תום עידן הסיליקון?

תום עידן הסיליקון?
מאת: חיים חביב, 10.7.14, 17:00

יבמ תשקיע 3 מיליארד דולרים בפיתוח טכנולוגיות חדשות לייצור מוליכים למחצה. אינפוגרמה בתחתית הכתבה.

יבמ תשקיע בחומש הקרוב 3 מיליארד דולרים ב-2 תכניות מחקר נרחבות ובשלבים המוקדמים של מיזמי פיתוח, שמיועדים לפרוץ מחסומים בתחום טכנולוגיית השבבים, על מנת לספק את עוצמת העיבוד הנדרשת למערכות ענן מחשוב ו-Big Data.

תכנית המחקר הראשונה בה משקיעה IBM זכתה לכינוי "שבעה ננומטר והלאה", ומתמקדת בפיתוח טכנולוגיית סיליקון, שתתגבר על האתגרים העומדים בפני המשך התקדמות תהליכי המזעור הקיימים, שעלולים למנוע ייצור שבבים כאלה בעתיד. תכנית שנייה, מתמקדת בפיתוח טכנולוגיות חלופיות לעידן פוסט סיליקון, שתחוללנה שינוי בגישות ייצור ובחומרים המשמשים לייצור, שנדרשים, להערכת מומחים, לפרוץ 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 מערכות אלה אל קצה היכולת בשל 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 אף צפויה להרחיב את ההשקעה במחקרים, שכבר יצאו לדרך, דוגמת השימוש בננו-שפופרות (nanotubes) פחמן, שילובים של סיליקון ופוטוניקה (הולכת אור), טכנולוגיות זכרון חדשות וארכיטקטורות תומכות מחשוב קוונטי ומחשוב קוגניטיבי. במקביל, תמשיך יבמ להשקיע במחקר בסיסי בתחומי הננו ובמחשוב קוונטי, אותם מובילה יבמ מזה 3 עשורים.

חוקרים ביבמ ומומחים בטכנולוגיית מוליכים למחצה צופים מעבר מאתגר מטכנולוגיות ייצור של 22 ננומטרים כיום, ל-14 ננומטר ולאחר מכן אף ל-10 ננומטר בשנים הבאות. עם זאת, המעבר הבא, ל-7 ננומטר ואולי אף לממדים זעירים יותר יחייב השקעה ניכרת וחדשנות בארכיטקטורות של מוליכים למחצה, כמו גם פיתוח של כלים וטכניקות חדשים לייצור.

ג'ון קלי, סגן נשיא בכיר וראש חטיבת המחקר של IBM: "השאלה אינה האם אנו מציגים טכנולוגית 7 ננומטר לייצור, אלא איך, מתי, ובאיזה מחיר?"

עוברים לעידן ה"פוסט הסיליקון"
טרנזיסטורי סיליקון, מתגים אלקטרוניים זעירים הנושאים מידע ודחוסים במיליונים על גבי שבב, הופכים משנה לשנה זעירים יותר ויותר. אולם, הם מתקרבים אל סף מגבלות הפיסיקה. המשך המזעור בתהליך הקלאסי, לא יניב את יתרונות החיסכון בצריכת החשמל, הפחתת העלויות ותפקוד במהירות גבוהה יותר.

מרבית הציוד האלקטרוני כיום מבוסס על טכנולוגיות ייצור CMOS (ר"ת Complementary Metal Oxide Semiconductor) וכך נוצר צורך דחוף בפיתוח חומרים חדשים ובארכיטקטורת מעגלים, שיתאימו לתהליכי הייצור.  יבמ מחזיקה כיום בלמעלה מ-500 פטנטים על טכנולוגיות העשויות לאפשר התקדמות ופריצת דרך לייצור ב-7 ננומטר ומעבר לו, יותר מכפליים מהמתחרה הקרובה ביותר. המשך השקעות אלו צפוי להאיץ פיתוח מוצרים עתידיים של יבמ, שיישענו על פיתוחים אלה, על מנת להציע פתרונות ייחודיים למחשוב ענן, ו-Big Data. 
 
מחשוב קוונטי (Quantum Computing)
פיסת המידע הבסיסית המוכרת למחשב היא "0" או "1" בדומה ל-2 מצבים אפשריים של אור: מופעל או כבוי. מחשבים קוונטיים, שמבוססים על שינוי המסלול של חלקיקים קוונטיים (סופרפוזיציה), מסוגלים לטפל ולבחון בו-זמנית מיליוני פתרונות ב'מכה אחת', בעוד מחשבים מסורתיים נדרשים לטפל בהם אחד אחד.

יבמ מקדמת מאמץ מחקר מקיף בתחומים אלה ופועלת ברמת המחקר הבסיסי, הניסיוני והתיאורטי בעולם המחשוב הקוונטי. צוות של יבמ הציג לאחרונה מימוש ניסיוני ראשון של בדיקת זוגות נתונים (parity check), שמבוסס על טכנולוגיות קוונטיות.

בפרויקט מחקר אחר, מפתחים יבמ ושותפיה באקדמיה, 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, שכוללת שפת תכנות חדשה ויישומים המתבססים עליה.

טכנולוגיה חדשנית זו מאפשרת למערכות מחשוב לחקות את דרך החשיבה של מוח האדם ולהציע יעילות מחשוב גבוהה, צמצום בממדים וקיצוץ בצריכת החשמל. המטרה ארוכת הטווח של יבמ היא לבנות מערכת נוירו-סינאפטית, עם 10 מיליארד נוירונים ו-100 טריליון סינפסות, שיצרכו רק קילוואט אחד ויידחסו אל נפח קטן מ-2 ליטרים.

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 (DWDM). רכיבים מסוג זה משתמשים באור באורכי גל שונים להעברת נתונים מהירה מאד בין רכיבים שונים במערכת מחשוב והכל בעלות נמוכה וביעילות אנרגטית.
 
ננו-צינוריות פחמן (Carbon Nanotubes)
יבמ בנתה את ה"פנס" ומתג האור הזעיר בעולם: שבב מוצק המפיק אותות אור. פריצת הדרך הטכנולוגית המצויה בשלבי ניסוי ופיתוח ממחישה היטב את ההתקדמות המהירה בהבנת אופן הפעולה של מכשירים הפועלים ברמה המולקולרית. 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, מאפשרת השגת ממדים זעירים ביותר של 'מכשיר התאורה'. הוכחת יכולת זו 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 באופן ההופך כל שבב כזה למערכת תקשורת אופטית על גבי רכיב בודד.

מדעני יבמ הצליחו לבנות טרנזיסטור, שמסוגל לשמש בעת ובעונה אחת הן כמתג והן כרכיב פולט אור. שימוש בשער הטרנזיסטור מאפשר להפעיל או לכבות את המתג החשמלי ועימו את האור. למעשה, משלב טרנזיסטור זה 2 אופני מיתוג: אלקטרונים - מיתוג חשמלי, ופוטונים - מיתוג אור.
 
גראפן (Graphene)
בשנה שעברה הציגה יבמ מעגל משולב ראשון המבוסס על גראפן - פחמן טהור בשכבה, שעובייה כעובי אטום בודד. גראפן הוא מוליך מעולה של חום וחשמל ומציג גם חוזק וגמישות. אלקטרונים יכולים לנוע בגראפן במהירות של פי 10 לעומת מוליכים למחצה כגון סיליקון וגרמניום סיליקון.

הדור הבא של טרנזיסטורים, אותו מפתחים ביבמ, ימנע "דליפה" של חשמל, שאופיינית 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.

אינפוגרפיה (לחיצה על התמונה מגדילה אותה):