服务器芯片的直面两大挑战

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直面两大挑战：处理器性能 芯片微型化

    虽然关于如何使计算机硬件的功能更强大以及使计算机软件更智能化的基础研究可以追溯到50多年前，但是，许多传统方法却差不多走到了尽头。如今，大胆地朝着新方向迈 进的研究人员有可能为未来几十年的IT发展指明方向。科学家和经济学家正面临着数十项重大挑战，从社会问题到技术进步，无所不包。现在让我们来了解一下两个IT研究领域所面临的挑战，这两大IT研究领域是：处理器性能、芯片微型化。

    处理器性能

    1965年，Intel的合伙创始人Gordon Moore发现，半导体芯片的晶体管密度每隔18至24个月就要翻一倍，大多数研究人员希望摩尔法则至少还能继续适用10年时间。
                     
    但是，处理器性能也正在接近其极限，尤其是在晶体管所消耗的功率总量方面。HP实验室负责量子科学研究的资深计算机体系结构设计师Phil Kuekes说：“由于摩尔定律继续适用，因此，要想让设备在使用CMOS的非常小的规模上工作也变得越来越难。” IBM Thomas J. Watson研究中心负责下一代计算的副总裁Bijan Davari说：现在越来越难很经济地对芯片进行冷却了。空气冷却型处理器的功率密度限制属于每平方厘米100瓦的芯片范围，而且，往芯片背面注入液体的费用要贵很多，这样注入的液体可以冷却大约两倍上述的功率密度。

    Davari说，根据电压范围和其他因素，Itanium和Pentium 4芯片可以消耗100至150瓦的功率。他说：“就未来的处理器而言，我们希望把功率耗散降至每一个处理器内核几十瓦，更为重要的是，我们需要限制单位面积的功率密度或功率耗散。”考虑到上述限制，研究人员如今正在集中精力研究一些新的方法，来改进处理器性能，例如，除了采纳新的芯片体系结构和设计方法之外，还在一个单一芯片上安装多个处理器核。
                     
    例如，IBM正在评估而且在某些情况下已经实现—在芯片上使用新的材料，如铜、绝缘外延硅和硅锗，以改进设备性能、降低功率密度或同时达到上述两个目的。Davari说，除此之外，这些材料还允许研究人员制造功率消耗更少更小的芯片。

    而国际Sematech制造研究所副所长Randy Goodall说，研究人员正在研究所谓的低K（Low-k）材料，这种材料允许金属电路更密实地接到芯片上，使出现电信号泄漏的风险很少。
                     
    为了帮助增加功率耗散，IBM正在对能够防止在芯片上出现热点的冷却凝胶进行测试。Davari说，IBM也正在研究生产水冷式微处理器的可能性。

    MIT电力工程和计算机系的Anant Agarwal教授说，为了帮助提高芯片内部的带宽，MIT的研究人员正在进行一项名为Raw Architecture Workstation Project的项目，在这个项目里，他们会把多个“加法器和减法器”与存储一起安放在芯片之内，以便提供相邻处理，而不是穿越整个芯片来移动数据。他说：“这就好象去那家离我最近的杂货店，而不是去要穿过整个县的那家杂货店一样。”与此同时，美国Los Alamos国家实验室以及其他地方的研究人员也正在开发并行处理系统，到2008年初，这种并行处理系统可以使用几万个处理器，并将具有高达每秒1000万亿次浮点运算的性能。

    加州伯克利大学计算机系教授David Patterson表示，他相信，每隔三至四年的时间，研究人员就能够把他们可以安放在单个芯片上的处理器数量翻一倍。但是，他警告说：“这是建立在可以充分利用它的软件数量基础之上的。”

    “为大型并行计算机编程以挖掘其潜力的努力一直是一项被长时间的掌声所打断的表演。”Cray的首席科学家Burton Smith说，“随着今后几年计算机从几百个处理器发展到几万个处理器，这一问题将越来越明显。”Cray、IBM和Sun正在开发并行编程语言。Smith说，他希望Cray可以使其自己的名为Chapel的并行编程语言于2005年在开放源版本当中可用。

    芯片微型化

    如今，可以用小至只有70～90纳米宽的特制组件来生产芯片，并在芯片上安放数亿个晶体管。 Phil Kuekes说，去年，HP实验室开发了一种64位RAM，它只占用一个平方微米的面积。 MIT的微型系统技术实验室副主任Anantha Chandrakasan说，处理由超密集电路所产生的热量的一个办法就是降低电源电压。
                     
    在过去的10年里，设计人员一直可以生成只需要1伏特电源就可以工作的电路。而Chandrakasan表示，设计人员应该在5年之内就能达到半伏特这一极限。
                     
    Chandrakasan同时表示：为了把电源电压降下来，设备极限也必须降下来，而这却可能导致功率泄漏指数级的增加。为了解决这些问题，他希望看到研究重点更多地放在如何门控电源—或者，当电路关闭时，切断电源网络，而使用芯片管芯上的电源开关以及如何使用多个极限设备来使电源要求最小化。IBM研究中心物理系主任Tom Theis表示，他相信，对超薄硅以及超薄绝缘门控的进一步改进，可以使研究人员能够把设备管道长度从如今的大约45纳米在10年之内缩短至15～20纳米。他同样希望，通过使用今后10年将要出现的光版印刷工具，看到一些功率耗散至少是当前芯片10倍以上以及内存密度也是当前芯片10倍以上的高性能芯片。