什么是冷計(jì)算？冷計(jì)算能帶來哪些提升？

在計(jì)算領(lǐng)域，硬件制造商一直在尋找新的方法讓芯片保持在較低溫度下運(yùn)行，這可以讓相同的芯片在獲得更高性能的同時(shí)消耗更少能量和產(chǎn)生更少的熱量。

雖然保持筆記本電腦或臺(tái)式電腦冷卻沒有帶來挑戰(zhàn)，但冷卻數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)等大型系統(tǒng)則十分困難。TechRadar Pro與Rambus的首席科學(xué)家Craig Hampel進(jìn)行了交談，了解有關(guān)冷計(jì)算以及研究人員如何使用這種技術(shù)。

什么是冷計(jì)算？

通常來說，冷計(jì)算是降低計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)行溫度以提高計(jì)算效率，能量效率或密度。在低溫下運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生最顯著的影響。這個(gè)低溫到底是多少？傳統(tǒng)的處理器和基于內(nèi)存的數(shù)據(jù)中心在遠(yuǎn)高于室溫的溫度下運(yùn)行，大約295k（21 C），但Rambus正在尋找77K（- 250 C）的液氮運(yùn)行存儲(chǔ)系統(tǒng)。

過去的幾十年，計(jì)算和存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能和能效有巨大的改進(jìn)。隨著云計(jì)算、移動(dòng)設(shè)備和數(shù)據(jù)量的增長，對(duì)大型數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)的需求也不斷增長。

然而，正如智能高級(jí)研究項(xiàng)目（IARPA）所述，大規(guī)模計(jì)算系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心的耗電和冷卻正變得越來越難以管理。傳統(tǒng)基于CMOS器件和普通金屬互連的計(jì)算系統(tǒng)努力通過集成更高密度的晶體管滿足不斷增長的計(jì)算需求。

從歷史上看，Dennard縮放（注，登納德縮放比例定律，也稱MOSFET縮放）已經(jīng)讓存儲(chǔ)器和計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更高密集和更節(jié)能，但Dennard縮放比例已經(jīng)大大減緩。這就是冷計(jì)算可以產(chǎn)生重大影響的地方，使系統(tǒng)能夠通過降低系統(tǒng)溫度來構(gòu)建功耗更低，成本更低的高性能計(jì)算機(jī)。

冷計(jì)算是個(gè)新概念嗎？

實(shí)際上，幾十年來冷計(jì)算一直受到關(guān)注，其中一個(gè)例子是20世紀(jì)90年代IBM的一個(gè)團(tuán)隊(duì)（包括當(dāng)時(shí)在IBM工作的Gary Bronner）就有相關(guān)研究，雖然這項(xiàng)研究顯示出冷計(jì)算的巨大潛力，但當(dāng)時(shí)CMOS縮放明顯能夠跟上行業(yè)的要求。

在這項(xiàng)研究中，Bronner和他的同事發(fā)現(xiàn)低溫DRAM的運(yùn)行速度是傳統(tǒng)DRAM的三倍。

從那以后，冷計(jì)算研究不斷發(fā)展，也有很多圍繞量子計(jì)算機(jī)的討論，這是冷計(jì)算的極端。然而，大多數(shù)量子設(shè)備需要靠近它們的糾錯(cuò)處理器，因此在量子計(jì)算機(jī)投入使用之前，可能需要在77K和4K（-195C）之間運(yùn)行的設(shè)備。

誰在推動(dòng)冷計(jì)算？

目前，有許多圍繞冷計(jì)算和冷存儲(chǔ)以及量子計(jì)算的研究項(xiàng)目。這些研究顯示了高速系統(tǒng)的巨大進(jìn)步，能夠以更高的能效處理和分析大量數(shù)據(jù)。

Rambus正在開展與DRAM和內(nèi)存系統(tǒng)相關(guān)的工作，通常會(huì)提出質(zhì)疑的公司也支持相關(guān)研究，包括英特、IBM、谷歌和微軟。世界各國政府都在研究這個(gè)問題，在美國，IARPA正致力于一項(xiàng)名為“低溫計(jì)算復(fù)雜性（C3）”的計(jì)劃，該計(jì)劃旨在將超導(dǎo)計(jì)算作為耗電問題的長期解決方案，也能用傳統(tǒng)CMOS提供高性能計(jì)算（HPC）。

目前，冷卻運(yùn)行的一個(gè)實(shí)際例子是微軟的Project Natick，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)中心安裝在蘇格蘭奧克尼群島的海岸附近的水下。這是許多尋找提高處理能力的方案中的第一個(gè)，能以較低的成本有效和可持續(xù)地為數(shù)據(jù)中心供電。

然而，這只是可以看到的部分。Rambus目前正與微軟合作構(gòu)建內(nèi)存系統(tǒng)，作為他們量子計(jì)算機(jī)的一部分。由于量子處理器必須在低溫（低于93.15k（-180°C））下工作，Rambus正在研究各種優(yōu)化存儲(chǔ)器接口和DRAM的方法，包括在低溫下有效通信的信號(hào)接口。

冷計(jì)算能帶來哪些提升？

對(duì)更密集和更節(jié)能計(jì)算的需求意味著需要開發(fā)超越傳統(tǒng)半導(dǎo)體的低溫運(yùn)行，包括超導(dǎo)體和量子力學(xué)。由于摩爾定律已經(jīng)放緩，室溫下的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心正變得過時(shí)，冷計(jì)算可能會(huì)以指數(shù)方提升計(jì)算能力，讓超導(dǎo)和量子計(jì)算成為未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)和HPC。

冷計(jì)算是否會(huì)增加功耗和成本？

在77k的溫度，我們相信可以將DRAM工作電壓降至0.4到0.6V，這意味著功耗會(huì)顯著降低，同時(shí)，在這個(gè)溫度和電壓下，漏電壓也會(huì)消失，我們希望內(nèi)存性能和功耗的縮放可以再維持4-10年。然而，與傳統(tǒng)的空氣冷卻系統(tǒng)相比，冷計(jì)算的冷卻系統(tǒng)將變得更加昂貴并且需要更多的電力來維持溫度和散熱。因此，優(yōu)化該系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)總功耗降低是一項(xiàng)典型的工程權(quán)衡。Bronner相信，優(yōu)化該冷計(jì)算系統(tǒng)之后可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)量級(jí)的能量節(jié)省。

冷計(jì)算變得實(shí)用需要克服哪些挑戰(zhàn)？

要使電路在低溫下工作，在技術(shù)變得實(shí)用之前還需要更多的工程工作。在77k的溫度下，數(shù)字轉(zhuǎn)換可以很好地運(yùn)行，但模擬功能不再像以前那樣工作。因此，電路的模擬和信號(hào)混合部分可能需要重新設(shè)計(jì)，以便在低溫下工作。

目前，使用超導(dǎo)的邏輯功能開發(fā)還處于早期階段。雖然正在進(jìn)行重要的研究，但仍有許多工作要做。有個(gè)好消息是，一旦定義了一組標(biāo)準(zhǔn)的邏輯功能，轉(zhuǎn)換處理器架構(gòu)和運(yùn)行的軟件應(yīng)該相當(dāng)簡單。

最終，冷計(jì)算是通向量子計(jì)算的橋梁。但即便如此，量子計(jì)算硬件和編程仍有巨大挑戰(zhàn)。致力于這些項(xiàng)目研究的公司正在匯集全球最聰明的量子物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)架構(gòu)師，以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。即使擁有世界上最好的人才，在這些挑戰(zhàn)在取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展后才能證明其潛力。證明量子計(jì)算在執(zhí)行特定任務(wù)方面比傳統(tǒng)方法更好被稱為“量子霸權(quán)”，不過尚未實(shí)現(xiàn)。

冷計(jì)算什么時(shí)候?qū)崿F(xiàn)？

目前還沒有可以匹配量子計(jì)算的低溫存儲(chǔ)技術(shù)。潛在的存儲(chǔ)器技術(shù)還處于開發(fā)的早期階段，它們需要數(shù)年才能達(dá)到當(dāng)前半導(dǎo)體存儲(chǔ)器每比特成本和容量的水平。針對(duì)低溫溫度優(yōu)化傳統(tǒng)CMOS和傳統(tǒng)DRAM來彌補(bǔ)超導(dǎo)和量子計(jì)算的差距也成為必要。

我們目前正在構(gòu)建77K內(nèi)存系統(tǒng)的原型，經(jīng)過不斷的測試和優(yōu)化，Bronner相信可以在三到五年的時(shí)間內(nèi)上市。

Rambus首席科學(xué)家Craig Hampel