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Die 7-Nanometertechnologie und neuartige Prozessoren sowie Rechenkonzepte im Visier IBM investiert 3Milliarden Dollar in die Prozessorentwicklung

| Redakteur: Ulrike Ostler

IBM wird in den kommenden fünf Jahren drei Milliarden Dollar in zwei umfassende Programme investieren, deren Ziele die Erforschung und erste Entwicklungen von neuartigen Chip-Technologien sind.

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So klein, so schnell, so schwierig: Die Entwicklung von Prozessoren ist eine Aufgabe, der sich nur wenige stellen. IBM aber forscht.
So klein, so schnell, so schwierig: Die Entwicklung von Prozessoren ist eine Aufgabe, der sich nur wenige stellen. IBM aber forscht.
(Bild: IBM)

Im Fokus stehen dabei schnellere und effizientere Prozessoren mit Strukturgrößen von sieben und weniger Nanometern sowie die Entwicklung von Post-Silizium-Technologien für die gestiegenen Anforderungen von Cloud Computing und Big Data. Mit diesen Investitionen will IBM seine Innovationsführerschaft in der Halbleitertechnologie weiter ausbauen.

Im ersten Programm sollen innovative 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 Quantencomputer, für die Post-Silizium-Ära.

Die Herausforderungen sind bekannt: Cloud und Big Data-Anwendungen stellen große Anforderungen 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. Außerdem werden bei der Systementwicklung Stromverbrauch, Speicherbandbreiten und Hochgeschwindigkeitskommunikation in erhöhtem Maße zu begrenzenden Faktoren.

Die Forschungsgebiete

Nun 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 Energie-Effizienz von Computersystemen um mehrere Größenordnungen zu verbessern.

Dazu wird IBM signifikant in die beiden Forschungsprogrammen investieren, konkrete 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.

Dazu Richard Doherty, Direktor der Technologieforschung bei The Envisioneering Group: „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. IBM ist eine der wenigen Firmen weltweit, die Forschung auf diesem Niveau und derartige Ingenieursleistungen erbringen kann.“

7-Nanometertechnologie und zukünftige Entwicklungen

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.

John Kelly, Senior Vice President, IBM Research, sagt dazu:„Die Frage ist nicht, ob wir die 7-Nanometertechnologie in die Chip-Herstellung einführen werden, sondern wie, wann und zu welchem Preis.“ Er fährt fort: „IBMs Forscher und Ingenieure können zusammen mit unseren Partnern diese Herausforderungen meistern. Sie arbeiten bereits heute an neuartigen Materialien und Bauelemente, die für zukünftige Cloud- und Big Data-Anwendungen sowie für kognitive Systeme erforderlich sind.“

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.

Experten erwarten, dass in den kommenden Jahren eine Skalierung der Halbleitertechnologie von heute 22 Nanometer auf zunächst 14 und später zehn Nanometer möglich sein wird.
Experten erwarten, dass in den kommenden Jahren eine Skalierung der Halbleitertechnologie von heute 22 Nanometer auf zunächst 14 und später zehn Nanometer möglich sein wird.
(Bild: IBM)

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. Die oben erwähnten Investitionen werden weitere Erfindungen und die Umsetzung von Innovationen in die Produktentwicklung für IBMs hochdifferenzierte Computersysteme für Cloud und Big Data-Analytik beschleunigen.

Zu den bahnbrechenden 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.

Nanotechnologie bei IBM Research – Zürich

Ein Großteil der oben genannten Forschungsaktivitäten wird auch bei IBM Research - Zürich in Rüschlikon erforscht. Hierbei ist besonders das 2011 eröffnete „Binnig and Rohrer Nanotechnology Center“, das gemeinsam mit der ETH Zürich betrieben wird, von zentraler Bedeutung.

Die Nanotechnologieforschung hat im IBM Forschungszentrum in Rüschlikon eine lange Geschichte. Mit der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (STM) in den 80er Jahren durch Gerd Binnig und Heinrich Rohrer wurde es erstmals möglich, Oberflächen Atom für Atom abzubilden und zu manipulieren. Diese Erfindung, für die die beiden Forscher 1986 den Nobelpreis für Physik erhielten, legte den Grundstein für die Erforschung des Nanokosmos.

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