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

    來(lái)自德州大學(xué)兩位計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)。也許你會(huì)會(huì)認(rèn)為他們?cè)诳淇淦湔?，然而?dāng)你了解其背景后，就不會(huì)這么想了。 

　　這兩位研究人員的背后是藍(lán)色巨人，而且在2001年他們獲得了美國(guó)國(guó)防部1100萬(wàn)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(huì)孵化出全新系列的超級(jí)芯片－處理器運(yùn)算速率達(dá)到每秒1億萬(wàn)次。 

　　這樣的處理速度讓IBM自身也感到驚奇，畢竟同等計(jì)算能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在1997年的造價(jià)高達(dá)5000萬(wàn)美元。不過(guò)更讓人稱奇的事情在于這款芯片可以通過(guò)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(jì)算（Reconfigurable Computing）?；谶@項(xiàng)技術(shù)，也許未來(lái)蘋果電腦中的PowerPC芯片可以通過(guò)改變架構(gòu)，從而支持專門為英特爾芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)。而且音樂(lè)播放器iPod也可以轉(zhuǎn)變?yōu)楸銛y電腦，或者在檢測(cè)到電話呼入時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為一部手機(jī)。 

　　當(dāng)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(shí)際上主流邏輯芯片供應(yīng)商幾乎都將目光對(duì)準(zhǔn)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(chǎng)，如Velogix、picoChip Designs 以及MathStar等。 

　　目前提升處理器性能的通常設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)候，處理器上電路的如此微小以至于其總長(zhǎng)度將達(dá)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(jì)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(zhǎng)度。AMD公司正在采用這種方式。英特爾的雙內(nèi)核芯片對(duì)這種解決方案進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，它采用一種Vanderpool的新技術(shù)。這些芯片將可以同時(shí)運(yùn)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(tái)上運(yùn)行各自的應(yīng)用軟件。

    今年晚些時(shí)候索尼在日本市場(chǎng)推出的下一代視頻游戲機(jī)PS3將包含9個(gè)處理器－IBM的PowerPC主處理器負(fù)責(zé)監(jiān)控8個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的副處理器。這種多內(nèi)核芯片代號(hào)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(lán)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(fèi)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(jì)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(jī)軟件結(jié)合時(shí)，eFuse可使芯片分配自身內(nèi)部電路以應(yīng)對(duì)不同計(jì)算任務(wù)，或者增加芯片的運(yùn)算頻率。這種微電溶絲被焊接在芯片上而無(wú)需增加成本，它的功能是控制各個(gè)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(dāng)芯片電路運(yùn)行過(guò)快或過(guò)慢時(shí)，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(shí)，如果問(wèn)題發(fā)生在芯片的某個(gè)部分，比如芯片內(nèi)存的某個(gè)部分，eFuse可以讓這個(gè)部分關(guān)閉，但并不影響芯片的其他部分繼續(xù)運(yùn)行。借助于eFuse技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàng)技術(shù)。對(duì)于藍(lán)色巨人來(lái)說(shuō)，eFuse技術(shù)十分經(jīng)濟(jì)：IBM可以大批量制造相同規(guī)格的芯片，然后通過(guò)對(duì)微電溶絲的編程實(shí)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(cè)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(jì)算領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)技術(shù)無(wú)疑是最出色的。FPGA就好像硅片上的交通燈，控制著電流信號(hào)的傳輸或停止，這將使芯片中電路的運(yùn)行效率提高上千倍?；谠摷夹g(shù)，最終芯片會(huì)將所有的電子產(chǎn)品功能整合到一個(gè)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(lái)你只需購(gòu)買不包含任何功能的遠(yuǎn)程控制器，當(dāng)你將其帶回家后，它可以識(shí)別了您家中的所有系統(tǒng)－電視、音響、DVD播放器等，并且自動(dòng)對(duì)自身進(jìn)行改造，來(lái)控制這些電器。 

　　雖然在家電領(lǐng)域，可重組計(jì)算的應(yīng)用并不廣泛，但是FPGA在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中找到了用武之地。去年2月份，超級(jí)計(jì)算機(jī)廠商Cray宣布了基于FPGA技術(shù)的超級(jí)計(jì)算機(jī)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(guò)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(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間。不過(guò)目前幾家研究機(jī)構(gòu)正在專注于簡(jiǎn)化FPGA應(yīng)用的研究。 

　　不過(guò)德州大學(xué)的兩位研究人員所從事的芯片開發(fā)并不會(huì)遇到這樣的難題，因?yàn)槠湟驗(yàn)樾滦托酒脑O(shè)計(jì)理念就是將任務(wù)簡(jiǎn)化，實(shí)際上大量運(yùn)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(cè)可重組計(jì)算芯片市場(chǎng)將會(huì)在未來(lái)十年中迅速成長(zhǎng)，而索尼的首席技術(shù)官Tsugio Makimoto則認(rèn)為到2007年該類型芯片就會(huì)有所成就，在那之后自適應(yīng)性芯片將會(huì)成為趨勢(shì)。 

　　不過(guò)來(lái)自其它領(lǐng)域的突破性技術(shù)依然將會(huì)對(duì)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(jià)塑料導(dǎo)體。