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)的電極來為芯片實現(xiàn)供能。IBM正是計劃通過其來解決計算機的散熱和供能問題。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行冷卻，重新充電后再返回芯片中進行循環(huán)使用。使用該技術(shù)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(jù)外媒報道，如今，無論是計算機科學(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)塞進更多的數(shù)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(xiàn)代計算機芯片已經(jīng)做得那么小了。想想，一臺臺式計算機機箱所占空間大約為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%。

　　事實上，并不是芯片設(shè)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(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，其實有98%以上的體積用于冷卻，只有2%用于計算)——要突破傳統(tǒng)的冷卻和供電輸送技術(shù)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?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。其實多年以來，高端CPU的最大熱設(shè)計功耗(TDP)并沒有實質(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(tǒng)在冷卻方面也許沒什么問題。但是，IBM的目標是將其運用于超級計算機。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?，F(xiàn)在，這樣一臺電腦占據(jù)的面積相當于一個半個足球場——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算機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驗環(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(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)將能實現(xiàn)80%的能源轉(zhuǎn)化效率，與以往形成巨大的反差，而對計算機芯片業(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，計算機為何不能仿效大腦那樣獲得更高的計算效率?