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实现量子计算前,还需要微软、英特尔、谷歌都支持的冷计算

2018-12-12
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文 | 包永刚

来自雷锋网(leiphone-sz)的报道

在计算领域,硬件制造商一直在寻找新的方法让芯片保持在较低温度下运行,这可以让相同的芯片在获得更高性能的同时消耗更少能量和产生更少的热量。

虽然保持笔记本电脑或台式电脑冷却没有带来挑战,但冷却数据中心和超级计算机等大型系统则十分困难。TechRadar Pro与Rambus的首席科学家Craig Hampel进行了交谈,了解有关冷计算以及研究人员如何使用这种技术。



什么是冷计算?

通常来说,冷计算是降低计算系统的运行温度以提高计算效率,能量效率或密度。在低温下运行计算系统时,会产生最显著的影响。这个低温到底是多少?传统的处理器和基于内存的数据中心在远高于室温的温度下运行,大约295k(21 C),但Rambus正在寻找77K(- 250 C)的液氮运行存储系统。

过去的几十年,计算和存储系统的性能和能效有巨大的改进。随着云计算、移动设备和数据量的增长,对大型数据中心和超级计算机的需求也不断增长。

然而,正如智能高级研究项目(IARPA)所述,大规模计算系统和数据中心的耗电和冷却正变得越来越难以管理。传统基于CMOS器件和普通金属互连的计算系统努力通过集成更高密度的晶体管满足不断增长的计算需求。

从历史上看,Dennard缩放(雷锋网注,登纳德缩放比例定律,也称MOSFET缩放)已经让存储器和计算系统实现了更高密集和更节能,但Dennard缩放比例已经大大减缓。这就是冷计算可以产生重大影响的地方,使系统能够通过降低系统温度来构建功耗更低,成本更低的高性能计算机。



冷计算是个新概念吗?

实际上,几十年来冷计算一直受到关注,其中一个例子是20世纪90年代IBM的一个团队(包括当时在IBM工作的Gary Bronner)就有相关研究,虽然这项研究显示出冷计算的巨大潜力,但当时CMOS缩放明显能够跟上行业的要求。

在这项研究中,Bronner和他的同事发现低温DRAM的运行速度是传统DRAM的三倍。

从那以后,冷计算研究不断发展,也有很多围绕量子计算机的讨论,这是冷计算的极端。然而,大多数量子设备需要靠近它们的纠错处理器,因此在量子计算机投入使用之前,可能需要在77K和4K(-195C)之间运行的设备。



谁在推动冷计算?

目前,有许多围绕冷计算和冷存储以及量子计算的研究项目。这些研究显示了高速系统的巨大进步,能够以更高的能效处理和分析大量数据。

Rambus正在开展与DRAM和内存系统相关的工作,通常会提出质疑的公司也支持相关研究,包括英特、IBM、谷歌和微软。世界各国政府都在研究这个问题,在美国,IARPA正致力于一项名为“低温计算复杂性(C3)”的计划,该计划旨在将超导计算作为耗电问题的长期解决方案,也能用传统CMOS提供高性能计算(HPC)。 

目前,冷却运行的一个实际例子是微软的Project Natick,其中一部分数据中心安装在苏格兰奥克尼群岛的海岸附近的水下。这是许多寻找提高处理能力的方案中的第一个,能以较低的成本有效和可持续地为数据中心供电。

然而,这只是可以看到的部分。Rambus目前正与微软合作构建内存系统,作为他们量子计算机的一部分。由于量子处理器必须在低温(低于93.15k(-180°C))下工作,Rambus正在研究各种优化存储器接口和DRAM的方法,包括在低温下有效通信的信号接口。




冷计算能带来哪些提升?

对更密集和更节能计算的需求意味着需要开发超越传统半导体的低温运行,包括超导体和量子力学。由于摩尔定律已经放缓,室温下的传统数据中心正变得过时,冷计算可能会以指数方提升计算能力,让超导和量子计算成为未来的超级计算机和HPC。



冷计算是否会增加功耗和成本?

在77k的温度,我们相信可以将DRAM工作电压降至0.4到0.6V,这意味着功耗会显著降低,同时,在这个温度和电压下,漏电压也会消失,我们希望内存性能和功耗的缩放可以再维持4-10年。然而,与传统的空气冷却系统相比,冷计算的冷却系统将变得更加昂贵并且需要更多的电力来维持温度和散热。因此,优化该系统并实现总功耗降低是一项典型的工程权衡。Bronner相信,优化该冷计算系统之后可以实现两个数量级的能量节省。



冷计算变得实用需要克服哪些挑战?

要使电路在低温下工作,在技术变得实用之前还需要更多的工程工作。在77k的温度下,数字转换可以很好地运行,但模拟功能不再像以前那样工作。因此,电路的模拟和信号混合部分可能需要重新设计,以便在低温下工作。

目前,使用超导的逻辑功能开发还处于早期阶段。虽然正在进行重要的研究,但仍有许多工作要做。有个好消息是,一旦定义了一组标准的逻辑功能,转换处理器架构和运行的软件应该相当简单。

最终,冷计算是通向量子计算的桥梁。但即便如此,量子计算硬件和编程仍有巨大挑战。致力于这些项目研究的公司正在汇集全球最聪明的量子物理学家和计算机架构师,以应对这些挑战。即使拥有世界上最好的人才,在这些挑战在取得实质性进展后才能证明其潜力。证明量子计算在执行特定任务方面比传统方法更好被称为“量子霸权”,不过尚未实现。



冷计算什么时候实现?

目前还没有可以匹配量子计算的低温存储技术。潜在的存储器技术还处于开发的早期阶段,它们需要数年才能达到当前半导体存储器每比特成本和容量的水平。针对低温温度优化传统CMOS和传统DRAM来弥补超导和量子计算的差距也成为必要。

我们目前正在构建77K内存系统的原型,经过不断的测试和优化,Bronner相信可以在三到五年的时间内上市。

雷锋网编译,via techradar

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