Горячие вычисления: Ученые MIT предложили использовать тепло для обработки данных
Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) опубликовали доказательство концепции новых аналоговых вычислительных компонентов, которые позволят электронным устройствам обрабатывать данные, используя выделяемое ими тепло.
В исследовании, опубликованном 29 января в журнале Physical Review Applied, исследователи описали микроскопические кремниевые структуры, которые точно контролируют распределение тепла по поверхности чипа.
Эти структуры, полностью пассивные и не содержащие электроники, используют естественные законы теплопроводности для перераспределения тепловой энергии к точкам, где она может быть закодирована как данные.
Данный подход представляет собой форму аналоговых вычислений, в которых для обработки информации используются непрерывные физические величины — в данном случае температура и поток тепла — вместо двоичных 1 и 0.
Эта техника может применяться для обнаружения источников тепла и измерения изменений температуры в электронике без увеличения энергопотребления. Это также позволит отказаться от множества датчиков температуры, занимающих место на чипе, пояснили исследователи.
При условии, что конструкцию можно будет масштабировать, команда надеется, что однажды ее удастся встроить в микроэлектронные системы, чтобы сделать более энергоэффективными задачи с высокими вычислительными нагрузками, например, рабочие нагрузки искусственного интеллекта (ИИ).
«В большинстве случаев, когда вы выполняете вычисления в электронном устройстве, тепло является побочным продуктом. Вы часто хотите избавиться от как можно большего количества тепла. Но здесь мы применили противоположный подход, используя само тепло как форму информации и показывая, что вычисления с помощью тепла возможны», — заявил в своем сообщении ведущий автор исследования Кайо Силва, студент-физик MIT.
Работа основана на исследованиях MIT 2022 года, посвященных разработке наноструктурированных материалов, способных управлять тепловым потоком.
Горячий чип
Когда тепло течет через кремний от более горячих областей к более холодным, внутренняя геометрия структур определяет, сколько тепла достигает каждой выходной точки.
Тепловую мощность в этих точках можно измерить и преобразовать в стандартный электрический сигнал с помощью обычных встроенных датчиков. Полученный сигнал затем может обрабатываться другими частями системы, объяснили ученые.
В ходе моделирования структуры выполняли простое умножение матриц с точностью более 99%, сообщила команда в исследовании.
Умножение матриц лежит в основе многих задач машинного обучения и обработки сигналов, хотя исследователи отметили, что для масштабирования этого подхода до больших языковых моделей (LLM) потребуется совместная работа миллионов связанных кремниевых структур.
В дальнейшем команда намерена изучить применение технологии в управлении тепловыми режимами, обнаружении источников тепла и мониторинге градиентов температуры в микроэлектронике. Новые структуры могли бы предотвращать повреждение чипов без необходимости в дополнительном питании.
Соавтор исследования Джузеппе Романо, научный сотрудник Института солдатских нанотехнологий MIT, добавил: «Мы могли бы напрямую обнаруживать такие источники тепла с помощью этих структур и просто подключать их без необходимости в каких-либо цифровых компонентах».
Хотя технология пока находится на ранней стадии, ее потенциальное влияние на индустрию полупроводников огромно. Современные процессоры сталкиваются с проблемой «кремниевого потолка» — физического предела миниатюризации транзисторов и роста их плотности, что неизбежно ведет к перегреву. Подход MIT предлагает элегантное решение: не бороться с выделением тепла, а сделать его частью вычислительного процесса. В будущем это может привести к появлению гибридных чипов, где электрические сигналы будут отвечать за логику и переключение, а тепловые потоки — за параллельную обработку больших массивов данных, что особенно актуально для систем ИИ. Это открывает путь к созданию сверхплотных вычислительных систем, где традиционная электроника работает в тандеме с пассивными тепловыми схемами, снижая общее энергопотребление и повышая эффективность.
