Elektroniczna krew popłynie w komputerach

W niewielkim laboratorium dr Patrick Ruch zasłania oczy plastikowymi okularami ochronnymi. Dłońmi w lateksowych rękawiczkach odkręca dwa krany. Cienkimi rurkami różnokolorowe płyny są tłoczone do strzykawek z elektrodami. Coś brzęczy i wibruje, a ja zastanawiam się, po co mu te okulary.

Na szczęście naukowiec szybko opuszcza szybę oddzielającą nas od plątaniny przewodów opasujących szklane pojemniki i strzykawki. Gdzieś tam w środku jest jeszcze miniaturowy układ elektroniczny. Niezwykły, bo zasilany cieczą tłoczoną do jego wnętrza. Zaczynają działać motorki strzykawek. Rurki wypełniają się kolorowymi płynami. Coś kapie do pojemnika z napisem „Odpady".

– W ten sposób możemy zasilać układy elektroniczne, które w przyszłości trafią do superkomputerów – patrzy na mnie z triumfem w oczach dr Ruch. – Energia jest przechowywana w płynie, który dostarcza zasilanie bezpośrednio do wnętrza układu. Działa trochę jak krew.

Nie mam wcale pewności, że to wszystko działa, ale wierzę mu na słowo. Tak inżynierowie z laboratoriów IBM Research pod Zurychem wyobrażają sobie przyszłość komputerów.

O myszach i słoniach

Pomysł wykorzystania płynu do zasilania komputerów jest pochodną innej koncepcji – chłodzenia cieczą. Problem chłodzenia jest – wbrew pozorom – poważnym ograniczeniem dla superkomputerów. Zużycie energii rośnie błyskawicznie, a koszty z tym związane hamują zwiększanie mocy obliczeniowej.

– Upraszczając – cały przemysł zużywa energię za 30 mld dolarów i daje nam w zamian gorące powietrze – uśmiecha się dr Bruno Michel, w którego zespole pracuje Patrick Ruch. – Zmienia się nasze podejście do komputerów. Koszty ich utrzymania znacznie przekraczają koszty zakupu całego systemu. Zaczyna się liczyć nie wydajność, ale efektywność urządzenia.

Według specjalistów z IBM Research wzorowanie się na biologii jest jedyną szansą na dalsze zwiększanie możliwości maszyn. Przypominają o prawie Moore'a, które mówi, że liczba tranzystorów w układach scalonych podwaja się co mniej więcej 24 miesiące. Ale – uważa dr Michel – od początku obecnego stulecia efektywność takich układów maleje. Chociaż układy scalone są dalej miniaturyzowane, cały system robi się coraz większy, bo potrzebne są wydajniejsze radiatory zapewniające chłodzenie coraz bardziej prądożernego urządzenia.

Powiedzmy, że przy użyciu dzisiejszej technologii chcemy zbudować superkomputer o mocy 1 zettaflopsa – wykonywałby tryliard (1 z 21 zerami) operacji na sekundę. Byłby 300 tys. razy szybszy niż dzisiejsze urządzenia. Ale taka maszyna zużywałaby tyle energii, ile produkują wszystkie elektrownie świata.

– Oczywiście wszyscy podziwiamy oprogramowanie i superkomputer Watson, który wygrał z ludzkimi mistrzami w teleturnieju Jeopardy! Ale szczerze mówiąc, konkurencja była nieuczciwa. Komputer zużywał 87 kilowatów, a ludzki mózg 20 watów – mówi dr Michel.

Aby lepiej zilustrować problem, inżynier porównuje zużycie energii i wydajność myszy ważącej 10 g i 10-tonowego słonia. – Słoń waży tyle, ile milion myszy, ale zużywa 30 razy mniej energii niż one i potrafi zrobić rzeczy, których milion myszy nie dałoby rady wykonać – tłumaczy dr Michel.

Obliczy i ogrzeje

Jak to przełożyć na język techniki? Według dyrektora IBM Research Matthiasa Kaiserwertha zamiast tworzyć płaskie układy scalone, trzeba podzespoły układać w trójwymiarowe struktury. Dziś takie a nie inne rozłożenie podzespołów jest podyktowane właśnie koniecznością efektywnego chłodzenia.

– To jak różnica między parterowymi budynkami rozrzuconymi na dużym obszarze a drapaczami chmur – mówi Kaiserwerth. – Skracamy dzięki temu odległości i przyspieszamy komunikację.

– W komputerach tranzystory zajmują tylko jedną milionową część objętości. Wszystko inne idzie na komunikację, zasilanie i chłodzenie – ponad 99 proc. objętości. Ludzki mózg jest zbudowany inaczej. Neurony zajmują 40 proc. – dodaje Michel.

Jak jednak zapewnić chłodzenie układom ułożonym w „drapacz chmur"? Naukowcy IBM mają odpowiedź – chłodzenie cieczą. A konkretnie wodą.

Tylko na pierwszy rzut oka woda i układy scalone nie pasują do siebie. Dr Michel prowadzi do swojej pracowni, w której ma gotowe modele komputerów chłodzonych wodą. Przez miniaturowe układy scalone przebiegają cieniutkie rurki. Gdy wstrzykuje w nie wodę strzykawką, nad modelem układu pojawia się mgiełka.

To tylko demonstracja. W szafce obok stoi prawdziwy komputer chłodzony wodą – tak, jest nawet podłączony do kranu. Naukowcy wykorzystują go do prowadzenia obliczeń. Ten sam pomysł już został wdrożony. SuperMUC to superkomputer w Liebniz-Rechenzentrum pod Monachium skonstruowany dzięki inżynierom IBM. Do chłodzenia podzespołów wykorzystywana jest woda. Odebrane przez nią ciepło ogrzewa później budynki centrum LRZ. Całość zużywa o 40 proc. mniej energii niż porównywalne maszyny.

Fiolka z prądem

Dołożenie do tego zasilania w płynie to naturalna konsekwencja wzorowania się na biologii. W tej chwili badacze wykorzystują wanadowe baterie typu redox flow. Koncepcja jest prosta – elektrolity najpierw są ładowane elektrodami, a następnie wtłaczane do układu elektronicznego, gdzie następuje wyładowanie zasilające urządzenie.