在計算領域，硬件製造商一直在尋找新的方法讓芯片保持在較低溫度下運行，這可以讓相同的芯片在獲得更高性能的同時消耗更少能量和產生更少的熱量。雖然保持筆記本電腦或台式電腦冷卻沒有帶來挑戰，但冷卻數據中心和超級計算機等大型系統則十分困難。

TechRadar Pro與Rambus的首席科學家Craig Hampel進行了交談，了解有關冷計算以及研究人員如何使用這種技術。

什麼是冷計算？

通常來說，冷計算是降低計算系統的運行溫度以提高計算效率，能量效率或密度。在低溫下運行計算系統時，會產生最顯著的影響。這個低溫到底是多少？傳統的處理器和基於內存的數據中心在遠高於室溫的溫度下運行，大約295k（21 C），但Rambus正在尋找77K（- 250 C）的液氮運行存儲系統。

過去的幾十年，計算和存儲系統的性能和能效有巨大的改進。隨著雲計算、移動設備和數據量的增長，對大型數據中心和超級計算機的需求也不斷增長。

然而，正如智能高級研究項目（IARPA）所述，大規模計算系統和數據中心的耗電和冷卻正變得越來越難以管理。傳統基於CMOS器件和普通金屬互連的計算系統努力通過集成更高密度的晶體管滿足不斷增長的計算需求。

從歷史上看，Dennard縮放（登納德縮放比例定律，也稱MOSFET縮放）已經讓存儲器和計算系統實現了更高密集和更節能，但Dennard縮放比例已經大大減緩。這就是冷計算可以產生重大影響的地方，使系統能夠通過降低系統溫度來構建功耗更低，成本更低的高性能計算機。

冷計算是個新概念嗎？

實際上，幾十年來冷計算一直受到關注，其中一個例子是20世紀90年代IBM的一個團隊（包括當時在IBM工作的Gary Bronner）就有相關研究，雖然這項研究顯示出冷計算的巨大潛力，但當時CMOS縮放明顯能夠跟上行業的要求。

在這項研究中，Bronner和他的同事發現低溫DRAM的運行速度是傳統DRAM的三倍。

從那以後，冷計算研究不斷發展，也有很多圍繞量子計算機的討論，這是冷計算的極端。然而，大多數量子設備需要靠近它們的糾錯處理器，因此在量子計算機投入使用之前，可能需要在77K和4K（-195C）之間運行的設備。

誰在推動冷計算？

目前，有許多圍繞冷計算和冷存儲以及量子計算的研究項目。這些研究顯示了高速系統的巨大進步，能夠以更高的能效處理和分析大量數據。

Rambus正在開展與DRAM和內存系統相關的工作，通常會提出質疑的公司也支持相關研究，包括英特、IBM、谷歌和微軟。世界各國政府都在研究這個問題，在美國，IARPA正致力於一項名為“低溫計算複雜性（C3）”的計劃，該計劃旨在將超導計算作為耗電問題的長期解決方案，也能用傳統CMOS提供高性能計算（HPC）。

目前，冷卻運行的一個實際例子是微軟的Project Natick，其中一部分數據中心安裝在蘇格蘭奧克尼群島的海岸附近的水下。這是許多尋找提高處理能力的方案中的第一個，能以較低的成本有效和可持續地為數據中心供電。

然而，這只是可以看到的部分。Rambus目前正與微軟合作構建內存系統，作為他們量子計算機的一部分。由於量子處理器必須在低溫（低於93.15k（-180°C））下工作，Rambus正在研究各種優化存儲器接口和DRAM的方法，包括在低溫下有效通信的信號接口。

冷計算能帶來哪些提升？

對更密集和更節能計算的需求意味著需要超越傳統半導體的低溫運行，包括超導體和量子力學。由於摩爾定律已經放緩，室溫下的傳統數據中心正變得過時，冷計算可能會以指數方提升計算能力，讓超導和量子計算成為未來的超級計算機和HPC。

冷計算是否會增加功耗和成本？

在77k的溫度，我們相信可以將DRAM工作電壓降至0.4到0.6V，這意味著功耗會顯著降低，同時，在這個溫度和電壓下，漏電壓也會消失，我們希望內存性能和功耗的縮放可以再維持4-10年。然而，與傳統的空氣冷卻系統相比，冷計算的冷卻系統將變得更加昂貴並且需要更多的電力來維持溫度和散熱。因此，優化該系統並實現總功耗降低是一項典型的工程權衡。Bronner相信，優化該冷計算系統之後可以實現兩個數量級的能量節省。

冷計算變得實用需要克服哪些挑戰？

要使電路在低溫下工作，在技術變得實用之前還需要更多的工程工作。在77k的溫度下，數字轉換可以很好地運行，但模擬功能不再像以前那樣工作。因此，電路的模擬和信號混合部分可能需要重新設計，以便在低溫下工作。

目前，使用超導的邏輯功能開發還處於早期階段。雖然正在進行重要的研究，但仍有許多工作要做。有個好消息是，一旦定義了一組標準的邏輯功能，轉換處理器架構和運行的軟件應該相當簡單。

最終，冷計算是通向量子計算的橋樑。但即便如此，量子計算硬件和編程仍有巨大挑戰。致力於這些項目研究的公司正在匯集全球最聰明的量子物理學家和計算機架構師，以應對這些挑戰。即使擁有世界上最好的人才，在這些挑戰在取得實質性進展後才能證明其潛力。證明量子計算在執行特定任務方面比傳統方法更好被稱為“量子霸權”，不過尚未實現。

冷計算什麼時候實現？

目前還沒有可以匹配量子計算的低溫存儲技術。潛在的存儲器技術還處於開發的早期階段，它們需要數年才能達到當前半導體存儲器每比特成本和容量的水平。針對低溫溫度優化傳統CMOS和傳統DRAM來彌補超導和量子計算的差距也成為必要。

我們目前正在構建77K內存系統的原型，經過不斷的測試和優化，Bronner相信可以在三到五年的時間內上市。