如何讓芯片用自己的廢熱完成計(jì)算？精度還有99%
發(fā)布日期:2026-03-11
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在微電子領(lǐng)域，熱量向來是工程師們的“頭號(hào)敵人”。芯片運(yùn)行產(chǎn)生的廢熱不僅會(huì)降低性能，更可能引發(fā)設(shè)備故障。但麻省理工學(xué)院（MIT）的一支研究團(tuán)隊(duì)卻反其道而行之——他們將廢熱轉(zhuǎn)化為計(jì)算動(dòng)力，設(shè)計(jì)出一種通過熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)矩陣運(yùn)算的硅基結(jié)構(gòu)，為低功耗計(jì)算開辟了全新路徑。
在這種計(jì)算方法中，他們?cè)O(shè)計(jì)出一種微米級(jí)的硅結(jié)構(gòu)，通過精確控制熱流的擴(kuò)散路徑來完成計(jì)算任務(wù)。具體而言，輸入數(shù)據(jù)被編碼為一組溫度值，熱量在結(jié)構(gòu)中傳導(dǎo)的過程對(duì)應(yīng)著矩陣乘法的計(jì)算，而輸出則由另一端收集的功率來表示。研究團(tuán)隊(duì)在《Physical Review Applied》上發(fā)表的論文顯示，這些結(jié)構(gòu)在進(jìn)行矩陣向量乘法時(shí)能夠達(dá)到超過99%的精度。
實(shí)現(xiàn)這一突破的關(guān)鍵在于所謂的“逆向設(shè)計(jì)”方法。研究人員并非憑直覺去構(gòu)造幾何形狀，而是先定義所需的數(shù)學(xué)功能，再通過算法自動(dòng)生成最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。最終得到的硅結(jié)構(gòu)大小僅相當(dāng)于一粒塵埃，內(nèi)部布滿微孔，能夠以特定方式導(dǎo)熱。由于熱傳導(dǎo)的物理規(guī)律限制(熱傳導(dǎo)定律規(guī)定熱量總是從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域)，結(jié)構(gòu)只能直接編碼正系數(shù)，團(tuán)隊(duì)通過將矩陣拆分為正負(fù)部分并分別設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，再在后續(xù)階段進(jìn)行結(jié)果相減，從而解決了負(fù)值計(jì)算的問題。在實(shí)驗(yàn)中，他們利用這種方法對(duì)二維和三維矩陣進(jìn)行了模擬測(cè)試，結(jié)果顯示在多數(shù)情況下計(jì)算精度超過99%，證明了這一思路的可行性。
盡管當(dāng)前的結(jié)構(gòu)在處理小規(guī)模矩陣時(shí)表現(xiàn)良好，但要擴(kuò)展到深度學(xué)習(xí)等需要大規(guī)模矩陣運(yùn)算的場景，就必須將數(shù)百萬個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)拼接在一起，這在工藝和設(shè)計(jì)上都存在巨大挑戰(zhàn)。此外，隨著矩陣復(fù)雜度增加，輸入輸出端之間的距離拉大，計(jì)算精度會(huì)下降，帶寬也受到限制，這些問題都需要進(jìn)一步解決。
不過，研究人員認(rèn)為在短期內(nèi)，這項(xiàng)技術(shù)就可以直接應(yīng)用于微電子系統(tǒng)的熱管理和溫度檢測(cè)。由于結(jié)構(gòu)本身依賴余熱運(yùn)行，它能夠在不增加額外能耗的情況下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片內(nèi)部的溫度梯度，幫助發(fā)現(xiàn)潛在的熱源和故障點(diǎn)。這對(duì)于避免因熱膨脹導(dǎo)致的電路損壞具有重要意義。
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