Pięć wymiarów elektronicznej krwi. IBM na drodze do syntetycznych supermózgów

Gęstość upakowania współczesnych komputerów (nie samychczipów, lecz komputerów) niewiele się zmieniła w ciągu ostatnichlat. Zdecydowana większość miejsca w obudowach pozostaje pusta –i trudno, by było inaczej. Nawet ostatnie osiągnięcia w dziedziniebudowy trójwymiarowych układów półprzewodnikowych niewiele tuzmieniają, czipy potrzebują miejsca, by odprowadzić ciepło,potrzebują też odpowiedniej, zajmującej sporo miejsca strukturyzasilania, by dostarczyć do nich wystarczającą ilość energii. Toinżynieryjne wyzwanie może znaleźć w przyszłości rozwiązaniedzięki pracom naukowców ze szwajcarskich laboratoriów IBM, którzyinspirując się naturą chcą komputery przyszłości zanurzyć welektronicznym odpowiedniku krwi.

Problem jest nietrywialny. Ten niezbyt ściśle zdefiniowanyparametr TDP (rozumiany jako maksymalna ilość ciepła niezbędnegodo rozproszenia przez układ chłodzenia) przez ostatnie kilkanaścielat praktycznie się nie zmienia w najbardziej wydajnych czipach. Ichwydajność oczywiście rośnie za sprawą miniaturyzacji ioptymalizacji architektur, ale poziom 250 W (dla GPU) i 130 W (dlaCPU) pozostaje krańcowy. Zestawienie większej liczby czipów wjednym systemie wymaga wielu sztuczek z chłodzeniem, które teżprzecież zajmuje sporo miejsca. Jeśli zaś chodzi o zasilanie, to wkażdej kolejnej generacji gniazdek coraz więcej pinówprzeznaczonych jest na zasilanie coraz większej liczby tranzystoróww procesorze. Efektywne doprowadzenie zasilania do czipów wtrójwymiarowej strukturze graniczy z niemożliwością – i dlategote wszystkie inicjatywy „3D” w technice półprzewodnikowejdotyczą przede wszystkim modułów pamięci, czy to operacyjnejczy masowej.

Zanim przejdziemy dalej, zastanówmy się, czym jest i czemu służykrew. Ta płynna tkanka ewoluowała w stronę skracania odległościdyfuzji i ułatwienia przez to wymiany materii, umożliwiającpowstawanie coraz bardziej złożonych organizmów, w których częśćkomórek mogła już w ogóle nie mieć kontaktu z otoczeniem.Podstawowym zadaniem krwi jest więc zasilanie (transport tlenu orazskładników pokarmowych) oraz odprowadzanie produktów przemianymaterii, ale też komunikacja (przez transport hormonów) orazutrzymanie homeostazy, w tym regulacja temperatury ciała.

A gdyby elektroniczne czipy były zasilane i chłodzone przez tęsamą substancję, będącą w stanie dotrzeć do najmniejszych ichelementów? Właśnie to założenie stanęło u podstaw programubadawczego IBM, którego celem jest stworzenie architekturykomputerowej skalującej się w pięciu wymiarach (5D). Czemu wpięciu? Chodzi o trójwymiarowe, pionowo zestawiane warstwy układówpółprzewodnikowych, dla których czwartym wymiarem jest zasilanie,a piątym chłodzenie.

Ten krok w stronę elektronicznych odpowiedników strukturbiologicznych wyłania się jednak z bardziej tradycyjnych rozwiazań.IBM już kilka lat temu opracował metody tworzenia mikrokanalików wkrzemowym waflu, przez które pompować można mikrociecze chłodzące.Następnym krokiem było opracowanie takiego chłodziwa, którebyłoby zarazem elektrolitem. Już w 2011 roku udałosię osiągnąć dla takiej „elektronicznej krwi” efektywnośćcyklu ładowania-rozładowania na poziomie 80%, przy napięciu 1 V.

Co można osiągnąc na dzisiaj, pokazali reporterzy Ars Techniki w osadzonym powyżej wideo. Udało się dostarczyć przez elektroniczną krewokoło 10 mW do czipu. Fakt, to zbyt mało, by w ogóle przejmowaćsię koniecznością odprowadzania ciepła, ale widać, że ramyteoretyczne już opracowano, pozostaje tylko inżynieryjnaoptymalizacja.

Nad tym właśnie pracują z IBM największe europejskie instytuty badawcze. Koncepcja elektronicznej krwi stała się inspiracją dla projektów CarrICool, oraz HyperConnect, realizowanych w ramach siódmego programu ramowego w zakresie badań Unii Europejskiej. Zainteresowani tą tematyką mogą śledzić też publikacje Bruno Michaela z laboratoriów IBM, który zajmuje się przede wszystkim wykorzystaniem mikrocieczy w zasilaniu i chłodzeniu układów SoC.

Dla firmy przodującejdziś w badaniach nad neuroczipami opracowanie elektronicznej krwijest szansą na dostarczenie w przyszłości urządzenia rozmiarówpudełka butów, które pozwoli symulować w czasie rzeczywistymaktywność biologicznych mózgów. Póki co zadanie to dramatycznieobnaża nieefektywnośćtradycyjnych komputerów. Dwa lata temu japońskim i niemieckimbadaczom symulowanie działania fragmentu mózgu zajęło 40 minutpracy superkomputera Fujitsu K, wykorzystującego 80 tysięcy węzłówi zużywającego 12,6 MW mocy. Upakowanie neuroczipów zanurzonych wchłodzącej i zasilającej je „krwi” może być wielkim krokiemna drodze do budowy syntetycznych mózgów, oczywiście prosto zlaboratoriów w Zurichu.