cookieOptions = {...}; ‧ IBM 想用「電子血液」來解決超級電腦散熱,這是種怎樣的技術? - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網
2015年11月13日 星期五

leiphone 曉樺


據報導,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,來為晶片實現供能。IBM正是計畫通過其來該機電腦的散熱和功能問題。

具體來說,其工作原理就像大腦中的血液一樣,人類大腦中有及其豐富的毛細血管,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晶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,再返回晶片中進行循環使用。使用該技術的電腦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
據外媒報導,如今,無論是電腦科學、電子工程或者資訊技術領域,他們共同面臨著一個錯綜複雜的問題是:密度。簡單地說,就是要在既定的空間內塞進更多的數位功能(計算、儲存、快閃記憶體等)是一件異常艱難的事情。

這聽起來似乎有點不合常理,因為現代電腦晶片已經做得那麼小了。想想,一台臺式電腦主機殼所占空間大約為50立方分米或者更多——但是CPUGPURAM以及其他晶片所占的地方可能不到1%

事實上,並不是晶片設計師或者電腦製造商,不想更好地利用電腦的空間,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——傳統電子晶片中,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著實艱難的事情。

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——在一個晶片上疊加再一塊。比如此前史丹佛大學工程師開發出的四層多層晶片原型,即底層和頂層是邏輯電晶體,中間是兩層存儲晶片層。

垂直的管子是奈米級的電子電梯,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,多層邏輯晶片仍然罕見。

然而,不管是裝進更多電路卡,還是製造摩天大樓式的多層晶片,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,隨著晶片變得越來越小巧,那麼它和散熱器或者水冷的接觸面積就會變小,晶片本來能夠散發掉的熱量就受到了限制。

而另一方面,當晶片變得越來越小時,晶片內部工作頻率高的電晶體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——比如英特爾LGA 1155封裝的Ivy Bridge處理器——1155個介面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——VSSVCC——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介面,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——不管是矽片直通孔(TSV)”或其它形式的3D封裝技術。據瞭解,TSV可把晶片上資料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。

IBM5D電子血液又是啥?
正如文章開頭所介紹的,外媒報導稱,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直接將此研究專案為5D擴容,即通過使用電子血液來提供大約10毫瓦的電力給電腦晶片,而且理論上這些血還可以冷卻晶片。

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電腦。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——如果能夠解決艱巨的散熱問題,將意味著能夠帶來巨大的計算效率和收益。


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電腦Aquasar。該冷卻系統的一大特有功能是,其晶片級冷卻系統能使用約60攝氏度(140 華氏度)的水,來讓晶片的工作溫度保持在低於 85 攝氏度(185 華氏度)。

整個冷卻系統的工作原理是:冷卻水持續被晶片加熱,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%。這裡想要說明的是,無論是對散熱還是難以連接的處理器來說,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,而對電腦晶片業來說也將會是迎來一個翻天覆地的變化。不過,據瞭解,目前,該項研究正處於初級階段。

話說回來,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,而傳統電子晶片竟有98%以上的體積用於冷卻。因此,電腦為何不能仿效大腦那樣獲得更高的計算效率?


                                                                                                                                                                                                                            

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