IBM先進(jìn)微集成（Advanced Micro Integration）部門負(fù)責(zé)人估計(jì)生物是設(shè)計(jì)更高能效芯片的關(guān)鍵,。

　　2011年，IBM制造的名叫沃森（Watson）的超級(jí)計(jì)算機(jī)在美國(guó)一個(gè)智力競(jìng)賽節(jié)目 Jeopardy! 中擊敗了兩位頂尖的人類冠軍,。這讓人們十分興奮。與具備抽象的理性和邏輯的國(guó)際象棋不同,，Jeopardy! 充滿了雙關(guān)語(yǔ)和文字游戲,；諸如此類的事情本該是計(jì)算機(jī)的軟肋。但Bruno Michel,，這位IBM位于蘇黎世的研究實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)微集成部門的領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)這并不是一場(chǎng)公平的戰(zhàn)斗,。

　　「你知道（沃森）消耗多少電力嗎？當(dāng)時(shí)大概是80kW,，超出了人類的上千倍,。」Michel博士認(rèn)為計(jì)算機(jī)是非常低效的機(jī)器，不管是它們消耗的電力還是它們所占的空間,。他估計(jì),，一臺(tái)典型的桌面計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)中心中的一臺(tái)服務(wù)器只使用了其體積的大約0.0001%來(lái)處理數(shù)字，另外也許有1%將結(jié)果傳遞給周邊,。其它地方基本上都是空的,。物理定律限制了信息的處理效率，但他計(jì)算,，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)只展現(xiàn)了其理論潛力的0.00004%,。所以目前，一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心所消耗的數(shù)十兆瓦電力中的絕大部分都被轉(zhuǎn)化了熱量,，散失在空氣里,。摩爾定律曾在計(jì)算力指數(shù)猛漲的同時(shí)限制了電力的使用，因?yàn)榫w管越小,，需要的電力就越少,。但現(xiàn)在情況已經(jīng)改變。

　　「現(xiàn)在購(gòu)買一臺(tái)計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)中心的成本比一些年前運(yùn)行它們的成本還低,，」Michel博士說(shuō),，「這是一種范式轉(zhuǎn)變?！?/p>

　　數(shù)據(jù)中心已經(jīng)消耗了全世界總電力的2%,。Michel博士的效率基準(zhǔn)是演進(jìn)；他原來(lái)學(xué)習(xí)的是機(jī)械工程,，但他后來(lái)在讀了一本遺傳學(xué)的教科書后愛上了生物學(xué),。在從蘇黎世大學(xué)獲得生物化學(xué)和生物物理學(xué)博士學(xué)位之后，他加入了IBM的蘇黎世實(shí)驗(yàn)室,，與這里1981年開發(fā)的掃描隧道顯微鏡（STM,，scanning tunnelling microscope）一起工作,。掃描隧道顯微鏡讓科學(xué)家可以看到和操作單個(gè)原子,，它的發(fā)明者也因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。這一成果還催生了一個(gè)制造平板顯示器的技術(shù)項(xiàng)目,。

　　「我對(duì)新事物非常著迷,，然后我就想要從事這些工作，」他說(shuō),，「但我的建議是：如果你想在一個(gè)新領(lǐng)域內(nèi)工作,，不要被創(chuàng)意驅(qū)動(dòng)——該被沖擊力驅(qū)動(dòng)?！惯@就是他現(xiàn)在從事能效更高的芯片方面工作的原因,，他強(qiáng)調(diào)說(shuō)：「過(guò)去十年中，芯片行業(yè)內(nèi)存在一種恐慌：很快我們就不能保持這些東西的酷勁了?！古c此同時(shí),，隨著氣候變化被提上政治議程，能源政策正變得越來(lái)越重要,。他認(rèn)為生物學(xué)的秘密武器是能夠?yàn)榇竽X供能的精細(xì)血管分支網(wǎng)絡(luò),，它們大腦中大部分容積都被用來(lái)執(zhí)行有用的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。就神經(jīng)科學(xué)家目前所知,，一個(gè)哺乳動(dòng)物的大腦中有 70% 用于傳遞信息,，20% 用于處理信息，剩下的 10% 用來(lái)將一切都保持在正確的位置上并向其提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),。做完上述所有工作,，人腦的功率也只有20W。據(jù)Michel博士估計(jì),，人腦的效率大約比人類所設(shè)計(jì)出的最好硅機(jī)器高10000倍,。

　　他最喜歡的一份圖表對(duì)比了大腦和第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)的一系列計(jì)算技術(shù)的密度和效率。它們都落到了一條直線上,，這表明要達(dá)到大腦那樣高的能效,，科學(xué)家將不得不對(duì)大腦密度進(jìn)行模擬。他目前正從事開發(fā)一款電子血液,，其功能類似于生物鐘血液將能量送入大腦,。「這很像在蒸汽機(jī)發(fā)明了200多年后,，機(jī)械工程技術(shù)才在能效上開始接近生物系統(tǒng)的水平」他說(shuō),，「如果計(jì)算可以在一半的時(shí)間內(nèi)完成同樣的事情，那就好了,?！?/p>

　　一開始，Bass 先生在材料使用和制作東西上就和別人的看法完全不同,。

　　拋開鰭片晶體管（finned transistors）這樣的創(chuàng)新不談,，現(xiàn)代芯片基本上都是扁平的。但包括IBM在內(nèi)的一些公司現(xiàn)在正在開發(fā)彼此堆疊的芯片——像是商業(yè)大樓中的公寓,，讓設(shè)計(jì)者可以在特定空間內(nèi)封裝更多晶體管,。三星已經(jīng)在開始銷售用垂直堆疊閃存（vertically stacked flash memory）制作的存儲(chǔ)系統(tǒng)了。去年,，英特爾與大型儲(chǔ)存制造商美光聯(lián)合宣布了一種稱為3D Xpoint的堆疊式新內(nèi)存技術(shù),。

　　IBM的研究者正在研究的東西稍有不同：一種內(nèi)存片夾在處理邏輯片之間的芯片棧（chip stacks）。這讓工程師可以將大量的計(jì)算堆積到一個(gè)微小的體積中,，同時(shí)還能帶來(lái)性能上的巨大提升,。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)主內(nèi)存被安裝在離處理器幾厘米的地方,。以硅的速度，一厘米是很遠(yuǎn)的距離,，將信號(hào)傳輸這么遠(yuǎn)也很浪費(fèi)能量,。將內(nèi)存移入芯片可將距離從厘米級(jí)削減到微米級(jí)，使其可以更快地來(lái)回傳輸數(shù)據(jù),。但3D芯片面臨著兩個(gè)主要問題,。第一是散熱。平面芯片的散熱已經(jīng)很糟糕了,；在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心中,，數(shù)千臺(tái)風(fēng)扇將熱空氣從機(jī)架間吹出去，制造著持續(xù)不斷的轟鳴,。芯片中加入的層越多,，其芯片內(nèi)部所產(chǎn)生的熱量就越多，其熱量增長(zhǎng)就比可以清除熱量的外側(cè)更快,。

　　第二個(gè)問題是電力輸入,。芯片通過(guò)其外側(cè)的數(shù)百個(gè)金屬引腳（ metal pins）與外界通信。現(xiàn)代芯片具有非常大的電力需求,，其 80% 的引腳都是為傳輸電力服務(wù)的,，只剩下一些留給數(shù)據(jù)的輸入輸出。在3D芯片中,，這些限制還將翻倍,，因?yàn)橥瑯訑?shù)量的引腳要為更復(fù)雜的芯片服務(wù)。

　　IBM希望通過(guò)在3D芯片中使用微尺寸的內(nèi)部管道來(lái)同時(shí)解決上面兩個(gè)問題,。微流體通道（microfluidic channel）將攜帶冷卻液進(jìn)入芯片中心,，將熱量一次性從其整個(gè)結(jié)構(gòu)中移除。該公司已經(jīng)在傳統(tǒng)的平面芯片上測(cè)試過(guò)其液體冷卻技術(shù)了,。該部門負(fù)責(zé)人Bruno Michel說(shuō),，這種微流體系統(tǒng)最終可以從大約1立方厘米的體積中移除大約1千瓦的熱量——大約相等于電加熱器上一個(gè)加熱條的輸出。

　　液體不僅能冷卻芯片,，也能傳遞能量,。受到自己生物學(xué)背景的啟發(fā)，Michel博士將這種液體稱作「電子血液（electronic blood）」,。如果他能成功將其造出來(lái),，它對(duì)計(jì)算機(jī)芯片而言就像生物血液對(duì)身體一樣：同時(shí)提供能量和調(diào)節(jié)溫度,。Michel博士的想法是使用一種流動(dòng)電池（flow battery）的變體,，其中的電力通過(guò)兩種液體提供，它們?cè)谝环N膜的兩側(cè)相遇,，從而產(chǎn)生電力?，F(xiàn)在我們對(duì)流動(dòng)電池已經(jīng)有了相當(dāng)充分的了解,。電力行業(yè)已經(jīng)在研究將它們作為一種電力存儲(chǔ)方式以存儲(chǔ)來(lái)自可再生能源的間歇性電力。Michel博士的系統(tǒng)還要等很多年才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用,，但原理已經(jīng)確定下來(lái)：當(dāng)Ruch博士打開流體開關(guān)時(shí),，軟管連接的芯片閃爍著激活——視野中沒有任何插頭和電線。