Технологии охлаждения компьютерных систем компании KryoTech

По древнему, как микропроцессор, правилу Мура плотность размещения транзисторов в микропроцессорах, как и их производительность, возрастает вдвое каждые полтора года. Типовые размеры транзисторов уменьшаются, есть тенденция уменьшения и рабочего напряжения микропроцессоров. Но, увы, уровень потребляемой мощности и соответственно энерговыделения микросхемы растет. Специалисты компании KryoTech, специализирующаяся на охлаждении компьютерных систем, указывают, что если в 1994 году типовая мощность составляла 12 Вт, то сегодня — уже 60 Вт.

Это вполне осязаемая величина: достаточно потрогать руками зажженную электрическую лампочку, и вы получите представление о выделяемом микропроцессором тепле. Многие годы нас убеждали в необходимости переходить от ECL к КМОП, поскольку при этом резко падает энергопотребление. Сам я еще не успел забыть всех прелестей системы принудительного воздушного охлаждения ЕС1066. Установить могучую систему водяного охлаждения мэйнфрейма IBM 3081KX6 нашему институту так и не удалось. А система жидкостного охлаждения старых суперкомпьютеров Cray занимает, говорят, почти целый этаж (если пустят, сходите в Гидрометеоцентр на экскурсию).

И вот теперь, если верить прогнозам KryoTech, нам вновь грозит переход к принудительному охлаждению. И вовсе не к хилым микропроцессорным вентиляторам, а к гораздо более серьезным решениям. Всяк кулик свое болото хвалит, и уже поэтому такой прогноз для KryoTech естественен. Так или иначе, по некоторым оценкам, потребление Merced на тактовой частоте 800 МГц при 0,18-микронной технологии составило бы около 60 Вт; реальная частота же этого микропроцессора в момент выпуска в 2000 году может достичь 1 ГГц.

Не дай себе согреться

Есть еще одна серьезная причина, по которой принудительное охлаждение микропроцессоров может быть актуально уже сегодня — это производительность. КМОП-микропроцессоры работают быстрее, если их охлаждать. С уменьшением температуры возрастает проводимость медных и алюминиевых межсоединений. Соответственно удается существенно поднять тактовую частоту. Если бы удалось работать при сверхнизких температурах, то в повестке дня встал бы вопрос реального применения сверхпроводимости. Но это пока из области научной фантастики.

Сегодня достижения KryoTech позволяют получить температуру до -40?С, и, по оценкам фирмы, это дает прирост производительности КМОП-микропроцессора порядка 30-35%. KryoTech применяет самую изощренную технологию охлаждения, в которой отбор тепла происходит благодаря испарению жидкой фазы (vapor phase refrigeration). По оценкам специалистов компании, этот тип охлаждения в пять раз эффективнее обычного жидкостного и в 50 раз эффективнее принудительного воздушного охлаждения.

Типовая система охлаждения, используемая KryoTech, изображена на рисунке. В союзе с NMR Technologies и Intermagnetic General в рамках гранта агентства DARPA компания ведет работы, направленные на еще большее понижение температуры микропроцессора — до -120?С. Ожидается, что производительность микросхемы будет повышаться при этом примерно в два раза. Если же специальным образом конструировать их для работы с низкими температурами, то можно добиться еще большего эффекта.

Как поговаривают в KryoTech, не знаю уж, в шутку или всерьез, понизить температуру стоит дешевле, чем построить новую КМОП-фабрику. Можно все же рискнуть предположить, что новая фабрика даст больший прирост производительности, хотя обойдется это удовольствие «всего» в несколько миллиардов долларов.

KryoTech появилась на свет божий совсем недавно — в 1996 году. Она была образована бывшими сотрудниками NCR, работавшими над совместным проектом Cheetah с корпорацией Intel по увеличению частоты Pentium. Насколько известно, у KryoTech сегодня нет серьезных конкурентов, которые предлагали бы компьютеры с охлаждаемыми КМОП-процессорами. Кстати, несколько лет назад мне позвонил наш читатель, который изобрел эффективный способ охлаждения МП, и обратился с вопросом, кого в России это могло бы заинтересовать. Увы, тогда ничего путного я ему посоветовать не смог...

Intel, как известно, уже демонстрировала свой микропроцессор с частотой 1 ГГц, система охлаждения которого, по ее утверждению, создана не KryoTech, а другой фирмой. Каким образом производилось охлаждение, не разглашается. Высказывались гипотезы, что хладагентом был жидкий азот или оксид азота. Однако такое реально лишь в лабораторных условиях и на короткий промежуток времени.

Производительность
Сравнение производительности охлаждаемого микропроцессора K6-III и Pentium III Business
Процессор Частота СPUmark99 Winstone99
AMD K6-III 550 МГц 57,6 27,6
Pentium III 550 МГц 40,7 25,4

Охладись, а то проиграешь

Рассмотрим теперь основную предлагаемую на рынке продукцию KryoTech.

Уже в 1998 году KryoTech cовместно с Compaq/DEC выпускала компьютеры с охлаждаемым микропроцессором — KryoTech/Digital 767. Эти компьютеры базируются на рабочих станциях DEC Personal Workstation 600a, корпус которых изменен для размещения подсистемы охлаждения. Эту свою первую промышленную продукцию KryoTech назвала персональным суперкомпьютером. Вплоть до появления рабочих станций на базе процессора Alpha 21264 данная модель была, по всей видимости, самой мощной однопроцессорной рабочей станцией в мире.

Для 767-й модели, получившей свое название из достигнутой тактовой частоты процессора Alpha 21164 — 767 МГц вместо исходных 600 МГц, — оценки производительности SPECint95/fp95 составили 23,5/25,5 cоответственно. При этом используется внешний кэш третьего уровня емкостью 4 Мбайт. Рабочая станция комплектуется оперативной памятью SDRAM с поддержкой кодов ECC и жестким диском UltraWide SCSI емкостью до 18,2 Гбайт.

В комплект поставки входит 19-дюймовый монитор, графическая подсистема DEC PowerStorm 4D10T c 8 Мбайт памяти SGRAM, CD-ROM с 32-кратной скоростью. Возможно использование как Windows NT, так и Digital Unix (так тогда еще называлась ОС Tru64 Unix). Стоимость системы — 10-20 тыс. долл. — для рабочей станции такого уровня производительности не слишком велика. KryoTech сообщила, что она планирует выпустить охлаждаемые системы на базе новых поколений процессора Alpha — EV6 и EV67.

Другой коммерческий продукт, Сool K6-III, сделанный компанией совместно с AMD, включает процессор К6-III c тактовой частотой 550 МГц (охлаждается и микропроцессор, и кэш второго уровня емкостью 256 Кбайт). Этот продукт сертифицирован для операционных систем Windows 9x/NT. Стоимость компьютера в базовой конфигурации составляет 1250 долл. Как следует из таблицы, при одинаковой тактовой частоте K6-III по производительности обгоняет Pentium III.

KryoTech сообщила также о планах разгона до более высоких тактовых частот процессора К6-III/475 МГц. A 29 апреля этого года KryoTech и AMD продемонстрировали компьютер Super-G, в котором использовался охлаждаемый процессор AMD Athlon (рабочее название K7) и внешний кэш с частотой 1 ГГц. Этот процессор, производимый по 0,25-микронной технологии на известной фабрике в Аустине (штат Техас), в «нормальных условиях» имеет частоты до 600 МГц. При равных тактовых частотах Athlon, вероятно, будет обгонять Pentium III по производительности, в том числе с плавающей запятой. О стоимости Super-G пока ничего не известно.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что благодаря предлагаемому KryoTech охлаждению микросхем можно создавать однопроцессорные компьютеры с рекордной в своем классе производительностью.


Схема охлаждения компьютера
KryoTech/Digital 767

Кроме того, для любителей разгонять частоту процессоров Intel x86 KryoTech предлагает специальные средства Renegade, поддерживающие температуру микропроцессора на уровне не выше 27?С. Эти средства могут работать с разъемами Socket 7, Socket 370 и Slot1. Кроме того, возможна индикация температуры на ЖК-панели и поддержка принудительного выключения компьютера при повышении температуры.

Несомненно, достижение высоких тактовых частот путем охлаждения процессора является также хорошей рекламой самому процессору. Однако за понижение температуры приходится платить. Вопрос в том, когда эта плата для покупателя оправданна. Вероятно, соотношение стоимость/производительность компьютера при подобном охлаждении процессора может ухудшиться. Остаются применения, в которых собственно производительность важнее.

Кроме принудительного охлаждения, производительность можно поднять, естественно, путем применения более мощных процессоров или за счет перехода к многопроцессорным системам. Скажем, двухпроцессорные ПК с процессорами Intel x86 стоят cегодня достаточно дешево. Естественно, речь идет о серьезных приложениях, требующих больших процессорных ресурсов. Поэтому не совсем понятно, зачем, скажем, приобретать более дорогой ПК с охлаждаемым микропроцессором, производительность которого на 30% больше обычного. Не лучше ли купить двухпроцессорный ПК? Если же приложение не распараллелено, то это, вероятно, плохо сделанное приложение. Учитывая, что производительность новых процессоров растет очень быстро, 30-процентного прироста ее можно дождаться «естественным путем», сделав модернизацию процессора. Возможно, поэтому представители Intel в Москве достаточно «прохладно» отозвались о перспективах технологии охлаждения KryoTech.

Иное дело, если повысить тактовую частоту и соответственно производительность процессора удается действительно существенно, скажем, в два раза. Не знаю, имеет ли это место в Super-G с процессором Athlon. Другой пример — когда исходная рабочая станция уже достаточно дорога (например, на базе RISC-процессора), и дополнительное охлаждение не сказывается существенно на ее цене, позволяя, однако, поднять производительность. Как бы то ни было, ясно, что микропроцессоры, как и пиво, должны быть холодными. Чао!

Перегревшийся без принудительного охлаждения обозреватель Computerworld Россия Михаил Кузьминский — старший научный сотрудник Центра компьютерного обеспечения Института химических исследований РАН. С ним можно связаться по телефону (095) 135-6388.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями