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薛偉傑:華為傳研多層堆疊處理器 可行性成疑

【明報專訊】華為還未找到方法解決晶片供應問題。據報道,雖然高通(QCOM)近期獲得美國政府批准,有限度地恢復向華為供貨,但都只是4G手機處理器,華為在5G手機處理器方面仍然被完全「封死」。

因此,內地6月底傳出一個奇聞,指華為旗下海思半導體正在研究,將兩枚14納米製程晶片垂直堆疊,形成一種特別設計的晶片,並指性能可以媲美7納米製程晶片,耗電和散熱問題也可以解決云云。

傳聞在網上引來不少爭論。個人傾向認為,處理器要採用多層堆疊設計,並沒有這麼簡單,否則,Intel(INTC)、AMD(AMD)、ARM(ARM)等早已採用這種設計。尤其是Intel,不用被外界批評其處理器性能提升如唧牙膏,追不上《摩爾定律(Moore's law)》所說的每18個月性能提升1倍。

首先,晶片採用多層堆疊設計來提高性能,並非全新概念。不過真正成功商業化應用的,主要是提高記憶體容量,尤其是NAND Flash快閃記憶體。

多層堆疊主要只用於記憶體

例如,美國最大記憶體生產商Micron(MU)在去年11月就宣布,開始量產全球首批176層堆疊設計的NAND Flash快閃記憶體。SK Hynix亦在去年12月宣布,完成176層堆疊設計的NAND Flash快閃記憶體開發工作。三星電子則計劃,在今年發表第7代V-NAND快閃記憶體,理論上最多可達到256層堆疊;甚至內地最大記憶體生產商長江存儲,據報現時也有能力生產64層和128層堆疊的3D NAND快閃記憶體。

接着的問題是,為何直至目前,中央處理器(CPU)和圖像處理器(GPU)仍然普遍採用單層設計,連三幾層甚至兩層堆疊設計也沒有真正採用呢?

半導體業內人士指出,記憶體晶片和處理器設計有很大分別,主要是前者的結構簡單得多。而記憶體晶片的操作也只限讀取、寫入、刪除等。即使採用多層堆疊設計,也只是好像多層停車場般,每層設計一模一樣,層與層之間的連接也很簡單。

此外,記憶體晶片運作時,是各部分獨立工作,並沒有多少邏輯關聯。而且,還往往只有一小部分真正進行讀取、寫入、刪除等工作,絕大部分都並非處於工作狀態。所以,其所需功率和耗電都很低。

若用於處理器 需有新散熱方法

但處理器卻不同,內部結構複雜得多,包括整數運算單元、浮點運算單元,也有用於暫存資料的記憶體(cache)。而且,各單元多是同時工作,高度關聯。若採用多層堆疊設計,層與層之間如何連接也比較複雜。

最難解決的,還是其內部散熱問題。因為現時散熱技術設計只能將處理器表面的熱量帶走。若處理器採用多層堆疊設計,內層將無法有效散熱。就算只是採用兩層設計,下層也必須以較低的時脈運作。除非有晶片內散熱系統。

其實,由2013年開始,美國普渡大學(Purdue University)的研究人員,就在美國國防部高等研究計劃署(DARPA)的撥款資助下,開始研究一種利用雪種流過晶片內部錯綜複雜的微通道,讓雪種在微通道內沸騰,從而迅速將晶片內部的熱量帶走,以冷卻採用多層堆疊設計的晶片。

微通道冷卻數年內不太可能實際應用

這種設計稱為「晶片內微冷卻裝置」(Intrachip Micro-cooling System)。2017年10月12日,其研究成果曾在國際期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》發表。

微通道冷卻並不是一個全新的想法,但以往只是流過附加在晶片表面的金屬裝置(Heat Sink)。普渡大學的突破是,使用很多窄得多的微通道(寬度只有10至15微米),而且是流過晶片內部。

之不過,這種散熱系統非常奇特,晶片內也要設計有很多微通道供雪種通過。筆者相信,三數年內也不太可能應用在消費產品上,尤其是纖薄的手機、平板電腦、手提電腦等的處理器;應用在超級電腦、伺服器、桌面電腦的處理器,還有一點可能。

明報記者 薛偉傑

[薛偉傑 科技觀潮]

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