作为旨在突破传统硅基计算的领导者，IBM拥有超过500项专利，这些技术将推动7纳米及以下硅芯片的发展。而且，IBM的这些专利数量超过最接近的竞争对手的两倍以上。这些持续的投资将有助于加速在IBM云计算系统和大数据分析领域产生更多发明，并加快把它们投入生产开发。

以下是若干探索性的研究突破，它们可能会导致重大进步，实现明显更小、更快、更强大的计算芯片。这些突破包括量子计算、神经突触(neurosynaptic computing计算、硅光子技术（silicon photonics）、碳纳米管（carbon nanotubes）、III-V族半导体技术（III-V technologies）、低功耗晶体管（low power transistors ）:以及石墨烯（graphene）：

量子计算通常计算机能够理解的最基本信息单元是“比特”。就像能够打开或关闭的灯光一样，比特只能是两个值中的一个：“1”或“0”。对于量子比特（或简称为“qubit”）而言，它们可以保持 “1”或“0”的值，也可以同时保持这两个值。这种现象被称为“叠加”（superposition），它能够让量子计算机一次执行数百万次计算，而台式机只能一次只能处理一次计算。

IBM在基于超导量子比特的量子计算科学领域处于世界领先地位，同时也是实验和理论量子信息领域的先锋，这些领域目前仍处于基础科学的范畴，但从长远来看，它们可能会为目前利用传统机器不可能或无法可行地解决的问题带来解决方案。该团队最近展示了利用三个超导量子比特进行奇偶校验的首个实验，这实际上是一类量子计算机必不可少的构建块。

神经突触计算 IBM和大学合作伙伴把纳米科学、神经科学和超级计算机结合到一起，开发出了一套端到端生态系统，其中包括一个新的非冯诺依曼体系结构、一种新的编程语言以及众多应用。这种新颖的技术能够让计算系统模拟大脑的计算效率、规模和能源消耗。IBM的长远目标是建立具有一百亿个神经元和一百万亿个突触的神经突触系统，而其能耗只有一千瓦，体积不到两升。

硅光子技术超过12年来，IBM一直是CMOS集成硅光子领域的先驱，这种技术能够把光通信功能整合到一个硅芯片上。而且IBM团队最近还设计和制造出世界上第一个基于单片硅光子、采用波分多路复用技术的收发器。这样的收发器能够利用光线以很高的数据速率在计算系统的不同组件之间传输数据，具有成本低、能效高的优点。

硅纳米光子技术利用光脉冲进行通信，而不是采用传统的铜导线技术，从而为大量数据在服务器、大型数据中心和超级计算机的芯片间通信提供了一条超高速公路，能够缓解传统互联方式的数据流量拥堵和高成本的限制。

企业正在进入计算新时代，需要系统来实时处理和分析极其大量的信息，即大数据。硅纳米光子技术为大数据的挑战给出了答案，它能够无缝连接大型系统的各个部件，无论这些部件之间相距几厘米或几公里；而且能够通过光纤以光脉冲的方式传递若干TB的数据。

III-V族半导体技术 IBM公司的研究人员已经在一套自对准III-V族沟道MOSFET器件结构中演示了世界上最高的跨导性，该结构与CMOS缩放相兼容。这些材料以及结构方面的创新有望为7纳米及以下缩放技术铺平道路。利用比硅材料高出一个数量级电子迁移率，通过把III-V族材料整合到CMOS中，可以以更低的功率密度实现更高的性能，从而拓展功耗/性能比缩减的空间，满足云计算和大数据系统的需求。

碳纳米管 IBM研究人员正在碳纳米管（CNT）电子领域开展工作，探索碳纳米管是否能够在7纳米以及以下的节点取代硅。作为开发基于CMOS 超大规模集成电路的碳纳米管的活动的一部分，IBM公司最近在世界上首次展示了2路CMOS与非门（CMOS NAND gates），它采用50纳米栅极长度的碳纳米管晶体管。

IBM还展示了把碳纳米管纯化至99.99％的能力，这是迄今为止最高的（经验证的）纯度；IBM还在10纳米通道长度上展示了不因为规模集成而出现劣化现象的晶体管，这是迄今任何其他材料体系所无法比拟的。