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

2011年，IBM制造的名叫沃森(Watson)的超級(jí)計(jì)算機(jī)在美國一個(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際象棋不同，Jeopardy! 充滿了雙關(guān)語和文字游戲;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，「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);他原來學(xué)習(xí)的是機(jī)械工程，但他后來在讀了一本遺傳學(xué)的教科書后愛上了生物學(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，「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)?！惯@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：「過去十年中，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% 用來將一切都保持在正確的位置上并向其提供營養(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)才在能效上開始接近生物系統(tǒng)的水平」他說，「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(nèi)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(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)，使其可以更快地來回傳輸數(shù)據(jù)。但3D芯片面臨著兩個(gè)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(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)問題是電力輸入。芯片通過其外側(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希望通過在3D芯片中使用微尺寸的內(nèi)部管道來同時(shí)解決上面兩個(gè)問題。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)試過其液體冷卻技術(shù)了。該部門負(fù)責(zé)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(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，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：當(dāng)Ruch博士打開流體開關(guān)時(shí)，軟管連接的芯片閃爍著激活——視野中沒有任何插頭和電線。