在計算領(lǐng)域，硬件制造商一直在尋找新的方法讓芯片保持在較低溫度下運行，這可以讓相同的芯片在獲得更高性能的同時消耗更少能量和產(chǎn)生更少的熱量。

　　雖然保持筆記本電腦或臺式電腦冷卻沒有帶來挑戰(zhàn)，但冷卻數(shù)據(jù)中心和超級計算機等大型系統(tǒng)則十分困難。TechRadar Pro 與 Rambus 的***科學家 Craig Hampel 進行了交談，了解有關(guān)冷計算以及研究人員如何使用這種技術(shù)。

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　　什么是冷計算？

　　通常來說，冷計算是降低計算系統(tǒng)的運行溫度以提高計算效率，能量效率或密度。在低溫下運行計算系統(tǒng)時，會產(chǎn)生最顯著的影響。這個低溫到底是多少？傳統(tǒng)的處理器和基于內(nèi)存的數(shù)據(jù)中心在遠高于室溫的溫度下運行，大約 295k（21 C），但 Rambus 正在尋找 77K（- 250 C）的液氮運行存儲系統(tǒng)。

　　過去的幾十年，計算和存儲系統(tǒng)的性能和能效有巨大的改進。隨著云計算、移動設備和數(shù)據(jù)量的增長，對大型數(shù)據(jù)中心和超級計算機的需求也不斷增長。

　　然而，正如智能高級研究項目（IARPA）所述，大規(guī)模計算系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心的耗電和冷卻正變得越來越難以管理。傳統(tǒng)基于 CMOS 器件和普通金屬互連的計算系統(tǒng)努力通過集成更高密度的晶體管滿足不斷增長的計算需求。

　　從歷史上看，Dennard 縮放（雷鋒網(wǎng)注，登納德縮放比例定律，也稱 MOSFET 縮放）已經(jīng)讓存儲器和計算系統(tǒng)實現(xiàn)了更高密集和更節(jié)能，但 Dennard 縮放比例已經(jīng)大大減緩。這就是冷計算可以產(chǎn)生重大影響的地方，使系統(tǒng)能夠通過降低系統(tǒng)溫度來構(gòu)建功耗更低，成本更低的高性能計算機。

　　冷計算是個新概念嗎？

　　實際上，幾十年來冷計算一直受到關(guān)注，其中一個例子是 20 世紀 90 年代 IBM 的一個團隊（包括當時在 IBM 工作的 Gary Bronner）就有相關(guān)研究，雖然這項研究顯示出冷計算的巨大潛力，但當時 CMOS 縮放明顯能夠跟上行業(yè)的要求。

　　在這項研究中，Bronner 和他的同事發(fā)現(xiàn)低溫 DRAM 的運行速度是傳統(tǒng) DRAM 的三倍。

　　從那以后，冷計算研究不斷發(fā)展，也有很多圍繞量子計算機的討論，這是冷計算的極端。然而，大多數(shù)量子設備需要靠近它們的糾錯處理器，因此在量子計算機投入使用之前，可能需要在 77K 和 4K（-195C）之間運行的設備。

　　誰在推動冷計算？

　　目前，有許多圍繞冷計算和冷存儲以及量子計算的研究項目。這些研究顯示了高速系統(tǒng)的巨大進步，能夠以更高的能效處理和分析大量數(shù)據(jù)。

　　Rambus 正在開展與 DRAM 和內(nèi)存系統(tǒng)相關(guān)的工作，通常會提出質(zhì)疑的公司也支持相關(guān)研究，包括英特、IBM、谷歌和微軟。世界各國政府都在研究這個問題，在美國，IARPA 正致力于一項名為“低溫計算復雜性（C3）”的計劃，該計劃旨在將超導計算作為耗電問題的長期解決方案，也能用傳統(tǒng) CMOS 提供高性能計算（HPC）。 

　　目前，冷卻運行的一個實際例子是微軟的 Project Natick，其中一部分數(shù)據(jù)中心安裝在蘇格蘭奧克尼群島的海岸附近的水下。這是許多尋找提高處理能力的方案中的***個，能以較低的成本有效和可持續(xù)地為數(shù)據(jù)中心供電。

　　然而，這只是可以看到的部分。Rambus 目前正與微軟合作構(gòu)建內(nèi)存系統(tǒng)，作為他們量子計算機的一部分。由于量子處理器必須在低溫（低于 93.15k（-180°C））下工作，Rambus 正在研究各種優(yōu)化存儲器接口和 DRAM 的方法，包括在低溫下有效通信的信號接口。

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　　冷計算能帶來哪些提升？

　　對更密集和更節(jié)能計算的需求意味著需要開發(fā)超越傳統(tǒng)半導體的低溫運行，包括超導體和量子力學。由于摩爾定律已經(jīng)放緩，室溫下的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心正變得過時，冷計算可能會以指數(shù)方提升計算能力，讓超導和量子計算成為未來的超級計算機和 HPC。

　　冷計算是否會增加功耗和成本？

　　在 77k 的溫度，我們相信可以將 DRAM 工作電壓降至 0.4 到 0.6V，這意味著功耗會顯著降低，同時，在這個溫度和電壓下，漏電壓也會消失，我們希望內(nèi)存性能和功耗的縮放可以再維持4-10 年。然而，與傳統(tǒng)的空氣冷卻系統(tǒng)相比，冷計算的冷卻系統(tǒng)將變得更加昂貴并且需要更多的電力來維持溫度和散熱。因此，優(yōu)化該系統(tǒng)并實現(xiàn)總功耗降低是一項典型的工程權(quán)衡。Bronner 相信，優(yōu)化該冷計算系統(tǒng)之后可以實現(xiàn)兩個數(shù)量級的能量節(jié)省。

　　冷計算變得實用需要克服哪些挑戰(zhàn)？

　　要使電路在低溫下工作，在技術(shù)變得實用之前還需要更多的工程工作。在 77k 的溫度下，數(shù)字轉(zhuǎn)換可以很好地運行，但模擬功能不再像以前那樣工作。因此，電路的模擬和信號混合部分可能需要重新設計，以便在低溫下工作。

　　目前，使用超導的邏輯功能開發(fā)還處于早期階段。雖然正在進行重要的研究，但仍有許多工作要做。有個好消息是，一旦定義了一組標準的邏輯功能，轉(zhuǎn)換處理器架構(gòu)和運行的軟件應該相當簡單。

　　最終，冷計算是通向量子計算的橋梁。但即便如此，量子計算硬件和編程仍有巨大挑戰(zhàn)。致力于這些項目研究的公司正在匯集全球最聰明的量子物理學家和計算機架構(gòu)師，以應對這些挑戰(zhàn)。即使擁有世界上***的人才，在這些挑戰(zhàn)在取得實質(zhì)性進展后才能證明其潛力。證明量子計算在執(zhí)行特定任務方面比傳統(tǒng)方法更好被稱為“量子霸權(quán)”，不過尚未實現(xiàn)。

　　冷計算什么時候?qū)崿F(xiàn)？

　　目前還沒有可以匹配量子計算的低溫存儲技術(shù)。潛在的存儲器技術(shù)還處于開發(fā)的早期階段，它們需要數(shù)年才能達到當前半導體存儲器每比特成本和容量的水平。針對低溫溫度優(yōu)化傳統(tǒng) CMOS 和傳統(tǒng) DRAM 來彌補超導和量子計算的差距也成為必要。

　　我們目前正在構(gòu)建 77K 內(nèi)存系統(tǒng)的原型，經(jīng)過不斷的測試和優(yōu)化，Bronner 相信可以在三到五年的時間內(nèi)上市。

　　Rambus ***科學家 Craig Hampel