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技术计算机耗电量低耗电技术将成为最大的竞争焦点

  2011年日本发生大地震后,能源问题乃至节电措施成为日本全社会的课题。当然,这个问题还远没有结束。在即将到来的冬季,甚至是明年夏季,电力供应紧张的危机恐怕还会再次袭来。

  在电子技术领域,2011年也是耗电问题作为最大技术课题浮出水面的一年。当然,低耗电技术向来都是重要的技术,不止现在,从几十年前起就一直如此。但最近在多个领域,其重要性急剧提高。只有实现低耗电,才能再谈及其他问题。

  其代表便是超级计算机。2011年6月,日本理化学研究所(以下简称理研)的超级计算机“京”以超过8PFLOPS(1秒内运算0.8亿亿次)的浮点运算性能跃居世界首位。其实,对很多超级计算机厂商来说,达到10PFLOPS是近5~6年内的最大目标。随着这一目标的实现,他们又纷纷转向了实现 Exa(100亿亿次或1018)FLOPS级超级计算机上。如果笔者没记错的话,美国在2008年前后起动了多项以Exa为目标的大型项目,但直到2011年6月这些项目都处于半秘密状态。2011年6月以后,这些项目迅速浮出了水面。顺便提一句,这些项目将实现Exa的目标时间定在了2017~2018年,即6~7年后。

技术开发的波及效应还将惠及智能电话

  不过,Exa级超级计算机的技术难度远远超过以往的超级计算机。接近摩尔法则极限的制造工艺微细化、超过1000个内核的众核化、网络传输延迟的增大等,无论从哪一方面来看,都是前途多舛。其中,最大的课题就是耗电问题。

  即使不在耗电上做特殊的技术创新,只要不惜重金扩大节点数量,Exa超级计算机也不是没有实现的可能。不过,问题在于这时每台超级计算机的耗电量会达到1000MW(100万kW)。也就是说,相当于一座典型核电站的发电量。照此计算,一年的电费就需要大约1000亿日元。这一金额与理研超级计算机 “京”的单台开发总费用基本相同,每年的电费即使是对地震前的日本而言,也是不现实的。

  当然了,这在美国也不现实。因此,美国政府对Exa超级计算机的开发规定了条件,为单台耗电量上设定了20MW的严格上限。这就意味着,要将单位耗电量下的运算性能(节能性能)提高到50GFLOPS/W,也就是现有最高级别超级计算机的约25~50倍(现有普通微处理器产品的约100倍)。英特尔的开发目标也与此一致

  如果今后7年内要使节能性能达到目前的50倍,就需要以每年约1.75倍的速度提高节能性能。虽然有望“在18月~2年内达到2倍”,稍稍超出摩尔法则,但实际上并不是只要求在性能上胜出,还附带有耗电量几乎不能增加的条件。可以说,这是一个比摩尔法则要严格得多的门槛。

  由于门槛较高,因此必须开发的要素技术有很多。如果不将前面提到的众核技术及微细化也全部囊括在内实施整合,就无法满足要求。另外,也许还需要导入光 CMOS技术等全新的技术。但即便如此,低耗电技术仍是应用性很高的技术。在这些要素技术实用化之后,还有望为超级计算机以外的更贴近生活的领域带来较大的波及效应,比如个人电脑及智能电话也可大幅降低耗电,减少电磁噪声,并大幅缩小尺寸。

“能源纳米技术”也将亮相

  在低耗电尤为重要的技术领域,还有一种可谓与超级计算机比拼高运算性能的技术处于相反一极的用途,这就是“能量采集”。此类技术可通过从周围环境中 “收获”电波、室内灯光、温度差、振动及压力等多种能量,利用这些能量产生的数μW或以下的电力来驱动无线传感器。最近,随着功率转换元件技术愈发简练,MCU及其周边电路技术走向低耗电化,还提出了多项使整个无线传感的平均耗电量降至1μW以下的技术方案。

  如果传感器以1μW的电力工作,便可在室内照明下,将1cm见方的太阳能电池用作电源。大约10年前,1μm以下尺寸的微细加工技术被称为“纳米技术”,推动了之后的MEMS及NEMS(Nano Electro Mechanical Systems)技术的发展。而目前的能量采集技术,其最尖端技术也可称为“能量纳米技术”,今后也有望给传感器的发展带来深刻影响。

  从IBM及英特尔等大厂商的技术开发来看,Exa超级计算机自不必说,个人电脑及服务器也以竭力追求高性能为主流。最近英特尔还在开发利用电波能量的技术,可见,从超级计算机到能量采集元件,该公司都始终保持着对低耗电技术的敏锐嗅觉。

  另外,美国德州仪器(TI)等各MCU厂商,以及富士通、村田制作所、罗姆及NTT等日本企业也很早就意识到低耗电技术今后将成为竞争的焦点。谁将成为竞争的胜者?又会有什么新技术及用途诞生?今后笔者将继续追踪采访。

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