Certaines lois sont faites pour être enfreintes, et d'autres sont faits pour être suivis. Une équipe de chercheurs d'IBM en collaboration avec deux partenaires suisses cherche à maintenir une loi en particulier bien vivante pendant encore 15 ans :la loi de Moore. La loi stipule que le nombre de transistors pouvant être placés à moindre coût sur un circuit intégré doublera tous les 18 mois. Plus de 50 ans, cette loi est toujours en vigueur, mais pour l'étendre aussi longtemps que 2020, il faudra passer d'une simple mise à l'échelle des transistors à de nouvelles architectures d'emballage telles que l'intégration 3D, l'intégration verticale des puces.
Refroidir les chips à nouveau
La semaine dernière, IBM, L'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et l'Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich (ETH) ont signé un projet de collaboration de quatre ans appelé CMOSAIC pour comprendre comment les dernières techniques de refroidissement des puces peuvent prendre en charge une architecture de puce 3D. Contrairement aux processeurs actuels, le projet CMOSAIC envisage une stack-architecture 3D de plusieurs cœurs avec une densité d'interconnexion de 100 à 10, 000 connexions par millimètre carré. Les chercheurs pensent que ces minuscules connexions et l'utilisation de cheveux fins, les microcanaux de refroidissement liquide mesurant seulement 50 microns de diamètre entre les puces actives sont les chaînons manquants pour réaliser un calcul haute performance avec les futures piles de puces 3D.
"Aux Etats-Unis, les centres de données consomment déjà 2 % de l'électricité disponible, la consommation doublant tous les cinq ans. En théorie, à ce niveau là, un supercalculateur en 2050 nécessitera toute la production du réseau énergétique des États-Unis, " a déclaré le professeur John R. Thome, professeur de transfert de chaleur et de masse à l'EPFL et coordinateur du projet CMOSAIC. Les piles de puces 3D avec refroidissement intercalaire offrent non seulement des performances plus élevées, mais plus important, permettre des systèmes avec une efficacité beaucoup plus élevée, évitant ainsi la situation où les supercalculateurs consomment trop d'énergie pour être abordables.
Défis 3D
L'équipe CMOSAIC fait face à un certain nombre de défis redoutables, mais les progrès récents sur tous les fronts donnent à l'équipe de recherche la confiance nécessaire pour aller de l'avant. Par exemple, les progrès dans la fabrication de vias traversants en silicium ont ouvert de nouvelles voies pour les interconnexions de matrices à haute densité entre les processeurs empilés et les puces de mémoire. De tels circuits intégrés en 3D sont extrêmement attrayants pour surmonter le goulot d'étranglement de la bande passante entre le cœur et la mémoire cache, offrant une opportunité d'étendre les tendances de performance et d'efficacité CMOS pour une autre décennie.
En intégrant un très grand système sur puce (SoC) à plusieurs niveaux, la distance moyenne entre les composants du système est réduite, ce qui améliorera à la fois l'efficacité et les performances. Cependant, le défi d'éliminer la chaleur générée à mesure que les volumes de copeaux deviennent de plus en plus petits est maintenant le problème clé. Le concept global est contre-intuitif :les densités de puissance plus élevées que nous pouvons autoriser, plus l'efficacité d'un futur système est élevée.
Pour résoudre le défi du refroidissement, l'équipe s'appuie sur l'expérience d'IBM et de l'ETH dans le développement d'Aquasar, une première en son genre, supercalculateur refroidi à l'eau.
Semblable à Aquasar, l'équipe prévoit de concevoir des microcanaux avec des systèmes de refroidissement liquide monophasé et diphasique utilisant des nano-surfaces qui acheminent les liquides de refroidissement - y compris l'eau et les réfrigérants respectueux de l'environnement - à quelques millimètres de la puce pour absorber la chaleur, comme une éponge, et éloignez-le. Une fois le liquide sorti du circuit sous forme de vapeur, un condenseur le ramène à l'état liquide, où il est ensuite pompé dans le processeur, complétant ainsi le cycle.
"Comme nous le démontrerons avec l'ETH dans le projet Aquasar, l'utilisation de microcanaux transportant des liquides de refroidissement offre un avantage significatif pour relever les défis d'élimination de la chaleur, et cela devrait conduire à des systèmes 3D pratiques, " a déclaré Bruno Michel, responsable de l'emballage thermique avancé, Recherche IBM - Zurich. "L'eau en tant que liquide de refroidissement a la capacité de capturer la chaleur environ 4, 000 fois plus efficace que l'air, et ses propriétés de transport de chaleur sont également bien supérieures. » Le refroidissement au niveau de la puce avec une température de l'eau d'environ 60 °C est suffisant pour maintenir la puce à des températures de fonctionnement bien inférieures aux 85 °C maximum autorisés. La température d'entrée élevée du liquide de refroidissement donne une chaleur encore plus élevée en sortie, qui dans ce cas sera d'environ 65°C.
