該技術將廢熱轉(zhuǎn)化為計算過程的功能組成部分。

美國科學家研發(fā)出一種微型硅芯片，可利用電子設備中的廢熱執(zhí)行數(shù)學運算，有望革新高效熱能傳感與信號處理技術。該設備由麻省理工學院士兵納米技術研究所研究員朱塞佩·羅馬諾博士及其團隊開發(fā)，引入了一種新穎的模擬計算技術——以廢熱作為數(shù)據(jù)處理媒介。

與依賴數(shù)字比特或基于電壓的邏輯不同，該技術將輸入數(shù)據(jù)編碼為精確的溫度值。這些熱信號隨后流經(jīng)特殊設計的多孔硅結(jié)構(gòu)，最終的熱量分布即代表計算結(jié)果。研究人員指出，計算結(jié)果的最終表現(xiàn)形式為結(jié)構(gòu)輸出端收集的熱能總量（該輸出端溫度保持恒定）。

重新思考廢棄能源

團隊利用該結(jié)構(gòu)演示了矩陣矢量乘法運算，精確度超過99%。矩陣乘法是機器學習模型（如大語言模型）用于數(shù)據(jù)處理和預測的基礎數(shù)學方法。盡管將該技術擴展應用于現(xiàn)代深度學習模型仍面臨挑戰(zhàn)，但它能以零額外能耗檢測熱源并追蹤電子設備的溫度變化，甚至可替代多個芯片溫度傳感器。

“電子設備進行計算時，熱量通常只是廢棄物，”該研究的第一作者、麻省理工學院本科生物理學生卡約·席爾瓦表示。他補充說：“我們常希望盡可能消除熱量，但團隊反其道而行，將熱量本身視為信息載體，證明了利用熱量進行計算的可能性?！?/p>

從熱能到數(shù)學運算

團隊為此項目開發(fā)了新型軟件系統(tǒng)，可設計具有特定導熱特性的材料。該系統(tǒng)采用名為“逆向設計”的反向推導技術：科學家先定義目標功能，再通過算法迭代設計最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)。借助該系統(tǒng)，團隊設計了復雜的硅結(jié)構(gòu)（每個約塵粒大小），能通過熱傳導執(zhí)行計算——這是一種利用連續(xù)值編碼處理數(shù)據(jù)的模擬計算形式。

研究人員輸入定義計算的矩陣后，軟件通過網(wǎng)格設計多孔矩形硅結(jié)構(gòu)，逐像素調(diào)整直至實現(xiàn)目標功能。熱量在硅結(jié)構(gòu)中流動時完成矩陣乘法運算，結(jié)構(gòu)形狀則編碼系數(shù)信息?！斑@些結(jié)構(gòu)過于復雜，僅憑直覺無法設計，”羅馬諾解釋道，“我們需要教會計算機進行設計，這正是逆向設計的強大之處?！?/p>

但受限于熱傳導特性，該結(jié)構(gòu)僅能編碼正系數(shù)。團隊通過將目標矩陣拆分為正負分量分別處理再合并結(jié)果，成功解決了這一難題。通過模擬測試，這些結(jié)構(gòu)在2-3列的簡單矩陣運算中展現(xiàn)出超過99%的精確度，此類矩陣在融合傳感與微電子領域具有應用價值。

挑戰(zhàn)與前景

盡管該技術擴展至深度學習等大型應用仍面臨挑戰(zhàn)（需將數(shù)百萬結(jié)構(gòu)拼接），但由于其直接利用過剩熱量，可在微電子領域直接應用于熱管理、熱源檢測及溫度梯度探測等任務?！叭粼诓粦嬖跓嵩吹膮^(qū)域出現(xiàn)局部熱源，就意味著存在問題，”羅馬諾在新聞稿中總結(jié)道，“我們可以用這些結(jié)構(gòu)直接檢測此類熱源，無需任何數(shù)字組件即可直接接入系統(tǒng)?！?/p>

該研究已發(fā)表于《物理評論應用》期刊。

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