IBM 想用 “電子血液” 來解決超級計算機散熱,這是種怎樣的技術?

雷鋒網 於 10/11/2015 發表 收藏文章

據報道,IBM發明了一種“5D電子血液”,它是一種內含帶電粒子的電解液,能夠通過接觸通道內的電極來為芯片實現供能。IBM正是計劃通過其來解決計算機的散熱和功能問題。具體來説,其工作原理就像大腦中的血液一樣,人類大腦中有極其豐富的毛細血管,這些血管在給大腦帶來新鮮氧氣的同時也帶走熱量,而IBM研發的“電子血液”在流經芯片帶走散發的熱量後返回中央儲藏室進行冷卻,重新充電後再返回芯片中進行循環使用。使用該技術的計算機在耗能和容量方面都有極大的改進。


目前的難題:散熱和電力傳輸

據外媒報道,如今,無論是計算機科學、電子工程或者信息技術領域,他們共同面臨着一個錯綜複雜的問題是:密度。簡單地説,就是要在既定的空間內塞進更多的數字功能(計算、儲存、閃存等)是一件異常艱難的事情。這聽起來似乎有點不合常理,因為現代計算機芯片已經做得那麼小了。想想,一台台式計算機機箱所佔空間大約為50立方分米或者更多——但是CPU、GPU、RAM以及其他芯片所佔的地方可能不到1%。

事實上,並不是芯片設計師或者計算機制造商不想更好地利用計算機的空間,而是因為當前的技術只能做到這樣了。我們尚不能夠實現通過取締液體冷卻來再騰出更多的位置——傳統電子芯片中,其實有98%以上的體積用於冷卻,只有2%用於計算)——要突破傳統的冷卻和供電輸送技術是一件着實艱難的事情。

此外,近年來我們也看到一種能夠解決立體傳輸的方式越來越流行——在一個芯片上疊加再一塊。比如此前斯坦福大學工程師開發出的四層“多層芯片”原型,即底層和頂層是邏輯晶體管,中間是兩層存儲芯片層。垂直的管子是納米級的電子“電梯”,連接邏輯層和存儲層,讓它們能一起工作解決問題,避免擁堵。但即使如此,我們仍然能夠看見大部分商家在此苦戰,多層邏輯芯片仍然罕見。

然而,不管是裝進更多電路卡還是製造摩天大樓式的多層芯片,它們都是為了解決同一個問題:散熱和電力傳輸。

我們先來談談散熱系統的問題。其實多年以來,高端CPU的最大熱設計功耗(TDP)並沒有實質性的改變,這其中有許多複雜的原因,但最重要的還是,一方面,隨着芯片變得越來越小巧,那麼它和散熱器或者水冷的接觸面積就會變小,芯片本來能夠散發掉的熱量就受到了限制。而另一方面,當芯片變得越來越小時,芯片內部工作頻率高的晶體管發熱量會比其他部分大。


另外關於電力輸送的問題,你知道在現代的CPU上——比如英特爾LGA 1155封裝的Ivy Bridge處理器——1155個接口中大部分是用作電力傳輸嗎?如上圖,所有以“V”開頭標記的格子——VSS、VCC——都是用於提供穩定的電力流動的。

如果想要將兩個處理器垂直堆積起來,不僅需要增加處理器底部的接口,而且必須找到一種在兩層處理器間連接電路的方式。這是非常困難的,也是3D封裝處理器發展受阻的原因——不管是“硅片直通孔(TSV)”或其它形式的3D封裝技術。據了解,TSV可把芯片上數據需要傳輸的距離縮短1,000倍,並使每個器件的互連性增加100倍。

那IBM的5D“電子血液”又是啥?

正如文章開頭所介紹的,外媒報道稱,IBM蘇黎世研究所的工作人員正致力於一項能解決功率輸出和冷卻垂直堆積電子的技術。不同於此前的3D封裝技術,IBM直接將此研究項目為“5D擴容”,即通過使用“電子血液”來提供大約10毫瓦的電力給電腦芯片,而且理論上這些血還可以冷卻芯片。

IBM這個“電子血液”系統在冷卻方面也許沒什麼問題。但是,IBM的目標是將其運用於超級計算機。根據IBM的設想,到了2060年,一台千萬億次級電腦的體積小到可以放在桌子上。現在,這樣一台電腦佔據的面積相當於一個半個足球場——如果能夠解決艱鉅的散熱問題,將意味着能夠帶來巨大的計算效率和收益。


在2010年,IBM 向瑞士蘇黎世聯邦技術研究所(ETH Zurich)遞交了一台用熱水冷卻的超級計算機Aquasar。該冷卻系統的一大特有功能是,其芯片級冷卻系統能使用約60攝氏度(140 華氏度)的水來讓芯片的工作温度保持在低於 85 攝氏度(185 華氏度)。整個冷卻系統的工作原理是:冷卻水持續被芯片加熱,在它流過被動熱交換機中時又被持續冷卻,於是就將帶走的熱量直接輸送給這個實驗環境中的整個空間。因此該系統對於能源的需求比相同散熱效率的風冷設備低了足足 40%。這裏想要説明的是,無論是對散熱還是難以連接的處理器來説,納流體液體冷卻系統作用都非常大。


至於電力輸送,IBM的這套“電子方案”估計有點懸。因為除了光向處理器注入納流體進行冷卻,該方案還需能夠成功將其轉化為氧化還原液流電池。

如果IBM能夠克服所有這些困難,那麼這個“電子血液”系統將能實現80%的能源轉化效率,與以往形成巨大的反差,而對計算機芯片業來説也將會是迎來一個翻天覆地的變化。不過,據了解,目前,該項研究正處於初級階段。

話説回來,IBM的研發人員又是將腦洞開到什麼程度才想到這種方案的呢?IBM在接受採訪時表示,研製“電子血液”的靈感就是來源於人體大腦。大腦的40%體積用於思考計算,50%體積用於互聯,只有10%的體積用於冷卻,而傳統電子芯片竟有98%以上的體積用於冷卻。因此,計算機為何不能仿效大腦那樣獲得更高的計算效率?

via Ars technica


資料來源:雷鋒網
作者/編輯:曉樺

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