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分析:变形半导体技术能否让芯片产业走得更远 |
2009-05-05 |
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2005-6-1 14:31:00 文/方恺 出处：eNet硅谷动力 来自德州大学两位计算机研究人员道格拉斯.S.博格和斯蒂芬.科 克勒尔声称其所做的工作将改变计算机产业。也许你会会认为他们在夸夸其谈，然而当你了解其背景后，就不会这么想了。
这两位研究人员的背后是蓝色巨人，而且在2001年他们获得了美国国防部1100万美元的研发资金。而且现在IBM正在加紧制造这一新理念下的第一款芯片模型。如果这款新型芯片能够实现两位研究人员的预期，那么也许IBM将会孵化出全新系列的超级芯片－处理器运算速率达到每秒1亿万次。
这样的处理速度让IBM自身也感到惊奇，毕竟同等计算能力的超级计算机系统在1997年的造价高达5000万美元。不过更让人称奇的事情在于这款芯片可以通过重新连线改变其结构，也就是众所周知的可重组式系计算（Reconfigurable Computing）。基于这项技术，也许未来苹果电脑中的PowerPC芯片可以通过改变架构，从而支持专门为英特尔芯片架构设计的软件系统。而且音乐播放器iPod也可以转变为便携电脑，或者在检测到电话呼入时自动转换为一部手机。
当然IBM并不是唯一一家研制变形半导体技术的芯片厂商。实际上主流逻辑芯片供应商几乎都将目光对准了这种全新的理念，包括惠普、英特尔、NEC、飞利浦电子以及德州仪器公司等。菲利普电子以及德州电器等，而且大量新兴公司也正在接入这一市场，如Velogix、picoChip Designs 以及MathStar等。
目前提升处理器性能的通常设计思路是在半导体芯片中集成更多的晶体管，然而随着芯片中晶体管数量的急速增加，导致了发热量的提升，目前过高的发热量已经成为了芯片发展的制约因素。到2008年的时候，处理器上电路的如此微小以至于其总长度将达到20英里。在电路中电流散发的热量足以将电路自身溶化。为此，引入一种新的处理器设计理念已经显得尤为重要。
为此芯片厂商提出了一种解决方案－将硅晶片一分为二，制造成双内核甚至多内核处理器，从而缩短电路长度。AMD公司正在采用这种方式。英特尔的双内核芯片对这种解决方案进行了进一步的改进，它采用一种Vanderpool的新技术。这些芯片将可以同时运行两套操作系统，例如微软的Windows XP以及Linux，并在不同的操作系统平台上运行各自的应用软件。
今年晚些时候索尼在日本市场推出的下一代视频游戏机PS3将包含9个处理器－IBM的PowerPC主处理器负责监控8个相对简单的副处理器。这种多内核芯片代号为Cell，由IBM、索尼以及东芝公司携手开发。索尼声称Cell芯片将使得PS3的性能和1997年战胜棋王卡斯帕罗夫的IBM深蓝电脑相媲美。而东芝则将Cell芯片视为下一代"智能"高清晰电视以及其他消费者电子产品的核心。
Cell芯片采用了另一种形式的可重组计算，硅片中的每一部分都被加入了一种名为"eFuse"的技术。eFuse技术在每一块芯片上增加了大量的微电溶丝，它们与特定的随机软件结合时，eFuse可使芯片分配自身内部电路以应对不同计算任务，或者增加芯片的运算频率。这种微电溶丝被焊接在芯片上而无需增加成本，它的功能是控制各个电路的速度，从而可以管理电路性能与电力消耗。它们还有助于修复某些缺陷或围绕缺陷工作。例如，当芯片电路运行过快或过慢时，微电溶丝可以改变电路的电压或者提高和减缓速度，以适应任务的需要。
与此同时，如果问题发生在芯片的某个部分，比如芯片内存的某个部分，eFuse可以让这个部分关闭，但并不影响芯片的其他部分继续运行。借助于eFuse技术可以实现对芯片的重新编程。
eFuse技术是IBM公司更广泛开发战略的一部分。IBM公司的Power5芯片就采用了这项技术。对于蓝色巨人来说，eFuse技术十分经济：IBM可以大批量制造相同规格的芯片，然后通过对微电溶丝的编程实现不同类型的定制芯片。eFuse技术发明者这之一IBM的工程师Subramanian Iyer表示，IBM电脑中的图形芯片和Mac电脑中的图形芯片完全不同，在此之前，我们不得不生产两款不同的芯片，并试图预测出其需求量，而现在我们仅仅需要开发一种芯片。
就灵活性而言，在可重组计算领域现场可编程门阵列(FPGA)技术无疑是最出色的。FPGA就好像硅片上的交通灯，控制着电流信号的传输或停止，这将使芯片中电路的运行效率提高上千倍。基于该技术，最终芯片会将所有的电子产品功能整合到一个产品中。FPGA提供商Xilinx公司的首席技术官Ivo Bolsens解释道，未来你只需购买不包含任何功能的远程控制器，当你将其带回家后，它可以识别了您家中的所有系统－电视、音响、DVD播放器等，并且自动对自身进行改造，来控制这些电器。
虽然在家电领域，可重组计算的应用并不广泛，但是FPGA在大型计算机系统中找到了用武之地。去年2月份，超级计算机厂商Cray宣布了基于FPGA技术的超级计算机Cray XD1所取得的显著成果。该系统主板采用了AMD的处理器和6块FPGA芯片，其中FPGA将该系统的图形编码能力提升了1000倍。不过这是在特殊情况下，一半情况下，XD1系统的性能提升为15到100倍。
然而不幸的是，FPGA编程十分困难，并且还会花费大量的时间。不过目前几家研究机构正在专注于简化FPGA应用的研究。
不过德州大学的两位研究人员所从事的芯片开发并不会遇到这样的难题，因为其因为新型芯片的设计理念就是将任务简化，实际上大量运算在逻辑操作之前就已经被多内核芯片所预先处理。
该研究人员预测可重组计算芯片市场将会在未来十年中迅速成长，而索尼的首席技术官Tsugio Makimoto则认为到2007年该类型芯片就会有所成就，在那之后自适应性芯片将会成为趋势。
不过来自其它领域的突破性技术依然将会对变型半导体技术的普及形成潜在的威胁，如惠普公司着手研究的新型廉价塑料导体。
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