IBM的奇思妙想——5D電子血液

　　IBM發(fā)明了一種“5D電子血液”，它是一種內(nèi)含帶電粒子的電解液，能夠通過接觸通道內(nèi)的電極來為芯片實(shí)現(xiàn)供能。IBM正是計(jì)劃通過其來解決計(jì)算機(jī)的散熱和供能問題。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(xì)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(fā)的“電子血液”在流經(jīng)芯片帶走散發(fā)的熱量后返回中央儲藏室進(jìn)行冷卻，重新充電后再返回芯片中進(jìn)行循環(huán)使用。使用該技術(shù)的計(jì)算機(jī)在耗能和容量方面都有極大的改進(jìn)。

　　目前的難題：散熱和電力傳輸

　　據(jù)外媒報道，如今，無論是計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子工程或者信息技術(shù)領(lǐng)域，他們共同面臨著一個錯綜復(fù)雜的問題是：密度。簡單地說，就是要在既定的空間內(nèi)塞進(jìn)更多的數(shù)字功能(計(jì)算、儲存、閃存等)是一件異常艱難的事情。這聽起來似乎有點(diǎn)不合常理，因?yàn)楝F(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片已經(jīng)做得那么小了。想想，一臺臺式計(jì)算機(jī)機(jī)箱所占空間大約為50立方分米或者更多——但是CPU、GPU、RAM以及其他芯片所占的地方可能不到1%。

　　事實(shí)上，并不是芯片設(shè)計(jì)師或者計(jì)算機(jī)制造商不想更好地利用計(jì)算機(jī)的空間，而是因?yàn)楫?dāng)前的技術(shù)只能做到這樣了。我們尚不能夠?qū)崿F(xiàn)通過取締液體冷卻來再騰出更多的位置——傳統(tǒng)電子芯片中，其實(shí)有98%以上的體積用于冷卻，只有2%用于計(jì)算)——要突破傳統(tǒng)的冷卻和供電輸送技術(shù)是一件著實(shí)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?shù)姆绞皆絹碓搅餍小谝粋€芯片上疊加再一塊。比如此前斯坦福大學(xué)工程師開發(fā)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?nèi)匀荒軌蚩匆姶蟛糠稚碳以诖丝鄳?zhàn)，多層邏輯芯片仍然罕見。

　　然而，不管是裝進(jìn)更多電路卡還是制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?wù)勆嵯到y(tǒng)的問題。其實(shí)多年以來，高端CPU的最大熱設(shè)計(jì)功耗(TDP)并沒有實(shí)質(zhì)性的改變，這其中有許多復(fù)雜的原因，但最重要的還是，一方面，隨著芯片變得越來越小巧，那么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(fā)掉的熱量就受到了限制。而另一方面，當(dāng)芯片變得越來越小時，芯片內(nèi)部工作頻率高的晶體管發(fā)熱量會比其他部分大。

　　另外關(guān)于電力輸送的問題，你知道在現(xiàn)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(biāo)記的格子——VSS、VCC——都是用于提供穩(wěn)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(fā)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(shù)。據(jù)了解，TSV可把芯片上數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)木嚯x縮短1,000倍，并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于一項(xiàng)能解決功率輸出和冷卻垂直堆積電子的技術(shù)。不同于此前的3D封裝技術(shù)，IBM直接將此研究項(xiàng)目為“5D擴(kuò)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(tǒng)在冷卻方面也許沒什么問題。但是，IBM的目標(biāo)是將其運(yùn)用于超級計(jì)算機(jī)。根據(jù)IBM的設(shè)想，到了2060年，一臺千萬億次級電腦的體積小到可以放在桌子上。現(xiàn)在，這樣一臺電腦占據(jù)的面積相當(dāng)于一個半個足球場——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(jì)算效率和收益。

　　在2010年，IBM 向瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)研究所(ETH Zurich)遞交了一臺用熱水冷卻的超級計(jì)算機(jī)Aquasar。該冷卻系統(tǒng)的一大特有功能是，其芯片級冷卻系統(tǒng)能使用約60攝氏度(140 華氏度)的水來讓芯片的工作溫度保持在低于 85 攝氏度(185 華氏度)。整個冷卻系統(tǒng)的工作原理是：冷卻水持續(xù)被芯片加熱，在它流過被動熱交換機(jī)中時又被持續(xù)冷卻，于是就將帶走的熱量直接輸送給這個實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的整個空間。因此該系統(tǒng)對于能源的需求比相同散熱效率的風(fēng)冷設(shè)備低了足足 40%。這里想要說明的是，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(tǒng)作用都非常大。

　　至于電力輸送，IBM的這套“電子方案”估計(jì)有點(diǎn)懸。因?yàn)槌斯庀蛱幚砥髯⑷爰{流體進(jìn)行冷卻，該方案還需能夠成功將其轉(zhuǎn)化為氧化還原液流電池。

　　如果IBM能夠克服所有這些困難，那么這個“電子血液”系統(tǒng)將能實(shí)現(xiàn)80%的能源轉(zhuǎn)化效率，與以往形成巨大的反差，而對計(jì)算機(jī)芯片業(yè)來說也將會是迎來一個翻天覆地的變化。不過，據(jù)了解，目前，該項(xiàng)研究正處于初級階段。

　　話說回來，IBM的研發(fā)人員又是將腦洞開到什么程度才想到這種方案的呢?IBM在接受采訪時表示，研制“電子血液”的靈感就是來源于人體大腦。大腦的40%體積用于思考計(jì)算，50%體積用于互聯(lián)，只有10%的體積用于冷卻，而傳統(tǒng)電子芯片竟有98%以上的體積用于冷卻。因此，計(jì)算機(jī)為何不能仿效大腦那樣獲得更高的計(jì)算效率?