IBM芯片計劃：生物是設計更高效芯片的關鍵

　　2011年，IBM制造的名叫沃森(Watson)的超級計算機在美國一個智力競賽節(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際象棋不同，Jeopardy! 充滿了雙關語和文字游戲;諸如此類的事情本該是計算機的軟肋。但Bruno Michel，這位IBM位于蘇黎世的研究實驗室先進微集成部門的領導說這并不是一場公平的戰(zhàn)斗。

　　「你知道(沃森)消耗多少電力嗎?當時大概是80kW，超出了人類的上千倍?！筂ichel博士認為計算機是非常低效的機器，不管是它們消耗的電力還是它們所占的空間。他估計，一臺典型的桌面計算機或數(shù)據(jù)中心中的一臺服務器只使用了其體積的大約0.0001%來處理數(shù)字，另外也許有1%將結果傳遞給周邊。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，但他計算，現(xiàn)代計算機只展現(xiàn)了其理論潛力的0.00004%。所以目前，一個大型數(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化了熱量，散失在空氣里。摩爾定律曾在計算力指數(shù)猛漲的同時限制了電力的使用，因為晶體管越小，需要的電力就越少。但現(xiàn)在情況已經(jīng)改變。

　　「現(xiàn)在購買一臺計算機或數(shù)據(jù)中心的成本比一些年前運行它們的成本還低，」Michel博士說，「這是一種范式轉變?！?/p>

　　數(shù)據(jù)中心已經(jīng)消耗了全世界總電力的2%。Michel博士的效率基準是演進;他原來學習的是機械工程，但他后來在讀了一本遺傳學的教科書后愛上了生物學。在從蘇黎世大學獲得生物化學和生物物理學博士學位之后，他加入了IBM的蘇黎世實驗室，與這里1981年開發(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家可以看到和操作單個原子，它的發(fā)明者也因此獲得了諾貝爾獎。這一成果還催生了一個制造平板顯示器的技術項目。

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

　　他最喜歡的一份圖表對比了大腦和第二次世界大戰(zhàn)以來的一系列計算技術的密度和效率。它們都落到了一條直線上，這表明要達到大腦那樣高的能效，科學家將不得不對大腦密度進行模擬。他目前正從事開發(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。「這很像在蒸汽機發(fā)明了200多年后，機械工程技術才在能效上開始接近生物系統(tǒng)的水平」他說，「如果計算可以在一半的時間內完成同樣的事情，那就好了?！?/p>

　　一開始，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在內的一些公司現(xiàn)在正在開發(fā)彼此堆疊的芯片——像是商業(yè)大樓中的公寓，讓設計者可以在特定空間內封裝更多晶體管。三星已經(jīng)在開始銷售用垂直堆疊閃存(vertically stacked flash memory)制作的存儲系統(tǒng)了。去年，英特爾與大型儲存制造商美光聯(lián)合宣布了一種稱為3D Xpoint的堆疊式新內存技術。

　　IBM的研究者正在研究的東西稍有不同：一種內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算堆積到一個微小的體積中，同時還能帶來性能上的巨大提升。傳統(tǒng)的計算機主內存被安裝在離處理器幾厘米的地方。以硅的速度，一厘米是很遠的距離，將信號傳輸這么遠也很浪費能量。將內存移入芯片可將距離從厘米級削減到微米級，使其可以更快地來回傳輸數(shù)據(jù)。但3D芯片面臨著兩個主要問題。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)千臺風扇將熱空氣從機架間吹出去，制造著持續(xù)不斷的轟鳴。芯片中加入的層越多，其芯片內部所產(chǎn)生的熱量就越多，其熱量增長就比可以清除熱量的外側更快。

　　第二個問題是電力輸入。芯片通過其外側的數(shù)百個金屬引腳( metal pins)與外界通信。現(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，因為同樣數(shù)量的引腳要為更復雜的芯片服務。

　　IBM希望通過在3D芯片中使用微尺寸的內部管道來同時解決上面兩個問題。微流體通道(microfluidic channel)將攜帶冷卻液進入芯片中心，將熱量一次性從其整個結構中移除。該公司已經(jīng)在傳統(tǒng)的平面芯片上測試過其液體冷卻技術了。該部門負責人Bruno Michel說，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，它對計算機芯片而言就像生物血液對身體一樣：同時提供能量和調節(jié)溫度。Michel博士的想法是使用一種流動電池(flow battery)的變體，其中的電力通過兩種液體提供，它們在一種膜的兩側相遇，從而產(chǎn)生電力?，F(xiàn)在我們對流動電池已經(jīng)有了相當充分的了解。電力行業(yè)已經(jīng)在研究將它們作為一種電力存儲方式以存儲來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現(xiàn)商業(yè)應用，但原理已經(jīng)確定下來：當Ruch博士打開流體開關時，軟管連接的芯片閃爍著激活——視野中沒有任何插頭和電線。