用电子血液解决计算机处理器的扩展问题

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IBM正在研究一种新方法来解决现代计算机处理器中的关键基础设施的规模扩展问题，在这种情况下，它试图故意模仿生物系统的效率，使用流体来同时供电和冷却。IBM把这货叫做“5D电子血液”，不过不管这个名字有多二，它是有真正潜力的。

在过去40年里，计算机性能的第一推动力是时钟频率，在现代处理器与初代8086之间的改进，架构改进据推测占了50倍，而取决于工作负载和CPU，负担得起的多核处理器则提供了另外2至8倍。与此同时，CPU时钟频率从初代8086的4.77MHz提高到现代顶级CPU的约4.5GHz，相比于架构的50倍和多核的2至8倍，时钟频率提升了1,000倍。

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关键是，后两步都依赖于软件优化和多线程能力，相反，只要CPU核心能被喂饱，时钟频率就是可靠的性能推动力。虽然移动数据进出CPU一直都是瓶颈(内存技术的某些方面也是瓶颈)，底线是，CPU时钟驱动了绝大部分性能提升，直到大约2004年。

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40年来，时钟频率和晶体管密度的改进比指令级并行(ILP)大得多。

从那时以来，事态稳定地变得越来越糟糕。一个关键原因是因为CPU芯片上形成的热点，Intel最新的Haswell至强产品线通过使用两套基本和turbo频率强调了这一点，在标准模式下，芯片可以跑较高频率——因为□□X2指令扩展使芯片发热过多，以致于很难跑出全速。

热点形成是现代芯片的一个显著问题，而且随着节点增加，这问题只会变得更糟。在以前，你可以通过减少漏电流和降低电压来把晶体管封装得更紧凑，以补偿这个问题。但现在降低电压已经不像以前那么管用了，这意味着更紧密地封装晶体管只会导致更大的问题。那么IBM想要如何改善这个状况？

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据Ars Technica报道，IBM想模仿人体，并使用电子“血液”来同时供电和冷却处理器。液冷当然极其有效，煎蛋也报道过使液体更靠近需要冷却的CPU组件的努力。然而，同时提供电力却是前所未有的。虽然这种能力羽翼未丰，但通过冷却液提供电力的能力对于解决另外两个问题至关重要：供电和芯片堆叠。

Intel和AMD等公司不制造层层堆叠的多CPU核心的原因之一是因为目前没有办法以这种姿势堆叠核心而不遇到严重的散热问题。下层CPU的热量必须以某种方式(通过硅通孔)直接经过上层核心，大幅增加系统中的总热量，这就是为什么我们看到高端GPU转向2.5D内插技术而不是直接把VRAM堆叠在GPU硅片顶部，这也是为什么3D NAND闪存而不是下一代Intel处理器在引领垂直趋势。

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供电成为芯片堆叠的障碍是因为不可能在堆叠的多核心间传输电力而不遇到上述问题，然而，如果供电能被集成进冷却系统，很多这些问题不能被解决也能被大幅减少。用这种姿势供电需要一种能够无限再生和充电的流式电池。

为什么要在现在推动这种技术？因为2D扩展是未来计算的巨大障碍，如下图所示：

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黄条表示特定特性的范围，两轴都是指数比例。转向3D结构能省下几个数量级的功率，这收益将是巨大的，而且对于把机器推进到E级(10¹⁸)及以上是绝对必须的。不幸的是，在解决这些问题上似乎并没有什么进步——IBM的5D电子血液很吸引人，但除此以外，并没有做出多少工作来解决经常阻碍现代处理器发挥全部潜力的热点问题。

本文译自 ExtremeTech，由 王丢兜 编辑发布。