2015-2016年的電腦：Home Server時代

　　　想要准確預測十年後的個人電腦是什麼樣子將是一件非常困難的事情，它們所處的那個時代與目前完全不同：互聯網和服務將主導IT行業，傳統的硅芯片也將被更新的材料所替代，我們需要的，不再是傳統的個人電腦，而是家庭服務器，它擁有多個不同終端，包括顯示器、電視，甚至空調、冰箱、洗衣機等傳統白色家電，能夠實現我們所能想到的幾乎所有家庭娛樂、辦公和生活功能。

　　顛覆傳統觀念的芯片技術

　　一顆芯片包含多少核纔算是盡頭？硅還能滿足半導體業的發展需求麼？通過英特爾萬億次計算芯片、硅光子傳輸技術和非硅晶體管技術，我們得以一窺十年後的芯片是什麼樣子。

　　超強計算能力

　　2007年2月，英特爾公司宣布已經研究成功一款能夠進行萬億次級別浮點計算的80核可編程芯片，這款芯片共包含80個內核，每個內核包含兩個可編程的浮點引擎，它整個尺寸僅僅比指甲蓋大一點。而人類首次實現萬億次浮點運算性能是在1996年，當時英特爾公司為Sandia國家實驗室建立了ASCI Red超級計算機。該計算機佔地2000平方英尺，裝有將近1萬顆奔騰Pro處理器，功率超過500千瓦。而今天，英特爾僅在一個多核芯片上就實現了同樣的性能。它的耗電量也僅有62瓦，與目前應用的酷叡2處理器差不多。

　圖17首次實現萬億次計算的ASCI Red超級計算機

　　萬億次計算芯片運用了『塊面式設計(Tile Design)』，該方法允許設計人員采用較小的內核，方便地在整塊芯片上進行復制；使用這種辦法，未來可以生產更多內核的處理器。在每個內核中除了浮點處理單元之外，還設計了一個5端口的路由器，這些路由器連接著二維的網格，組成片上網絡，允許內核與內核之間以極高的速度傳輸數據(當內核頻率為4GHz時，數據傳輸率可以高達80GB/s，延遲低至1.5納秒)。此外，萬億次計算芯片還擁有精細的能源管理能力，每個內核，內核上的單個浮點運算單元和路由器，都可以按照使用者的要求打開或轉入休眠；它還能夠監測內核的工作負荷，及時將滿負荷運行的內核工作量轉移到其他空閑內核。萬億次計算芯片每瓦特運算能力為160億次浮點計算，這是目前芯片能效比的最高紀錄。在運行的可靠性上方面，由於擁有許多內核，這款芯片可以指定幾個內核作為備用內核，一旦某個內核出現問題，便可接替它繼續工作。在萬億次計算芯片上投入應用的先進技術還包括休眠晶體管、均步時鍾和時鍾門控等等。

　　這款芯片的基本運行頻率為3.16GHz，電壓0.95V，此時它的計算能力為每秒1.01萬億次浮點運算，當頻率上昇到5.70GHz時，運行電壓上昇到1.35V，計算能力上昇到每秒1.81萬次浮點運算，但此時功率高達265瓦，是前者的4倍多，計算能力僅為前者的1.8倍。由此可以看出，在核數目和核心運行頻率之間尋找最佳的平衡點依然是未來處理器芯片設計的基本思路。

圖18-1萬億次計算芯片

圖18-2萬億次計算晶圓

　　雖然目前英特爾將萬億次計算芯片定義為企業級運算應用，但從英特爾研究的方向看來，將這種由簡單內核組成的多核心處理器推廣到包括企業、服務器、家庭、辦公和移動等應用的所有層面纔是最終的目的。僅以個人電腦為例，未來的多核芯片針對不同應用，可以使用從幾個直到數千個內核，根據面向對象的不同，可以指定分配某些內核從事不同的任務，成為專用的引擎如高清解碼、加密解密、文件壓縮、網絡、3D圖形處理、音頻處理等等。為了進一步提高萬億次計算芯片的運行效率，英特爾的研究人員還在進行將三維堆疊的內存與這種超多核芯片直接連接的方法。多內核處理器的出現也要求操作系統與軟件開發商針對數十個乃至上千個並行線程開發相應的產品，也許十年後，我們就能夠用上這樣的處理器。

　　超強數據傳輸能力

　　萬億次運算系統的數據交換也是重要的研究課題。英特爾的硅光子學研究提供了解決這一問題的途徑。英特爾研究利用硅基激光進行數據傳輸已經有很長時間，2004年，英特爾研究人員首次展示了帶寬超過1GHz的硅激光調制器，比此前的硅基調制記錄快了近50倍。2005年，英特爾公司研究人員首次演示了硅芯片可用來放大外部光源、利用拉曼效應產生連續的片上激光光波，到2006年9月，英特爾宣布研究人員已經能夠將磷化銦(Indium Phosphide)的發光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中。當給磷化銦施加電壓的時候，光進入硅片的波導，產生持續的激光束，這種激光束可驅動其他的硅光子器件。這種基於硅片的激光技術可使光子學更廣泛地應用於計算機中，因為采用大規模硅基制造技術能夠大幅度降低成本。它將使未來的計算機內部可采用低成本、萬億比特(TBit)量級的光學數據通路，並使高性能計算應用迎來新時代。

　　制造硅光子元件的方法是用低溫的氧等離子體在硅器件和磷化銦表面都形成一層大約25個原子的厚度的薄氧化膜，當加熱的同時在材料兩側加壓，兩種材料上的氧化膜熔合在一起，從而將兩種材料整合到一個單一芯片中。給磷化銦施加電壓，它產生的光會通過這層像玻璃粘合劑一樣的氧化膜進入硅片中的波導。波導容納並控制光，形成混合硅激光。波導的設計對混合硅激光器的性能和激光的波長至關重要。2007年1月，英特爾的研究人員在《Optics Express》雜志上發表了傳輸速率為30GB/s的硅激光調制器，並且預期在不遠的將來將傳輸速度提高到40GB/s。未來這種硅光子器件甚至可以整合到多內核處理器中，擔任處理器與外部進行數據交換的任務。

　圖20英特爾的硅調制器

　　非硅基芯片材料

　　非硅基芯片制造材料的研究一直是材料學的重要研究方向，其中，第三-第五主族元素化合物是未來半導體材料的熱門侯選，它們包括第三主族元素中的鋁、鎵、銦和第五主族元素氮、砷、銻。主要化合物包括氮化鎵/氮化鎵鋁，砷化鎵/砷化鎵鋁等十餘種，其中以英特爾於2005年報道的銻化銦材料性能最佳。與傳統的硅相比，銻化銦的電子遷移能力是前者的50倍，能帶間隙則是硅的六分之一，這意味著它在同等條件下可將芯片速度提高50%以上。利用銻化銦材料制造的增強型量子阱晶體管工作電壓僅有0.5V。此外，碳納米管、有機半導體等新型材料在處理器中的應用也是研究的熱點，通過對碳納米管進行改性，使得碳納米管既可以作為半導體材料，也可以作為連接導線應用，有機半導體則極大豐富了半導體材料的種類，我國科學家也在這一領域中做出了相當突出的貢獻。這方面的成果在著名的《Science》、《Advanced Materials》等刊物上屢有發表，但實用化尚要等到十年之後。

　圖21碳納米管在芯片中的應用是研究的熱點

請您文明上網、理性發言並遵守相關規定，在注冊後發表評論。 只有北方網注冊用戶可以發表評論......