Processadores 3D são promissores, mas ainda quentes demais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/01/2010

O empilhamento dos núcleos dos processadores, formando chips 3D, pode multiplicar o desempenho desses processadores por um fator de 10. Os pesquisadoes estimam que os primeiros chips 3D serão usados nos supercomputadores em 2015, com um sistema interno de
[Imagem: Pascal Coderay]

Sistemas de aquecimento central

Até pouco tempo atrás, os processadores dos computadores eram únicos, consistindo no que hoje se poderia chamar de um único núcleo. A pressão pela otimização contínua do desempenho forçava o aumento contínuo de transistores no interior de cada um desses processadores.

Cada transistor adicional representa caminhos adicionais por onde a eletricidade passa. Como esses caminhos - fios, na verdade - sempre apresentam alguma resistência à passagem da eletricidade, juntamente com o aumento no ritmo de funcionamento dos processadores - o famoso clock - o resultado foi que, além de funcionarem como processadores, esses chips se transformaram em um excelente sistema de aquecimento central no interior dos computadores.

Os processadores com múltiplos núcleos (multicore) surgiram para resolver esse problema, colocando vários núcleos em um mesmo chip e dividindo as tarefas entre eles.

Mas, de fato, os múltiplos núcleos não resolveram o problema - eles apenas o adiaram.

Processadores 3D

Empilhar os núcleos, construindo um processador tridimensional, é um enfoque muito mais promissor.

Chips 3D não são uma ideia nova: alguns modelos foram postos à venda e outros foram anunciados. Mas ainda são chips relativamente simples - a tecnologia 3D ainda não conseguiu vencer todos os desafios para a construção de um processador de computador de última geração.

O conceito é o mesmo dos multicores, com a diferença de que os núcleos são empilhados verticalmente, em vez de colocados lado a lado, como nos processadores atuais.

A vantagem é que toda a superfície do núcleo pode ser conectada à próxima camada, através de entre 100 e 10.0000 conexões por milímetro quadrado. Mais curtas e mais numerosas, essas minúsculas interconexões prometem uma transferência de dados 10 vezes mais rápida, reduzindo o consumo de energia pelo processador e, por decorrência, sua dissipação de calor.

Dissipação tridimensional

Contudo, embora os microprocessadores 3D prometam utilizar menos energia e gerar menos calor, eles ainda vão aquecer.

É aqui que as principais vantagens transformam-se no maior empecilho. Mesmo menor, o calor dos diversos núcleos deve ser capturado e dissipado.

O problema é que os núcleos estarão uns sobre os outros. Uma nova forma de dissipação, totalmente diferente dos dissipadores e coolers atuais precisa ser desenvolvida.

A IBM já está utilizando água para refrigerar seus chips 3D e tentar resolver o problema.

O Dr. John R. Thome, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, que chefia uma equipe que reúne cientistas de vários países da Europa, e da própria IBM, está agora se preparando para os primeiros testes de um sistema de refrigeração revolucionário e promissor.

Radiador embutido

Canais com um diâmetro de 50 micrômetros são embutidos entre cada camada do chip 3D, vale dizer, entre cada um dos seus núcleos. Esses microcanais contêm um líquido de arrefecimento que sai do circuito na forma de vapor, é levado de volta ao estado líquido por um condenador e, finalmente, bombeado de volta para o processador.

Os carros utilizam esse mecanismo há mais de um século e já existem diversos sistemas de refrigeração de processadores disponíveis comercialmente que funcionam no mesmo princípio. Mas as similaridades encerram-se no próprio princípio de funcionamento.

Nos processadores 3D, o sistema de arrefecimento deve ser construído com as mesmas técnicas utilizadas para a fabricação dos próprios chips, na mesma fábrica e ao mesmo tempo. E sem interferir com o funcionamento do próprio chip e com as inúmeras interligações entre as diversas camadas por entre as quais os microcanais devem serpentear.

Sistema de refrigeração integrado

No próximo ano, o primeiro protótipo de um sistema de refrigeração que promete atender a todos esses requisitos será, pela primeira vez, implementado e testado em condições reais de operação - mas ainda sem um processador.

Como se pode deduzir, ainda vai levar alguns anos até que se possa comprar um computador equipado com um processador 3D.

Segundo o Dr. Thome, os primeiros microprocessadores 3D deverão ser instalados em supercomputadores por volta de 2015, enquanto a versão com um sistema de refrigeração integrado, como o que eles estão começando a testar, somente deverá ir ao mercado por volta de 2020.

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