Vissa lagar är gjorda för att brytas, och andra är gjorda för att följas. Ett team av IBM-forskare i samarbete med två schweiziska partners försöker hålla en lag vid liv i ytterligare 15 år:Moores lag. Lagen säger att antalet transistorer som kan placeras billigt på en integrerad krets kommer att fördubblas var 18:e månad. Mer än 50 år gammal, denna lag är fortfarande i kraft, men att förlänga den så länge som 2020 kommer att kräva en förändring från bara transistorskalning till nya förpackningsarkitekturer som så kallad 3D-integration, den vertikala integrationen av chips.
Gör chips sval igen
Förra veckan, IBM, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) och det schweiziska federala tekniska institutet Zürich (ETH) undertecknade ett fyraårigt samarbetsprojekt kallat CMOSAIC för att förstå hur de senaste chipkylningsteknikerna kan stödja en 3D-chiparkitektur. Till skillnad från nuvarande processorer, CMOSAIC-projektet överväger en 3D-stackarkitektur av flera kärnor med en sammankopplingstäthet från 100 till 10, 000 anslutningar per millimeter kvadrat. Forskare tror att dessa små kopplingar och användningen av hårtunna, vätskekylningsmikrokanaler som endast mäter 50 mikrometer i diameter mellan de aktiva chipsen är de saknade länkarna för att uppnå högpresterande beräkningar med framtida 3D-chipstackar.
"I USA, datacenter förbrukar redan två procent av den tillgängliga elen och förbrukningen fördubblas vart femte år. I teorin, i denna takt, en superdator år 2050 kommer att kräva hela produktionen av USA:s energinät, " sa prof. John R. Thome, professor i värme- och massöverföring vid EPFL och CMOSAIC-projektkoordinator. 3D-chipstackar med mellanskiktskylning ger inte bara högre prestanda, men ännu viktigare, tillåta system med mycket högre effektivitet, på så sätt undviker situationen där superdatorer förbrukar för mycket energi för att vara överkomliga.
3D-utmaningar
CMOSAIC-teamet står inför ett antal formidabla utmaningar, men den senaste tidens framsteg på alla fronter ger forskargruppen förtroende att gå framåt. Till exempel, framsteg i tillverkningen av genomgående kisel-vias har öppnat nya vägar för högdensitetsområdes-arraysammankopplingar mellan staplade processorer och minneschips. Sådana 3D-integrerade kretsar är extremt attraktiva för att övervinna bandbreddsflaskhalsen mellan kärn- och cacheminne, erbjuder en möjlighet att förlänga CMOS-prestanda- och effektivitetstrenderna med ytterligare ett decennium.
Genom att integrera ett mycket stort system på ett chip (SoC) i flera nivåer, det genomsnittliga avståndet mellan systemkomponenterna minskas, vilket kommer att förbättra både effektivitet och prestanda. Dock, utmaningen att ta bort värmen som genereras när flisvolymerna blir mindre och mindre är nu nyckelfrågan. Det övergripande konceptet är kontraintuitivt:ju högre effekttätheter vi kan tillåta, desto högre effektivitet har ett framtida system.
För att lösa kylningsutmaningen, teamet utnyttjar erfarenheterna från IBM och ETH i utvecklingen av Aquasar, en första i sitt slag, vattenkyld superdator.
I likhet med Aquasar, teamet planerar att designa mikrokanaler med enfas vätske- och tvåfas kylsystem med hjälp av nano-ytor som rör kylmedel – inklusive vatten och miljövänliga köldmedier – inom några millimeter från chipet för att absorbera värmen, som en svamp, och dra bort det. När vätskan lämnar kretsen i form av ånga, en kondensor återställer den till flytande tillstånd, där det sedan pumpas tillbaka in i processorn, därmed avsluta cykeln.
"Som vi kommer att visa med ETH i Aquasar-projektet, att använda mikrokanaler som bär flytande kylmedel ger en betydande fördel när det gäller att hantera värmeavlägsnande utmaningar, och detta bör leda till praktiska 3D-system, sa Bruno Michel, chef för avancerad termisk förpackning, IBM Research - Zürich. "Vatten som kylvätska har förmågan att fånga värme ca 4, 000 gånger effektivare än luft, och dess värmetransporterande egenskaper är också mycket överlägsna." Kyla på spånnivå med en vattentemperatur på cirka 60°C är tillräcklig för att hålla spånet vid driftstemperaturer långt under de maximalt tillåtna 85°C. Den höga ingångstemperaturen för kylvätskan resulterar i en ännu högre värme som utgång, vilket i detta fall blir ca 65°C.
