IBM芯片计划：生物是设计更高效芯片的关键

2011年，IBM制造的名叫沃森(Watson)的超级计算机在美国一个智力竞赛节目 Jeopardy! 中击败了两位顶尖的人类冠军。这让人们十分兴奋。与具备抽象的理性和逻辑的国际象棋不同，Jeopardy! 充满了双关语和文字游戏;诸如此类的事情本该是计算机的软肋。但Bruno Michel，这位IBM位于苏黎世的研究实验室先进微集成部门的领导说这并不是一场公平的战斗。

「你知道(沃森)消耗多少电力吗?当时大概是80kW，超出了人类的上千倍。」Michel博士认为计算机是非常低效的机器，不管是它们消耗的电力还是它们所占的空间。他估计，一台典型的桌面计算机或数据中心中的一台服务器只使用了其体积的大约0.0001%来处理数字，另外也许有1%将结果传递给周边。其它地方基本上都是空的。物理定律限制了信息的处理效率，但他计算，现代计算机只展现了其理论潜力的0.00004%。所以目前，一个大型数据中心所消耗的数十兆瓦电力中的绝大部分都被转化了热量，散失在空气里。摩尔定律曾在计算力指数猛涨的同时限制了电力的使用，因为晶体管越小，需要的电力就越少。但现在情况已经改变。

「现在购买一台计算机或数据中心的成本比一些年前运行它们的成本还低，」Michel博士说，「这是一种范式转变。」

数据中心已经消耗了全世界总电力的2%。Michel博士的效率基准是演进;他原来学习的是机械工程，但他后来在读了一本遗传学的教科书后爱上了生物学。在从苏黎世大学获得生物化学和生物物理学博士学位之后，他加入了IBM的苏黎世实验室，与这里1981年开发的扫描隧道显微镜(STM，scanning tunnelling microscope)一起工作。扫描隧道显微镜让科学家可以看到和操作单个原子，它的发明者也因此获得了诺贝尔奖。这一成果还催生了一个制造平板显示器的技术项目。

「我对新事物非常着迷，然后我就想要从事这些工作，」他说，「但我的建议是：如果你想在一个新领域内工作，不要被创意驱动——该被冲击力驱动。」这就是他现在从事能效更高的芯片方面工作的原因，他强调说：「过去十年中，芯片行业内存在一种恐慌：很快我们就不能保持这些东西的酷劲了。」与此同时，随着气候变化被提上政治议程，能源政策正变得越来越重要。他认为生物学的秘密武器是能够为大脑供能的精细血管分支网络，它们大脑中大部分容积都被用来执行有用的数据处理任务。就神经科学家目前所知，一个哺乳动物的大脑中有 70% 用于传递信息，20% 用于处理信息，剩下的 10% 用来将一切都保持在正确的位置上并向其提供营养物质。做完上述所有工作，人脑的功率也只有20W。据Michel博士估计，人脑的效率大约比人类所设计出的最好硅机器高10000倍。

他最喜欢的一份图表对比了大脑和第二次世界大战以来的一系列计算技术的密度和效率。它们都落到了一条直线上，这表明要达到大脑那样高的能效，科学家将不得不对大脑密度进行模拟。他目前正从事开发一款电子血液，其功能类似于生物钟血液将能量送入大脑。「这很像在蒸汽机发明了200多年后，机械工程技术才在能效上开始接近生物系统的水平」他说，「如果计算可以在一半的时间内完成同样的事情，那就好了。」

一开始，Bass 先生在材料使用和制作东西上就和别人的看法完全不同。

抛开鳍片晶体管(finned transistors)这样的创新不谈，现代芯片基本上都是扁平的。但包括IBM在内的一些公司现在正在开发彼此堆叠的芯片——像是商业大楼中的公寓，让设计者可以在特定空间内封装更多晶体管。三星已经在开始销售用垂直堆叠闪存(vertically stacked flash memory)制作的存储系统了。去年，英特尔与大型储存制造商美光联合宣布了一种称为3D Xpoint的堆叠式新内存技术。

IBM的研究者正在研究的东西稍有不同：一种内存片夹在处理逻辑片之间的芯片栈(chip stacks)。这让工程师可以将大量的计算堆积到一个微小的体积中，同时还能带来性能上的巨大提升。传统的计算机主内存被安装在离处理器几厘米的地方。以硅的速度，一厘米是很远的距离，将信号传输这么远也很浪费能量。将内存移入芯片可将距离从厘米级削减到微米级，使其可以更快地来回传输数据。但3D芯片面临着两个主要问题。第一是散热。平面芯片的散热已经很糟糕了;在传统的数据中心中，数千台风扇将热空气从机架间吹出去，制造着持续不断的轰鸣。芯片中加入的层越多，其芯片内部所产生的热量就越多，其热量增长就比可以清除热量的外侧更快。

第二个问题是电力输入。芯片通过其外侧的数百个金属引脚( metal pins)与外界通信。现代芯片具有非常大的电力需求，其 80% 的引脚都是为传输电力服务的，只剩下一些留给数据的输入输出。在3D芯片中，这些限制还将翻倍，因为同样数量的引脚要为更复杂的芯片服务。

IBM希望通过在3D芯片中使用微尺寸的内部管道来同时解决上面两个问题。微流体通道(microfluidic channel)将携带冷却液进入芯片中心，将热量一次性从其整个结构中移除。该公司已经在传统的平面芯片上测试过其液体冷却技术了。该部门负责人Bruno Michel说，这种微流体系统最终可以从大约1立方厘米的体积中移除大约1千瓦的热量——大约相等于电加热器上一个加热条的输出。

液体不仅能冷却芯片，也能传递能量。受到自己生物学背景的启发，Michel博士将这种液体称作「电子血液(electronic blood)」。如果他能成功将其造出来，它对计算机芯片而言就像生物血液对身体一样：同时提供能量和调节温度。Michel博士的想法是使用一种流动电池(flow battery)的变体，其中的电力通过两种液体提供，它们在一种膜的两侧相遇，从而产生电力。现在我们对流动电池已经有了相当充分的了解。电力行业已经在研究将它们作为一种电力存储方式以存储来自可再生能源的间歇性电力。Michel博士的系统还要等很多年才能实现商业应用，但原理已经确定下来：当Ruch博士打开流体开关时，软管连接的芯片闪烁着激活——视野中没有任何插头和电线。