IBM芯片計劃：生物是設計更高效芯片的關(guān)鍵

　　2011年，IBM制造的名叫沃森(Watson)的超級計算機在美國一個(gè)智力競賽節目 Jeopardy! 中擊敗了兩位頂尖的人類(lèi)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(mǎn)了雙關(guān)語(yǔ)和文字游戲;諸如此類(lèi)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(shí)驗室先進(jìn)微集成部門(mén)的領(lǐng)導說(shuō)這并不是一場(chǎng)公平的戰斗。

　　「你知道(沃森)消耗多少電力嗎?當時(shí)大概是80kW，超出了人類(lèi)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據中心中的一臺服務(wù)器只使用了其體積的大約0.0001%來(lái)處理數字，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，現代計算機只展現了其理論潛力的0.00004%。所以目前，一個(gè)大型數據中心所消耗的數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猛漲的同時(shí)限制了電力的使用，因為晶體管越小，需要的電力就越少。但現在情況已經(jīng)改變。

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

　　數據中心已經(jīng)消耗了全世界總電力的2%。Michel博士的效率基準是演進(jìn);他原來(lái)學(xué)習的是機械工程，但他后來(lái)在讀了一本遺傳學(xué)的教科書(shū)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。這一成果還催生了一個(gè)制造平板顯示器的技術(shù)項目。

　　「我對新事物非常著(zhù)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)域內工作，不要被創(chuàng )意驅動(dòng)——該被沖擊力驅動(dòng)?！惯@就是他現在從事能效更高的芯片方面工作的原因，他強調說(shuō)：「過(guò)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(shí)，隨著(zhù)氣候變化被提上政治議程，能源政策正變得越來(lái)越重要。他認為生物學(xué)的秘密武器是能夠為大腦供能的精細血管分支網(wǎng)絡(luò )，它們大腦中大部分容積都被用來(lái)執行有用的數據處理任務(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)養物質(zhì)。做完上述所有工作，人腦的功率也只有20W。據Michel博士估計，人腦的效率大約比人類(lèi)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以來(lái)的一系列計算技術(shù)的密度和效率。它們都落到了一條直線(xiàn)上，這表明要達到大腦那樣高的能效，科學(xué)家將不得不對大腦密度進(jìn)行模擬。他目前正從事開(kāi)發(fā)一款電子血液，其功能類(lèi)似于生物鐘血液將能量送入大腦?！高@很像在蒸汽機發(fā)明了200多年后，機械工程技術(shù)才在能效上開(kāi)始接近生物系統的水平」他說(shuō)，「如果計算可以在一半的時(shí)間內完成同樣的事情，那就好了?！?/p>

　　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，現代芯片基本上都是扁平的。但包括IBM在內的一些公司現在正在開(kāi)發(fā)彼此堆疊的芯片——像是商業(yè)大樓中的公寓，讓設計者可以在特定空間內封裝更多晶體管。三星已經(jīng)在開(kāi)始銷(xiāo)售用垂直堆疊閃存(vertically stacked flash memory)制作的存儲系統了。去年，英特爾與大型儲存制造商美光聯(lián)合宣布了一種稱(chēng)為3D Xpoint的堆疊式新內存技術(shù)。

　　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(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(lái)回傳輸數據。但3D芯片面臨著(zhù)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;在傳統的數據中心中，數千臺風(fēng)扇將熱空氣從機架間吹出去，制造著(zhù)持續不斷的轟鳴。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(cháng)就比可以清除熱量的外側更快。

　　第二個(gè)問(wèn)題是電力輸入。芯片通過(guò)其外側的數百個(gè)金屬引腳( metal pins)與外界通信?，F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，只剩下一些留給數據的輸入輸出。在3D芯片中，這些限制還將翻倍，因為同樣數量的引腳要為更復雜的芯片服務(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)結構中移除。該公司已經(jīng)在傳統的平面芯片上測試過(guò)其液體冷卻技術(shù)了。該部門(mén)負責人Bruno Michel說(shuō)，這種微流體系統最終可以從大約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(chēng)作「電子血液(electronic blood)」。如果他能成功將其造出來(lái)，它對計算機芯片而言就像生物血液對身體一樣：同時(shí)提供能量和調節溫度。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，它們在一種膜的兩側相遇，從而產(chǎn)生電力?，F在我們對流動(dòng)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(lái)自可再生能源的間歇性電力。Michel博士的系統還要等很多年才能實(shí)現商業(yè)應用，但原理已經(jīng)確定下來(lái)：當Ruch博士打開(kāi)流體開(kāi)關(guān)時(shí)，軟管連接的芯片閃爍著(zhù)激活——視野中沒(méi)有任何插頭和電線(xiàn)。