麻省理工學院新型熱能驅動硅芯片實現數學計算99%精確度

該技術將廢熱轉化為計算過程的功能組成部分。

美國科學家研發出一種微型硅芯片，可利用電子設備中的廢熱執行數學運算，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，引入了一種新穎的模擬計算技術——以廢熱作為數據處理媒介。

與依賴數字比特或基于電壓的邏輯不同，該技術將輸入數據編碼為精確的溫度值。這些熱信號隨后流經特殊設計的多孔硅結構，最終的熱量分布即代表計算結果。研究人員指出，計算結果的最終表現形式為結構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

團隊利用該結構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）用于數據處理和預測的基礎數學方法。盡管將該技術擴展應用于現代深度學習模型仍面臨挑戰，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。”

從熱能到數學運算

團隊為此項目開發了新型軟件系統，可設計具有特定導熱特性的材料。該系統采用名為“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幾何結構。借助該系統，團隊設計了復雜的硅結構（每個約塵粒大小），能通過熱傳導執行計算——這是一種利用連續值編碼處理數據的模擬計算形式。

研究人員輸入定義計算的矩陣后，軟件通過網格設計多孔矩形硅結構，逐像素調整直至實現目標功能。熱量在硅結構中流動時完成矩陣乘法運算，結構形狀則編碼系數信息。“這些結構過于復雜，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。”

但受限于熱傳導特性，該結構僅能編碼正系數。團隊通過將目標矩陣拆分為正負分量分別處理再合并結果，成功解決了這一難題。通過模擬測試，這些結構在2-3列的簡單矩陣運算中展現出超過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（需將數百萬結構拼接），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。“若在不應存在熱源的區域出現局部熱源，就意味著存在問題，”羅馬諾在新聞稿中總結道，“我們可以用這些結構直接檢測此類熱源，無需任何數字組件即可直接接入系統。”

該研究已發表于《物理評論應用》期刊。

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