Alcune leggi sono fatte per essere infrante, e altri sono fatti per essere seguiti. Un team di ricercatori IBM in collaborazione con due partner svizzeri sta cercando di mantenere viva e vegeta una legge in particolare per altri 15 anni:la legge di Moore. La legge prevede che il numero di transistor che possono essere collocati a buon mercato su un circuito integrato raddoppierà ogni 18 mesi. Più di 50 anni, questa legge è ancora in vigore, ma per estenderlo fino al 2020 sarà necessario passare dal semplice ridimensionamento dei transistor a nuove architetture di packaging come la cosiddetta integrazione 3D, l'integrazione verticale dei chip.
Fare di nuovo raffreddare le patatine
La settimana scorsa, IBM, L'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e il Politecnico federale di Zurigo (ETH) hanno firmato un progetto di collaborazione quadriennale chiamato CMOSAIC per capire come le più recenti tecniche di raffreddamento dei chip possono supportare un'architettura di chip 3D. A differenza degli attuali processori, il progetto CMOSAIC considera un'architettura stack 3D di più core con una densità di interconnessione da 100 a 10, 000 connessioni per millimetro quadrato. I ricercatori ritengono che queste minuscole connessioni e l'uso di capelli sottili, i microcanali di raffreddamento a liquido che misurano solo 50 micron di diametro tra i chip attivi sono gli anelli mancanti per ottenere un calcolo ad alte prestazioni con i futuri stack di chip 3D.
"Negli Stati Uniti, I data center consumano già il due percento dell'elettricità disponibile con il raddoppio dei consumi ogni cinque anni. In teoria, di questo passo, un supercomputer nel 2050 richiederà l'intera produzione della rete energetica degli Stati Uniti, " ha detto il prof. John R. Thome, professore di trasferimento di calore e di massa all'EPFL e coordinatore del progetto CMOSAIC. Gli stack di chip 3D con raffreddamento interstrato non solo offrono prestazioni più elevate, ma soprattutto, consentire sistemi con un'efficienza molto più elevata, evitando così la situazione in cui i supercomputer consumano troppa energia per essere accessibili.
Sfide 3D
Il team CMOSAIC affronta una serie di sfide formidabili, ma i recenti progressi su tutti i fronti stanno dando fiducia al team di ricerca per andare avanti. Per esempio, i progressi nella fabbricazione di via attraverso silicio hanno aperto nuove strade per interconnessioni di array ad alta densità tra processori impilati e chip di memoria. Tali circuiti integrati 3D sono estremamente attraenti per superare il collo di bottiglia della larghezza di banda tra memoria core e cache, offrendo l'opportunità di estendere le prestazioni CMOS e le tendenze di efficienza per un altro decennio.
Integrando un sistema molto grande su un chip (SoC) in più livelli, si riduce la distanza media tra i componenti del sistema, che migliorerà sia l'efficienza che le prestazioni. Però, la sfida per rimuovere il calore generato quando i volumi di chip diventano sempre più piccoli è ora il problema chiave. Il concetto generale è controintuitivo:le densità di potenza più elevate che possiamo consentire, maggiore è l'efficienza di un sistema futuro.
Per risolvere la sfida del raffreddamento, il team sta sfruttando l'esperienza di IBM ed ETH nello sviluppo di Aquasar, un primo nel suo genere, supercomputer raffreddato ad acqua.
Simile ad Aquasar, il team prevede di progettare microcanali con sistemi di raffreddamento a liquido monofase e bifase utilizzando nano-superfici che convogliano i refrigeranti, compresa l'acqua e i refrigeranti ecologici, entro pochi millimetri dal chip per assorbire il calore, come una spugna, e tiralo via. Una volta che il liquido lascia il circuito sotto forma di vapore, un condensatore lo riporta allo stato liquido, dove viene quindi pompato di nuovo nel processore, completando così il ciclo.
"Come dimostreremo con ETH nel progetto Aquasar, l'utilizzo di microcanali che trasportano refrigeranti liquidi offre un vantaggio significativo nell'affrontare le sfide di rimozione del calore, e questo dovrebbe portare a sistemi 3D pratici, " ha detto Bruno Michel, responsabile packaging termico avanzato, IBM Research - Zurigo. "L'acqua come refrigerante ha la capacità di catturare il calore circa 4, 000 volte più efficiente dell'aria, e le sue proprietà di trasporto del calore sono di gran lunga superiori". si traduce in un calore ancora più elevato come output, che in questo caso sarà di circa 65°C.
