變形半導(dǎo)體技術(shù)是否能讓芯片產(chǎn)業(yè)走得更遠

    來自德州大學(xué)兩位計算機研究人員道格拉斯.S.博格和斯蒂芬.科 克勒爾聲稱其所做的工作將改變計算機產(chǎn)業(yè)。也許你會會認為他們在夸夸其談，然而當你了解其背景后，就不會這么想了。 

　　這兩位研究人員的背后是藍色巨人，而且在2001年他們獲得了美國國防部1100萬美元的研發(fā)資金。而且現(xiàn)在IBM正在加緊制造這一新理念下的第一款芯片模型。如果這款新型芯片能夠?qū)崿F(xiàn)兩位研究人員的預(yù)期，那么也許IBM將會孵化出全新系列的超級芯片－處理器運算速率達到每秒1億萬次。 

　　這樣的處理速度讓IBM自身也感到驚奇，畢竟同等計算能力的超級計算機系統(tǒng)在1997年的造價高達5000萬美元。不過更讓人稱奇的事情在于這款芯片可以通過重新連線改變其結(jié)構(gòu)，也就是眾所周知的可重組式系計算（Reconfigurable Computing）?；谶@項技術(shù)，也許未來蘋果電腦中的PowerPC芯片可以通過改變架構(gòu)，從而支持專門為英特爾芯片架構(gòu)設(shè)計的軟件系統(tǒng)。而且音樂播放器iPod也可以轉(zhuǎn)變?yōu)楸銛y電腦，或者在檢測到電話呼入時自動轉(zhuǎn)換為一部手機。 

　　當然IBM并不是唯一一家研制變形半導(dǎo)體技術(shù)的芯片廠商。實際上主流邏輯芯片供應(yīng)商幾乎都將目光對準了這種全新的理念，包括惠普、英特爾、NEC、飛利浦電子以及德州儀器公司等。菲利普電子以及德州電器等，而且大量新興公司也正在接入這一市場，如Velogix、picoChip Designs 以及MathStar等。 

　　目前提升處理器性能的通常設(shè)計思路是在半導(dǎo)體芯片中集成更多的晶體管，然而隨著芯片中晶體管數(shù)量的急速增加，導(dǎo)致了發(fā)熱量的提升，目前過高的發(fā)熱量已經(jīng)成為了芯片發(fā)展的制約因素。到2008年的時候，處理器上電路的如此微小以至于其總長度將達到20英里。在電路中電流散發(fā)的熱量足以將電路自身溶化。為此，引入一種新的處理器設(shè)計理念已經(jīng)顯得尤為重要。 

　　為此芯片廠商提出了一種解決方案－將硅晶片一分為二，制造成雙內(nèi)核甚至多內(nèi)核處理器，從而縮短電路長度。AMD公司正在采用這種方式。英特爾的雙內(nèi)核芯片對這種解決方案進行了進一步的改進，它采用一種Vanderpool的新技術(shù)。這些芯片將可以同時運行兩套操作系統(tǒng)，例如微軟的Windows XP以及Linux，并在不同的操作系統(tǒng)平臺上運行各自的應(yīng)用軟件。

    今年晚些時候索尼在日本市場推出的下一代視頻游戲機PS3將包含9個處理器－IBM的PowerPC主處理器負責監(jiān)控8個相對簡單的副處理器。這種多內(nèi)核芯片代號為Cell，由IBM、索尼以及東芝公司攜手開發(fā)。索尼聲稱Cell芯片將使得PS3的性能和1997年戰(zhàn)勝棋王卡斯帕羅夫的IBM深藍電腦相媲美。而東芝則將Cell芯片視為下一代"智能"高清晰電視以及其他消費者電子產(chǎn)品的核心。 
　　
　　Cell芯片采用了另一種形式的可重組計算，硅片中的每一部分都被加入了一種名為"eFuse"的技術(shù)。eFuse技術(shù)在每一塊芯片上增加了大量的微電溶絲，它們與特定的隨機軟件結(jié)合時，eFuse可使芯片分配自身內(nèi)部電路以應(yīng)對不同計算任務(wù)，或者增加芯片的運算頻率。這種微電溶絲被焊接在芯片上而無需增加成本，它的功能是控制各個電路的速度，從而可以管理電路性能與電力消耗。它們還有助于修復(fù)某些缺陷或圍繞缺陷工作。例如，當芯片電路運行過快或過慢時，微電溶絲可以改變電路的電壓或者提高和減緩速度，以適應(yīng)任務(wù)的需要。 

　　與此同時，如果問題發(fā)生在芯片的某個部分，比如芯片內(nèi)存的某個部分，eFuse可以讓這個部分關(guān)閉，但并不影響芯片的其他部分繼續(xù)運行。借助于eFuse技術(shù)可以實現(xiàn)對芯片的重新編程。 

　　eFuse技術(shù)是IBM公司更廣泛開發(fā)戰(zhàn)略的一部分。IBM公司的Power5芯片就采用了這項技術(shù)。對于藍色巨人來說，eFuse技術(shù)十分經(jīng)濟：IBM可以大批量制造相同規(guī)格的芯片，然后通過對微電溶絲的編程實現(xiàn)不同類型的定制芯片。eFuse技術(shù)發(fā)明者這之一IBM的工程師Subramanian Iyer表示，IBM電腦中的圖形芯片和Mac電腦中的圖形芯片完全不同，在此之前，我們不得不生產(chǎn)兩款不同的芯片，并試圖預(yù)測出其需求量，而現(xiàn)在我們僅僅需要開發(fā)一種芯片。 

　　就靈活性而言，在可重組計算領(lǐng)域現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)無疑是最出色的。FPGA就好像硅片上的交通燈，控制著電流信號的傳輸或停止，這將使芯片中電路的運行效率提高上千倍?；谠摷夹g(shù)，最終芯片會將所有的電子產(chǎn)品功能整合到一個產(chǎn)品中。FPGA提供商Xilinx公司的首席技術(shù)官Ivo Bolsens解釋道，未來你只需購買不包含任何功能的遠程控制器，當你將其帶回家后，它可以識別了您家中的所有系統(tǒng)－電視、音響、DVD播放器等，并且自動對自身進行改造，來控制這些電器。 

　　雖然在家電領(lǐng)域，可重組計算的應(yīng)用并不廣泛，但是FPGA在大型計算機系統(tǒng)中找到了用武之地。去年2月份，超級計算機廠商Cray宣布了基于FPGA技術(shù)的超級計算機Cray XD1所取得的顯著成果。該系統(tǒng)主板采用了AMD的處理器和6塊FPGA芯片，其中FPGA將該系統(tǒng)的圖形編碼能力提升了1000倍。不過這是在特殊情況下，一半情況下，XD1系統(tǒng)的性能提升為15到100倍。

    然而不幸的是，F(xiàn)PGA編程十分困難，并且還會花費大量的時間。不過目前幾家研究機構(gòu)正在專注于簡化FPGA應(yīng)用的研究。 

　　不過德州大學(xué)的兩位研究人員所從事的芯片開發(fā)并不會遇到這樣的難題，因為其因為新型芯片的設(shè)計理念就是將任務(wù)簡化，實際上大量運算在邏輯操作之前就已經(jīng)被多內(nèi)核芯片所預(yù)先處理。 

　　該研究人員預(yù)測可重組計算芯片市場將會在未來十年中迅速成長，而索尼的首席技術(shù)官Tsugio Makimoto則認為到2007年該類型芯片就會有所成就，在那之后自適應(yīng)性芯片將會成為趨勢。 

　　不過來自其它領(lǐng)域的突破性技術(shù)依然將會對變型半導(dǎo)體技術(shù)的普及形成潛在的威脅，如惠普公司著手研究的新型廉價塑料導(dǎo)體。