储设备。”Edelstein谈到,如相变存储器(PCM)、忆阻器(Memristor),这些已被行业认为是模拟计算设备。IBM认为,这些新存储设备的出现,让人们重新思考传统数据存储之外的潜在应用。目前,IBM研究人员正在思考和开发磁阻式随机存取内存(MRAM)的新应用,而IBM从30年前MRAM首次面世以来就开始投入研究。“如今,MRAM终于取得一定的突破。”Edelstein说,它不仅可以实现制造,还可以满足与静态随机存取存储器(SRAM)在系统缓存竞争方面所需的各种要求。2019年,半导体和显示设备制造商应用材料为客户提供的相关解决方案,就直接证明了MRAM和其他非易失性存储器(包括RRAM和PCM)能够直接嵌入处理器中。“将各种组件集成到统一计算系统的需求,正开始推动一个异构集成的全新世界。”在Huiming Bu看来,构建异构架构系统不仅将成为未来计算发展的关键,亦是受AI需求驱动下一种新的行业创新策略。
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结语:IBM为追求高效计算性能攻克先进制程技术
作为全球重要的信息技术公司,IBM“7nm and Beyond”项目对新设备、新材料和新计算架构的探索,是它在不断追求实现更高效计算性能过程中,所迈出的重要一步。随着如今芯片制程技术发展到5nm,并不断往更精细、更先进的制程推进,我们期待IBM在未来能够为半导体行业带来更多的创新思路和惊喜。