עיצוב מיקרומעבדים עבור פתרונות מחשוב בר קיימא וידידותי לסביבה

ההשפעה הסביבתית הגוברת של מחשוב

תשתיות מחשוב מודרניות צורכות נתח הולך וגובר של חשמל גלובלי.מרכזי נתונים לבד חשבון עבור 1–2% מכלל השימוש בחשמל ברחבי העולם, ודמות זו ממשיכה לעלות עם התרחבות שירותי ענן, בינה מלאכותית ומחשוב קצה.תעשיית המוליכים למחצה תורמת חלק משמעותי של פחמן מגולם באלקטרוניקה, ממיצוי חומרי גלם באמצעות ייצור כדי לסיים את חיי ה- Microprocessors, כמו הלב של כמעט כל גורם מרכזי של אנרגיה מתחדשת, ללא טיפול אורגני ארוך יותר, הוא כבר לא יעיל יותר, הוא גורם חיוני, אשר אינו מייצג חומר מפגש חיוני, הוא יותר, אשר אינו יעיל יותר, הוא חיוני, מאנרגיה חיוני, מאנרגיה חיוני, מאנרגיה חיוני, מאנרגיה מתחדשת, מאנרגיה מתחדשת, מאנרגיה מתחדשת, מאנרגיה מתחדשת, הוא יותר, מאנרגיה מתחדשת, מאנרגיה חיוני, מאנרגיה מתחדשת, מאנרגיה מתחדשת, מפלט חיוני, מאנרגיה מתחדשת, מאנרגיה מתחדשת, מפלט חיוני, הוא יותר, הוא יותר, מאנרגיה מתחדשת, מאנרגיה מתחדשת, מאנרגיה מתחדשת, מאנרגיה מתקדמת יותר, מפלט חיוני, מפלט חיוני, מפלט חיוני, מפלט חיוני עבור כל גורם חיוני עבור כל גורם חיוני של אנרגיה מתחדשת, מפלט חיוני של אנרגיה מתחדשת, מפלט חיוני של אנרגיה מתחדשת, הוא כבר לא יעיל יותר, מאנרגיה מתחדשת

עקרונות מרכזיים של עיצוב מיקרו-מעבדים בר קיימא

אדריכלות יעילה באנרגיה

הדרך המיידית ביותר להפחית את טביעת הרגל הסביבתית של מיקרו-מעבד היא למזער את צריכת החשמל שלה ללא הקרבה ביצועים. מתח דינמי ותדירות הסקאלה (DVFS) היא טכניקה מרכזית, המאפשרת למעבדים להתאים את המתח התפעולי שלהם ואת מהירות השעון בהתבסס על עומס עבודה בזמן אמת. שבבים מודרניים מרחיבים את העיקרון הזה עם DVFS, המאפשר ניהול כוח גרפיטי.

מעבר להיקף הליבה, שעון מתקדם גלימה, כוח מתפתל, וטיה הגוף ההסתגלות מאפשרת זרם הדליפה - מקור עיקרי של פסולת בת 10nm nodes. Training עיצוב גם ממלא תפקיד; הטבע המודולארי של RISC-V מאפשר למעצבים להפשיט הוראות מיותרות, צמצום הפעילות. בשילוב עם היררכיות זיכרון יעילות ועל מאיץ (למשל, גירסאות סטנדרטיות של 30 של טכניקות AI), בהשוואה לשיטות אנרגיה קונבנציונאליות סטנדרטיות אלה, לעומת 3060%, יכולות להפחית את התקני AI.

חומרים בר קיימא וייצור

ייצור מבוסס סיליקון מסורתי מבוסס על תהליכים עתירי זמן גבוהים, כימיקלים רעילים (למשל, perfluorocarbons, arsenic, ו-Garium), ו substrates שקשה לשחזר.מחקר לתוך חומרים מוליכים למחצה חלופיים - כגון ium nitride (GaN) על סיליקון, סיליקון (SiC), ואפילו מוליכים למחצה אורגניים - הבטחות ייצור מופחתת חומרים כימיים או חומרים נוגדי חמצון הם מופחתים עבור שבבים נמוכים יותר.

שימוש במים ב fabs הוא עוד דאגה דחופה. a one 300mm wfer יכול לדרוש אלפי גלונים של מים אולטרה סגול.סגור-loop Recycling מערכות, חלופות תחריט יבש, והשימוש במים חוזרים הופכים סטנדרטיים בממצאות מובילות.בנוסף, חיסול מינרלים התנגשות (למשל, טנטלום, tin, tungs, זהב) באמצעות שרשרת אספקה מוסמך והחלפת חומרים סביבתיים המבוססים על ידי צינורות פחמן - גם על ידי מכווץ.

שיקולי מחזור חיים: עיצוב לארוך ולמחזוריות

ההשפעה הסביבתית של מיקרו-מעבדר משתרעת הרבה מעבר לאנרגיה התפעולית שלה.ייצור שבב 1.5 ס"מ אחד יכול פולט את המקבילה של כמה קילוגרמים של CO2.אם שבב זה משמש רק שנתיים או שלוש שנים לפני שפורש, הפחמן המגולם הוא מוקרן על פני תקופה קצרה, מה שהופך את סך הכל לצמיתות עבור חיים ארוכים יותר - באמצעות ארכיטקטורות מודולריות המאפשרות רכיבים, ביצועים חזקים, שדרוגים של החלפה, ולהפחית את התדירות גבוהה.

Recyclability מתחיל בשלב העיצוב. Chips כי להשתמש פחות אלמנטים נדירים, להימנע מתרכובות גילוח כי לעכב disassembly, וכולל חבילות סטנדרטיות (למשל, LGA לעומת BGA) קל יותר לתבוע מחדש.העניין הגדל בעיצובים מבוססי שבבים (ראה להלן) מציע נתיב כסף טבעי: אם ליבה או זיכרון יחיד יכול להיות החלפת בתולית ולא דיסקרד את כל המעבדים, שיפור תהליכי חיתוך חיידק, החלמה, לשחזר.

חידושים נהיגה אקולוגית-ידידותית מחשוב

ליד-Threshold Computing

טרנזירים הפעלה ליד מתח סף שלהם - בדרך כלל 0.3-0.5 V - מפחית באופן דרסטי כוח דינמי כי זה בקנה מידה עם ריבוע של מתח. ליד-הרס החזק מחשוב (NTC) יכול לחתוך אנרגיה לפעולה על ידי 5-10x בהשוואה להפעלה של super-threshold, למרות שעלות של תדירות מופחתת, החוקרים הראו מעבדי NTC עבור צמת חיישן ו-IoT שבו נמוך דרך מחשוב מקובל.

Neuromorphic ו- Quantum Computing

(FLT:0)Neuromorphic צ'יפסFLT:1 חיקוי המבנה והתפקוד של רשתות עצביות ביולוגיות, באמצעות נוירונים סינפסות פלסטיק לבצע חישוב עם אנרגיה נמוכה במיוחד.לדוגמה, Loihi 2 תהליכים ספאריות של אינטל באמצעות מעגלים מונעים אירוע כי רק צריכת חשמל כאשר אות הוא נוכח.

(FLT:0)Quantum ComputingFLT:1 מבטיח לפתור בעיות מסוימות (למשל, גורם, אופטימיזציה, כימיה קוונטית) באמצעות qubits הדורש קירור קיצוני קרוב לאפס מוחלט - מה שהופך את תקציב האנרגיה הכולל גבוה.עם זאת, עבור המשימות שבו קוונטים מצטיין, זמן-לפתרון ואנרגיה לשיתוף פעולה יכול להיות הזמנות של גודל נמוך יותר מאשר מחשבי סופר-סובל סובלניים, כמו גם יתרון סביבתי נמוך יותר על ידי מרכזי קירור סטנדרטיים על ידי הגנה סטנדרטיים על פני השטח שלהם.

אינטגרציה מבוססת צ'יפלט ו-3D

שוברים מונוליטית למות לתוך שבבים קטנים יותר המחוברים באמצעות אינטרוספיר מאפשר כמה ניצחונות קיימות. הראשון, כל שבב יכול להיות מיוצר על תהליך אופטימלי - למשל, לוגיקה מתה על צומת מוביל ו- I /O למות על ערימה בוגרת, נמוך יותר - צמצום אנרגיה בדיגה כוללת.2, נשואים הם גבוהים יותר מאשר אלה מתים גדול, מחסנים רוחב פסים, במקום אורך של 3D.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות ההתקדמות הזו, כמה מחסומים נשארים.התקפה של ביצועים היא הרציפה ביותר: טכניקות עיצוב ירוקות רבות (למשל, ליד תחנת עכבות, חיתוך שעון אגרסיבי) להפחית את ביצועי שיא, אשר סכסוכים עם צרכנים ודרישות ארגוניות עבור מעבדים מהירים יותר מתמיד. ... [+] תמריצים בשוק עדיין מתגמלים מהירות גולמית על קיימות, אם כי ספקי ענן גדולים עכשיו גורם יעילות כוח (PU) ודרישות ארגוני פחמן לתוך החלטות אינטנסיביות רכש.

עלויות הן עוד חומרי גלם.הת קיימא - כגון GaN substrates או אריזה ביו-דידית - הם לעתים קרובות יקר יותר מאשר חלופות קונבנציונליות בקנה מידה קטן.מצא שדרוגים לתהליכי פחמן-ניטרלי דורשים השקעה מסיבית הון, ולא כל היצרנים יש את תמריץ פיננסי לעשות את מתג. מדיניות, כגון מס פחמן על ייצור או מטרות מחזור חובה, יכול לשחק את הרמה.

ניהול התרמומלי גדל יותר מאתגר כמו שבבים משלבים יותר מרכיבים heterogeneous.טכניקות קירור מתקדמות - נוזל ⁇ , ערוצי מיקרו-השפעה, שני phase evaporators - יכול לשחזר חום פסולת עבור בנייה חימום או מים חמים, שיפור יעילות המערכת הכוללת. Standardization הוא גם נחוץ: ללא השוואות בין התעשייה ל-microprocessor Sustainableability (למשל, אנרגיה-perinion נמדדת בהקשר של חיים), והשוואה לקונים קשים לקונים.

[ה] שיתוף פעולה בין התעשייה, האקדמיה והממשלה מזרזים את ההתקדמות.היוזמה כמו ה-FLT:0IEEEEEFLT:1 Green ICT, מחלקת האנרגיה של ארה"ב:2data Center יעילות תוכניות ייצוב מרכז יעילות של LT:3, ומחקר ממוסדות כגון FLT:4MITFLT:5 על מעבדים נמוכים-יסודי (DIFneur) ועד ל-R.

הדרך קדימה

תכנון מיקרומעבדים עבור מחשוב בר קיימא הוא אתגר הנדסי, אתגר שוק, ואתגר מדיניות התגלגל לתוך אחד.אין טכניקה אחת מספיק.הדרך המבטיחה ביותר משלבת ארכיטקטורות חסכוניות אנרגיה (DVFS, ליבות הטרוגניות, כמעט-reshold הפעלה), חומרים בר קיימא וייצור (כולל מצע אנרגיה, סגסוגת מים, אספקת סכסוכים), חיים לטווח בינוני (תוכנות, סימולציה), וחשיבה קוונטית, סימולציה מבוססת-טווח) עם עיצובים, לחץ דם מתקדם, לחץ דם, תמיכה).

עבור תעשיית הטכנולוגיה לתרום באופן משמעותי לכוכב בריא יותר, קיימות חייבות להיות גבוהות מהשיקול המשני לאימון עיצוב הליבה.זה אומר השקעה במחקר, אימוץ סטנדרטים פתוחים כמו RISC-V כדי לאפשר שימוש חוזר בעיצוב, ודורש שקיפות במודעות פחמן דו-חמצני ובלחץ רגולטורי ימשיך לדחוף יצרנים למוצרים ירוקים יותר. הדור הבא של מיקרו-מעבדים לא רק יהיה מהיר יותר ומסוגל יותר - הם גם יהיו קלים יותר על פני כדור הארץ, שווה בעתיד.