該技術將廢熱轉化為計算過程的功能組成部分。
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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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