超低功耗系統LSI有望使「掌上超級電腦」成為現實

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隨著資訊通信社會的發展，數字數據的處理量、通信量和保存量日益增大。資訊通信設備的功耗也隨之激增。作為影響地球環境問題的因素之一，這已成為了重要課題。

在這種情況下，推動資訊系統超低功耗化的各種技術革新已陸續展開。其中，慶應義塾大學理工系電子工程學專業教授黑田忠廣研究組成功地將系統LSI（積體電路）中晶片間數據通信的功耗降低到了過去的約千分之一。

       高畫質影像和3D影像的普及正在加速。如果電腦更加先進、影像內容的臨場感更強，在不久的將來，我們或許就能呆在家裏，通過虛擬空間輕鬆享受環球旅行。

       但在此之前，有一個重大問題必須予以解決。那就是降低資訊通信設備的功耗。隨著資訊通信社會的發展，數字數據的處理量、通信量和保存量正在激增，資訊通信設備的功耗也隨之直線上升。作為影響地球環境問題的因素之一，這已經成為了重大課題。

功率密度約為烹調加熱板的10倍

       在這種社會背景下，日本科學技術振興機構（JST）在2005年10月～2011年3月期間進行了針對「以資訊系統超低功耗化為目標的技術革新和整合化技術」領域的研究。以統領研究的佳能公司顧問南谷崇為中心，組成了涵蓋資訊系統各個層面的12個研究組。各組要從各個層面出發，以建立能夠使功耗減少至百分之一到千分之一的超低功耗技術為目標，進行了研發。

慶應義塾大學理工系電子工程學專業教授黑田忠廣

       其中，有一個研究組在「系統LSI（積體電路）的數據交換」這一特定領域，達成了「功耗千分之一」的目標。這就是以慶應義塾大學理工系電子工程學專業教授黑田忠廣為核心的研究組。

       高畫質影像等大容量數字數據處理之所以能夠實現，是因為作為資訊系統基礎技術的系統LSI的高性能化。系統LSI是通過提高半導體晶片的電晶體集成密度提升性能。如今1枚晶片中已經能夠集成幾十億到幾百億個電晶體。

       但是，隨著電晶體集成密度的增大，系統LSI的功耗也在激增。

       例如，現在系統LSI配備的微處理器晶片的最大功耗為100瓦/平方釐米。功率密度大約相當於烹調加熱板的10倍。因此，系統LSI的冷卻如今已經無法滿足需要。

       晶片發熱量的增加不僅會成為全球氣候變暖的因素，而且還會造成系統LSI性能的下降。降低系統LSI功耗在應對氣候變暖、提高系統LSI性能兩方面都變得愈發重要。

       因此，現在，從「2D」的晶片表面向層疊多枚晶片的「3D」擴展的動向正日趨活躍。因為疊加晶片的層數越多，單位面積電晶體的集成度越高。這樣一來，就可以在不增加1枚晶片的電晶體集成密度的情況下，進一步提升系統LSI的性能。目前，已經投入實用的晶片疊層數量最多為8枚。


晶片間通信消耗大量電能

       但此時又浮現出一個新的問題。這就是疊層晶片之間收發數據需要的功耗越來越大。

       黑田教授說：「現在，整個系統LSI用於晶片間通信的功耗約為5～10％。但是，在處理影像內容時，微處理器與存儲晶片之間頻繁地進行數據交換，因此功耗在今後很可能激增。實際上，有些系統LSI的這部分功耗已經達到了50％。」因此，黑田教授正在努力減少這一部分的功耗。

       目前，晶片間數據通信採用的是「引線鍵合」方式。

       引線鍵合是指在晶片周邊配置引線，通過使其與最底層的基板連接收發數據。也就是說，第三層晶片向第四層晶片發送數據時，需要首先發送到基板，再由基板轉發至第四層。

       這就相當於從大廈的三層前往四層時，首先從三層下到底層，再從底層乘坐電梯前往四層。

       而且，使用引線鍵合方式時，只能從晶片的周邊交換數據，存在數據通信量有限的難點。就算增加層疊的晶片，提高了性能，如果通信速度沒有提升，性能也無法得到充分發揮。

       於是，探索替代引線鍵合方式的新方式的行動展開了。

如果使用整個面進行無線通信……

       其實，從1995年以前就已開始研究不是通過周邊，而是利用晶片的整個面收發數據。這種方式叫做「矽通孔」。

       舉例來說，這種方式就是設置多部只上一層的電梯，通過換乘電梯的方式來往于各個樓層之間。換乘雖然有點麻煩，但可以格外縮短「動線」的長度。

       而且還能增加可收發的數據量、提高通信速度，並且降低功耗。但直到現在，這種方式還沒有實用化的眉目。理由是生產成本高，沒有效益。

       於是，黑田教授想出了在晶片間採用無線數據通信的方法。

     「晶片上有很多形成電路的佈線。如果使用佈線製作線圈，鋪設在晶片的面上，或許就能無線並且使用整個面進行數據通信。」


優勢在於無需擔心「串線」

       黑田教授把目光放在了「磁耦合」這一物理現象上。

       磁耦合是指2個線圈之間產生的磁場相互影響的現象，在日常生活中其實已經隨處可見。交通機構的乘車卡Suica和ICOCA內置的非接觸IC卡就是使用磁耦合進行無線通信。

       其原理如下。首先，將兩個線圈的中心對準重疊，向一側線圈通入電流。改變電流的方向，則隨之線圈周圍產生的磁場發生變化。磁場改變後，另一側的線圈將感應到磁場的變化，為抵銷其變化而產生逆向的電壓。

       使用磁耦合，把電流的流向定義成向上為0、向下為1，就可以實現數字數據的收發。此時只需在晶片內製作線圈，配置接收電路和通信電路即可。與矽通孔不同，具有追加成本少的優點。

通過使用無線技術，省去了晶片間佈線。（點擊放大）

       使用磁耦合時，不同於手機和無線LAN使用的無線通信，通信只能在非常短的距離間進行。也就是說，數據的收發只能在重疊晶片的上下兩個線圈之間進行，但這項特性也可以充分加以運用。

       這是因為，即使在整個晶片表面上鋪滿線圈，數據也只能在重疊的線圈之間傳遞，因此無需擔心「串線」。線圈直徑越小可通信距離越短的特點也非常適合於預防串線。


成功完成1000個線圈的通信實驗

       黑田教授首先使用直徑約為Suica配備線圈的百分之一，即0.1毫米的線圈進行了數據通信嘗試。

       經過反覆嘗試，黑田教授于2010年實現了1Gbps（G為10億）以上的通信速度。這相當於Suica通信速度的約1萬倍。單位數據量的平均功耗僅為過去的千分之一，1bit僅為10fJ（f為千兆分之一）。

       這意味著在相同的功耗下，通信速度達到了1000倍。1個鈕扣電池的電能可以傳輸600萬部2個小時的電影。

       而且，為了發揮不易串激的特徵，黑田教授嘗試在1枚晶片中排列1000個線圈，進行了數據通信實驗，同樣取得了成功。1000對線圈的同時通信實現了1Gb的1000倍，也就是每秒1Tb（T為1兆）的通信速度。

       另外，在層疊128枚記憶體晶片的實驗中，也確認了可以通信。1枚晶片的厚度為0.05毫米，晶片間距為0.1毫米。1枚晶片的儲存容量為64Gb，因此，製成的儲存媒體的總容量約為8Tb（T為1兆）。


有望應用於固態硬碟

       如果達到實用水準，這種方式還有望應用於替代硬碟的大容量儲存媒體——固態硬碟（SSD）。黑田教授把這種利用磁耦合無線傳輸的數據通信技術命名為「Through-Chip Interface（TCI）」。

       TCI作為能夠實現系統LSI高速化、高性能化以及超節能化的技術，正在受到全球的關注，並且得到了高度評價。有望成為新一代資訊通信社會的基礎技術。

       黑田教授的夢想是在2025年之前實現「掌上超級電腦」。他充滿信心地表示：「通過使用這項技術，運算性能達到現有超級電腦100倍的電腦將能夠縮小到手掌大小。」（《日經商務在線》特約撰稿人：山田久美） 【日經能源環境網】

http://big5.nikkeibp.com.cn/eco/m/2749-20120511.html?ref=ML&limitstart=0

2025年實現,恐怕幾年後已經成為另一個世界.