IBM芯片計(jì)劃:生物是設(shè)計(jì)更高效芯片的關(guān)鍵

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作者:機(jī)器之心 Synced

2016-03-13 20:54:05

摘自:百度百家

現(xiàn)在購(gòu)買一臺(tái)計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)中心的成本比一些年前運(yùn)行它們的成本還低,」Michel博士說(shuō),「這是一種范式轉(zhuǎn)變。

2011年,IBM制造的名叫沃森(Watson)的超級(jí)計(jì)算機(jī)在美國(guó)一個(gè)智力競(jìng)賽節(jié)目 Jeopardy! 中擊敗了兩位頂尖的人類冠軍。這讓人們十分興奮。與具備抽象的理性和邏輯的國(guó)際象棋不同,Jeopardy! 充滿了雙關(guān)語(yǔ)和文字游戲;諸如此類的事情本該是計(jì)算機(jī)的軟肋。但Bruno Michel,這位IBM位于蘇黎世的研究實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)微集成部門的領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)這并不是一場(chǎng)公平的戰(zhàn)斗。

「你知道(沃森)消耗多少電力嗎?當(dāng)時(shí)大概是80kW,超出了人類的上千倍?!筂ichel博士認(rèn)為計(jì)算機(jī)是非常低效的機(jī)器,不管是它們消耗的電力還是它們所占的空間。他估計(jì),一臺(tái)典型的桌面計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)中心中的一臺(tái)服務(wù)器只使用了其體積的大約0.0001%來(lái)處理數(shù)字,另外也許有1%將結(jié)果傳遞給周邊。其它地方基本上都是空的。物理定律限制了信息的處理效率,但他計(jì)算,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)只展現(xiàn)了其理論潛力的0.00004%。所以目前,一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心所消耗的數(shù)十兆瓦電力中的絕大部分都被轉(zhuǎn)化了熱量,散失在空氣里。摩爾定律曾在計(jì)算力指數(shù)猛漲的同時(shí)限制了電力的使用,因?yàn)榫w管越小,需要的電力就越少。但現(xiàn)在情況已經(jīng)改變。

「現(xiàn)在購(gòu)買一臺(tái)計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)中心的成本比一些年前運(yùn)行它們的成本還低,」Michel博士說(shuō),「這是一種范式轉(zhuǎn)變?!?/p>

數(shù)據(jù)中心已經(jīng)消耗了全世界總電力的2%。Michel博士的效率基準(zhǔn)是演進(jìn);他原來(lái)學(xué)習(xí)的是機(jī)械工程,但他后來(lái)在讀了一本遺傳學(xué)的教科書后愛(ài)上了生物學(xué)。在從蘇黎世大學(xué)獲得生物化學(xué)和生物物理學(xué)博士學(xué)位之后,他加入了IBM的蘇黎世實(shí)驗(yàn)室,與這里1981年開(kāi)發(fā)的掃描隧道顯微鏡(STM,scanning tunnelling microscope)一起工作。掃描隧道顯微鏡讓科學(xué)家可以看到和操作單個(gè)原子,它的發(fā)明者也因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。這一成果還催生了一個(gè)制造平板顯示器的技術(shù)項(xiàng)目。

「我對(duì)新事物非常著迷,然后我就想要從事這些工作,」他說(shuō),「但我的建議是:如果你想在一個(gè)新領(lǐng)域內(nèi)工作,不要被創(chuàng)意驅(qū)動(dòng)——該被沖擊力驅(qū)動(dòng)。」這就是他現(xiàn)在從事能效更高的芯片方面工作的原因,他強(qiáng)調(diào)說(shuō):「過(guò)去十年中,芯片行業(yè)內(nèi)存在一種恐慌:很快我們就不能保持這些東西的酷勁了?!古c此同時(shí),隨著氣候變化被提上政治議程,能源政策正變得越來(lái)越重要。他認(rèn)為生物學(xué)的秘密武器是能夠?yàn)榇竽X供能的精細(xì)血管分支網(wǎng)絡(luò),它們大腦中大部分容積都被用來(lái)執(zhí)行有用的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。就神經(jīng)科學(xué)家目前所知,一個(gè)哺乳動(dòng)物的大腦中有 70% 用于傳遞信息,20% 用于處理信息,剩下的 10% 用來(lái)將一切都保持在正確的位置上并向其提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。做完上述所有工作,人腦的功率也只有20W。據(jù)Michel博士估計(jì),人腦的效率大約比人類所設(shè)計(jì)出的最好硅機(jī)器高10000倍。

他最喜歡的一份圖表對(duì)比了大腦和第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)的一系列計(jì)算技術(shù)的密度和效率。它們都落到了一條直線上,這表明要達(dá)到大腦那樣高的能效,科學(xué)家將不得不對(duì)大腦密度進(jìn)行模擬。他目前正從事開(kāi)發(fā)一款電子血液,其功能類似于生物鐘血液將能量送入大腦?!高@很像在蒸汽機(jī)發(fā)明了200多年后,機(jī)械工程技術(shù)才在能效上開(kāi)始接近生物系統(tǒng)的水平」他說(shuō),「如果計(jì)算可以在一半的時(shí)間內(nèi)完成同樣的事情,那就好了。」

一開(kāi)始,Bass 先生在材料使用和制作東西上就和別人的看法完全不同。

拋開(kāi)鰭片晶體管(finned transistors)這樣的創(chuàng)新不談,現(xiàn)代芯片基本上都是扁平的。但包括IBM在內(nèi)的一些公司現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)彼此堆疊的芯片——像是商業(yè)大樓中的公寓,讓設(shè)計(jì)者可以在特定空間內(nèi)封裝更多晶體管。三星已經(jīng)在開(kāi)始銷售用垂直堆疊閃存(vertically stacked flash memory)制作的存儲(chǔ)系統(tǒng)了。去年,英特爾與大型儲(chǔ)存制造商美光聯(lián)合宣布了一種稱為3D Xpoint的堆疊式新內(nèi)存技術(shù)。

IBM的研究者正在研究的東西稍有不同:一種內(nèi)存片夾在處理邏輯片之間的芯片棧(chip stacks)。這讓工程師可以將大量的計(jì)算堆積到一個(gè)微小的體積中,同時(shí)還能帶來(lái)性能上的巨大提升。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)主內(nèi)存被安裝在離處理器幾厘米的地方。以硅的速度,一厘米是很遠(yuǎn)的距離,將信號(hào)傳輸這么遠(yuǎn)也很浪費(fèi)能量。將內(nèi)存移入芯片可將距離從厘米級(jí)削減到微米級(jí),使其可以更快地來(lái)回傳輸數(shù)據(jù)。但3D芯片面臨著兩個(gè)主要問(wèn)題。第一是散熱。平面芯片的散熱已經(jīng)很糟糕了;在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心中,數(shù)千臺(tái)風(fēng)扇將熱空氣從機(jī)架間吹出去,制造著持續(xù)不斷的轟鳴。芯片中加入的層越多,其芯片內(nèi)部所產(chǎn)生的熱量就越多,其熱量增長(zhǎng)就比可以清除熱量的外側(cè)更快。

第二個(gè)問(wèn)題是電力輸入。芯片通過(guò)其外側(cè)的數(shù)百個(gè)金屬引腳( metal pins)與外界通信?,F(xiàn)代芯片具有非常大的電力需求,其 80% 的引腳都是為傳輸電力服務(wù)的,只剩下一些留給數(shù)據(jù)的輸入輸出。在3D芯片中,這些限制還將翻倍,因?yàn)橥瑯訑?shù)量的引腳要為更復(fù)雜的芯片服務(wù)。

IBM希望通過(guò)在3D芯片中使用微尺寸的內(nèi)部管道來(lái)同時(shí)解決上面兩個(gè)問(wèn)題。微流體通道(microfluidic channel)將攜帶冷卻液進(jìn)入芯片中心,將熱量一次性從其整個(gè)結(jié)構(gòu)中移除。該公司已經(jīng)在傳統(tǒng)的平面芯片上測(cè)試過(guò)其液體冷卻技術(shù)了。該部門負(fù)責(zé)人Bruno Michel說(shuō),這種微流體系統(tǒng)最終可以從大約1立方厘米的體積中移除大約1千瓦的熱量——大約相等于電加熱器上一個(gè)加熱條的輸出。

液體不僅能冷卻芯片,也能傳遞能量。受到自己生物學(xué)背景的啟發(fā),Michel博士將這種液體稱作「電子血液(electronic blood)」。如果他能成功將其造出來(lái),它對(duì)計(jì)算機(jī)芯片而言就像生物血液對(duì)身體一樣:同時(shí)提供能量和調(diào)節(jié)溫度。Michel博士的想法是使用一種流動(dòng)電池(flow battery)的變體,其中的電力通過(guò)兩種液體提供,它們?cè)谝环N膜的兩側(cè)相遇,從而產(chǎn)生電力?,F(xiàn)在我們對(duì)流動(dòng)電池已經(jīng)有了相當(dāng)充分的了解。電力行業(yè)已經(jīng)在研究將它們作為一種電力存儲(chǔ)方式以存儲(chǔ)來(lái)自可再生能源的間歇性電力。Michel博士的系統(tǒng)還要等很多年才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用,但原理已經(jīng)確定下來(lái):當(dāng)Ruch博士打開(kāi)流體開(kāi)關(guān)時(shí),軟管連接的芯片閃爍著激活——視野中沒(méi)有任何插頭和電線。

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