Algumas leis são feitas para serem quebradas, e outros são feitos para serem seguidos. Uma equipe de pesquisadores da IBM em colaboração com dois parceiros suíços está procurando manter uma lei em particular viva e bem por mais 15 anos:a Lei de Moore. A lei determina que o número de transistores que podem ser colocados de forma barata em um circuito integrado dobrará a cada 18 meses. Mais de 50 anos, esta lei ainda está em vigor, mas estendê-lo até 2020 exigirá uma mudança do simples dimensionamento do transistor para novas arquiteturas de empacotamento, como a chamada integração 3D, a integração vertical de chips.
Fazendo chips legais de novo
Semana Anterior, IBM, A École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e o Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique (ETH) assinaram um projeto colaborativo de quatro anos chamado CMOSAIC para entender como as técnicas de resfriamento de chip mais recentes podem suportar uma arquitetura de chip 3D. Ao contrário dos processadores atuais, o projeto CMOSAIC considera uma arquitetura de pilha 3D de múltiplos núcleos com uma densidade de interconexão de 100 a 10, 000 conexões por milímetro quadrado. Os pesquisadores acreditam que essas conexões minúsculas e o uso de fios finos, microcanais de resfriamento de líquido medindo apenas 50 mícrons de diâmetro entre os chips ativos são os elos que faltam para alcançar a computação de alto desempenho com futuras pilhas de chips 3D.
"Nos Estados Unidos, os data centers já consomem 2% da eletricidade disponível, com o consumo dobrando a cada cinco anos. Em teoria, neste ritmo, um supercomputador no ano de 2050 exigirá toda a produção da rede de energia dos Estados Unidos, "disse o Prof. John R. Thome, professor de transferência de calor e massa da EPFL e coordenador do projeto CMOSAIC. Pilhas de chips 3D com resfriamento entre camadas não só rendem maior desempenho, mas mais importante, permitem sistemas com uma eficiência muito maior, evitando assim a situação em que os supercomputadores consomem muita energia para serem acessíveis.
Desafios 3D
A equipe CMOSAIC enfrenta uma série de desafios formidáveis, mas o progresso recente em todas as frentes está dando à equipe de pesquisa confiança para seguir em frente. Por exemplo, o progresso na fabricação de vias de silício de passagem abriu novos caminhos para interconexões de matriz de área de alta densidade entre o processador empilhado e os chips de memória. Esses circuitos integrados 3D são extremamente atraentes para superar o gargalo de largura de banda entre o núcleo e a memória cache, oferecendo uma oportunidade de estender o desempenho do CMOS e as tendências de eficiência por mais uma década.
Ao integrar um sistema muito grande em um chip (SoC) em várias camadas, a distância média entre os componentes do sistema é reduzida, que irá melhorar a eficiência e o desempenho. Contudo, o desafio de remover o calor gerado conforme os volumes dos chips tornam-se cada vez menores é agora a questão principal. O conceito geral é contra-intuitivo:as densidades de potência mais altas que podemos permitir, quanto maior a eficiência de um sistema futuro.
Para resolver o desafio do resfriamento, a equipe está aproveitando a experiência da IBM e da ETH no desenvolvimento do Aquasar, um primeiro de um tipo, supercomputador refrigerado a água.
Semelhante ao Aquasar, a equipe planeja projetar microcanais com líquido monofásico e sistemas de resfriamento de duas fases usando nano superfícies que canalizam refrigerantes - incluindo água e refrigerantes ecológicos - dentro de alguns milímetros do chip para absorver o calor, como uma esponja, e puxar para longe. Uma vez que o líquido sai do circuito na forma de vapor, um condensador o retorna ao estado líquido, onde é então bombeado de volta para o processador, completando assim o ciclo.
“Como demonstraremos com a ETH no projeto Aquasar, o emprego de microcanais que transportam refrigerantes líquidos oferece uma vantagem significativa na abordagem dos desafios de remoção de calor, e isso deve levar a sistemas 3D práticos, "disse Bruno Michel, gerente de embalagem térmica avançada, IBM Research - Zurique. "A água como refrigerante tem a capacidade de capturar calor cerca de 4, 000 vezes mais eficiente do que o ar, e suas propriedades de transporte de calor também são muito superiores. "O resfriamento no nível do chip com uma temperatura de água de aproximadamente 60 ° C é suficiente para manter o chip em temperaturas operacionais bem abaixo do máximo permitido de 85 ° C. A alta temperatura de entrada do refrigerante resulta em um calor de grau ainda mais alto como saída, que neste caso será de cerca de 65 ° C.
