Ibm обещает миру суперкомпьютер в кубике сахара
В то время, когда речь идет о миниатюризации компьютеров, принято рассуждать о разработках, каковые разрешают упаковать элементы чипов ещё плотнее, чем раньше. Но обычно из вида упускается один принципиальный момент — перегрев. Ответ задачи действенного охлаждения процессоров — ключ к предстоящему формированию отрасли.
В этом уверены эксперты небезызвестной компании.
Учёные из IBM уверены в том, что радикально улучшив отвод тепла от микросхем, возможно одним выстрелом убить сходу двух зайцев. Во-первых, продвинуться на пути миниатюризации вычислительных комплексов, а во-вторых, серьёзно снизить цена эксплуатации суперкомпьютерных центров и комплексов хранения/обработки данных. Наряду с этим не нужно будет отказываться от кремния как классической базы разработки микросхем.
Соблазнительно, само собой разумеется, попытаться перейти на чипы из карбида кремния, талантливые действующий при температуре до 650 градусов Цельсия. Но кроме того им потребуется хоть какая-то совокупность охлаждения. Дело в том, что современные серийные процессоры владеют теплоотдачей 50-100 ватт на квадратный сантиметр площади, что многократно превосходят у конфорок электрической кухонной плиты.
В случае если чип своевременно не отключить, без охлаждения он весьма скоро выходит из строя.
Современные кулеры для процессоров – иногда настоящее произведение искусства. Но обычно положение не выручает ни хороший вентилятор, ни ужасный радиатор с развитой поверхностью (фото с сайта xtreview.com).
Процессоры будущего, согласно расчетам IBM, покажут ещё громадную генерацию тепла на единицу поверхности. Без охлаждения они будут нагреваться до температуры поверхности Солнца (в теории, по причине того, что ещё раньше расплавятся).
Так что карбид кремния сам по себе неприятности не примет решение и, Наверное, останется экзотикой для узких областей применения (чипы в космических аппаратах либо в газотурбинных двигателей). Но, может, лучше поменять не микросхемы, а метод их охлаждения? На ум сходу приходит вода.
Вода способна отводить тепло в 4000 раз действеннее, чем воздушное пространство. Потому-то многие компании и строят разного рода водяные совокупности.
Но то, что годится для десктопа, тяжело развернуть до масштаба суперкомпьютера. Для того чтобы, как продемонстрированный тут американо-швейцарский аппарат (фото ETH Zurich).
Фактически водяное охлаждение чипов придумано в далеком прошлом. Но в случае если подопечный — весьма замечательная компьютерная совокупность, не хватает жидкость к поверхности процессоров. Необходимо весьма равномерно распределить данный поток, а позже скоро отвести нагретую воду прочь.
В поиске наилучшей схемы IBM обратилась к природным патентам. Эксперты вдохновились кровеносной совокупностью человека. В ней большие артерии несут насыщенную кислородом кровь к периферии организма, неспешно разбиваясь на всё более небольшие сосуды, в итоге заканчиваясь небольшими капиллярами.
Обратный ток снабжает вторая сеть из капилляров, сливающихся в более большие «трубопроводы», со своей стороны несущие кровоток к громадным венам.
Охлаждение «по способу IBM» устроено по мотивам кровеносной совокупности (иллюстрация IBM).
В комплексе от IBM большие трубки неспешно ветвятся на всё более небольшие, по мере того как вода поступает к главным местам компьютерных плат. Но основное – на процессоре установлен узкий бутерброд с лабиринтом из отверстий. По мере приближения к поверхности чипа водяной поток расходится по небольшим каналам поперечником в доли миллиметра.
Подобная сеть трубок и капилляров собирает нагретую воду. Наряду с этим температура подходящей жидкости равна 60 градусам Цельсия, а уходящей — 65-68 °C. Рабочая же температура чипа не превышает 80-85 градусов.
Один из ранних прототипов платы с замечательными процессорами, охлаждаемыми, как ни необычно звучит, тёплой водой. Охлаждение трудится на относительно скромной разнице температур, но за счёт высокой теплоёмкости H2O снабжает хороший теплоотвод от микросхем (фото IBM).
Прототипом больших ЭВМ с таковой совокупностью охлаждения стал суперкомпьютер Aquasar, запущенный в мае 2010 года. Это совместное детище европейского исследовательского отделения IBM (IBM Research – Zurich) и швейцарского федерального технического университета (ETH Zurich), где и расположена необычная машина.
Аппарат размером с большой холодильник является кластеромиз 42 серверов двух моделей (QS22 и HS22). 28 из них (22 QS22 и 6 HS22) оборудованы инновационным водяным охлаждением, а остальные (11 QS22 и 3 HS22) — простым воздушным. Это сделано для сравнения двух разработок в равных условиях.
Ральф Айхлер (Ralph Eichler), президент ETH Zurich, и Джон Келли (John Kelly), вице-президент IBM, глава исследовательского отдела, на церемонии открытия «Аквазара» – первого в собственном роде суперкомпьютера, охлаждаемого тёплой водой (фото Michael Lowry/IBM Research – Zurich).
Любопытная изюминка разработки: отведённая от суперкомпьютера вода поступает в теплообменник, где отдаёт энергию воде, которая курсирует в совокупности обогрева строения. В простых дата-центрах холодильные установки создают поток воздуха с температурой 15°C. Воздушное пространство проходит через стойки с серверами, а нагретый воздушный поток, в большинстве случаев, без всякой пользы выбрасывается на улицу.
Неудивительно, что нынешние центры обработки данных 50% потребляемой энергии тратят на холодильные агрегаты. Водяное охлаждение «Аквазара» намного действеннее: в целом суперкомпьютер на 40% экономичнее сопоставимых по производительности автомобилей с воздушным охлаждением, — утверждают швейцарцы.
«Аквазар» вмещает 20 литров воды, каковые прогоняются по всему контуру с темпом 30 л/мин. В совокупность включены фильтры, предотвращающие замусоривание микроканалов в процессорах от попадания жёстких частиц (фото ETH Zurich).
При суммарной скорости в шесть триллионов операций в секунду комплекс потребляет около 20 киловатт. Это не рекорд, но параметр хороший. Так, первая десятка в рейтинге «самых зелёных» суперкомпьютеров планеты (Green500) владеет производительностью от 400 до 770 миллионов операций в секунду на ватт потребляемой мощности.
Кстати, сравнительно не так давно отметившийся рекордом скорости китайский суперкомпьютер владеет показателем экономичности в 620 мегафлопсов на ватт.
Но в случае если отыскать в памяти, что до 9 киловатт дарового тепла от «Аквазара» идут на нужный обогрев помещений университета, параметры раздельно забранной «водяной», другими словами экспериментальной части выглядят ещё привлекательнее.
IBM информирует (PDF-документ), что при неспециализированной производительности 22-х серверов QS22 в 3,4 терафлопса они вместе с сопутствующим оборудованием тянут из сети 7,5 киловатта мощности. Но наряду с этим 4,5 кВт генерируют в виде утилизируемого тепла. С его учётом эффективность «Аквазара» образовывает уже 1,1 гигафлопса на ватт.
IBM выстроила такую цепочку: плата (на верхнем снимке – сервер QS22), совокупность циркуляции воды, обогрев строения. Кстати, в новой схеме водяное охлаждение взяли не только процессоры, но и чипы памяти и другие критические элементы сервера (иллюстрации IBM, IBM Research – Zurich, ETH Zurich).
Разработка охлаждения «Аквазара» масштабируется до автомобилей петафлопного класса. Но для IBM это лишь исследовательский полигон. Опробования компьютера окажут помощь учёным и инженерам в разработке ещё более «уплотнённых» автомобилей.
Врач Бруно Мишель (Bruno Michel), руководящий в IBM Research — Zurich изучениями по совокупностям охлаждения чипов, один из основных авторов «Аквазара», говорит: «Мы планируем, что за 10-15 лет сможем утрамбовать такую совокупность в кубик сахара».
Обогревая помещения (3) тёплой водой от компьютеров (1), пресловутый углеродный след дата-суперкомпьютерных центров и центров возможно сократить на 85%, – утверждают разработчики «Аквазара». 2 – промежуточный теплообменник (иллюстрация IBM Research – Zurich).
Дабы достигнуть уровня «кубика сахара», IBM собирается создать чипы, в которых сходу пара процессоров сложены один на другой фактически без зазора. Между такими схемами будут проложены разветвлённые сети водяных каналов толщиной с человеческий волос.
Столь плотная упаковка примет решение сходу пара неприятностей: радикально сократится расстояние между чипами, что благотворно скажется на скорости вычислений, уменьшится протяженность соединений (будет ниже энергопотребление), неспециализированный размер компьютера окажется скромнее.
Данный подход, собственного рода третье измерение для закона Мура, IBM уже апробирует в собственных лабораториях. Несколько лет назад она сумела организовать охлаждение трёхмерного чипа, а позднее выстроила сэндвич из четырёх процессоров. С этими устройствами компания собирается отработать узкие каналы для подвода воды, а ещё вертикальные электрические связи между слоями схем (они должны быть водонепроницаемы).
От идеи многослойных процессоров (слева вверху) к первым прототипам (на снимках): IBM уверен в том, что водяное охлаждение схем не сообщило собственного окончательного слова.В будущем возможно испытать в роли теплоносителя смесь воды и микрокапелек масла (аналог кровяных клеток и плазмы крови). Для понижения насосных потерь и жидкостного трения поверхности микроканалов возможно сделать гидрофобными…
В общем, тут ещё поле непаханое для изучений (иллюстрации IBM Research – Zurich).
Компьютер для того чтобы рода обязан появляться стремительным, компактным и «зелёным». Последнему событию обрадуются не только экологи. «В будущем компьютеры будут господствовать сообразно энергетическим затратам — работа дата-центра будет обходиться дороже, чем его постройка», — прогнозирует Мишель.
Фактически, уже на данный момент обладатели замечательных конгломератов компьютеров чувствуют на собственных кошельках, сколь много стоит подпитывать «прогресс» из розетки. По оценке аналитической компании IDC, в прошедшем сезоне дата-центры Почвы «сожгли» 330 тераватт-часов либо приблизительно два процента от всемирный выработки электричества.
