Учёные MIT создали чипы, превращающие тепло в вычисления с точностью 99%
Учёные из Массачусетского технологического института (MIT, США) создали кремниевые чипы, способные использовать избыточное тепло для выполнения математических вычислений с точностью более 99 процентов. Новая технология, разработанная исследователями под руководством Джузеппе Романо, рассматривает тепловые отходы не как побочный продукт, а как функциональный носитель информации, что открывает путь к принципиально новым методам энергоэффективных вычислений.
Устройство представляет собой аналоговый вычислитель на основе теплопроводности. Вместо традиционных цифровых битов или логики на напряжении данные кодируются в виде точных температурных значений. Эти тепловые «входные данные» проходят через специально разработанные пористые микроструктуры из кремния, размер каждой из которых сравним с частицей пыли. Результат вычисления определяется распределением тепла и количеством тепловой энергии на выходе структуры.
Для создания сложнейшей геометрии этих структур исследователи применили метод обратного проектирования. Сначала они задавали желаемую математическую функцию, а затем с помощью алгоритмов и специально написанного программного обеспечения итеративно находили оптимальную форму материала, способную выполнить эту задачу за счёт теплопередачи. В качестве ключевого теста система успешно выполняла операцию умножения матрицы на вектор — фундаментальную математическую основу для работы современных моделей машинного обучения, включая большие языковые модели.
Одной из сложностей было то, что из-за физики теплопроводности структуры могли кодировать только положительные коэффициенты матрицы. Учёные обошли это ограничение, разделяя целевую матрицу на положительную и отрицательную части, обрабатывая их по отдельности и комбинируя итоговые результаты. В симуляциях с относительно простыми матрицами, имеющими от двух до трёх столбцов, точность вычислений превысила 99%.
Хотя масштабирование технологии для сложных задач современного глубокого обучения, требующих объединения миллионов таких структур, остаётся вызовом на будущее, уже сейчас она имеет практическую ценность. Такие чипы могут использоваться для точного обнаружения источников тепла и отслеживания градиентов температуры непосредственно в микроэлектронных устройствах, фактически без дополнительных энергозатрат, заменяя несколько датчиков температуры. Это открывает перспективы для новых решений в области теплового менеджмента и диагностики электроники.
Исследование было в научном журнале Physical Review Applied.