如何讓芯片用自己的廢熱完成計算？精度還有99%
發布日期:2026-03-11
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在微電子領域，熱量向來是工程師們的“頭號敵人”。芯片運行產生的廢熱不僅會降低性能，更可能引發設備故障。但麻省理工學院（MIT）的一支研究團隊卻反其道而行之——他們將廢熱轉化為計算動力，設計出一種通過熱傳導實現矩陣運算的硅基結構，為低功耗計算開辟了全新路徑。
在這種計算方法中，他們設計出一種微米級的硅結構，通過精確控制熱流的擴散路徑來完成計算任務。具體而言，輸入數據被編碼為一組溫度值，熱量在結構中傳導的過程對應著矩陣乘法的計算，而輸出則由另一端收集的功率來表示。研究團隊在《Physical Review Applied》上發表的論文顯示，這些結構在進行矩陣向量乘法時能夠達到超過99%的精度。
實現這一突破的關鍵在于所謂的“逆向設計”方法。研究人員并非憑直覺去構造幾何形狀，而是先定義所需的數學功能，再通過算法自動生成最優的結構。最終得到的硅結構大小僅相當于一粒塵埃，內部布滿微孔，能夠以特定方式導熱。由于熱傳導的物理規律限制(熱傳導定律規定熱量總是從高溫區域流向低溫區域)，結構只能直接編碼正系數，團隊通過將矩陣拆分為正負部分并分別設計結構，再在后續階段進行結果相減，從而解決了負值計算的問題。在實驗中，他們利用這種方法對二維和三維矩陣進行了模擬測試，結果顯示在多數情況下計算精度超過99%，證明了這一思路的可行性。
盡管當前的結構在處理小規模矩陣時表現良好，但要擴展到深度學習等需要大規模矩陣運算的場景，就必須將數百萬個這樣的結構拼接在一起，這在工藝和設計上都存在巨大挑戰。此外，隨著矩陣復雜度增加，輸入輸出端之間的距離拉大，計算精度會下降，帶寬也受到限制，這些問題都需要進一步解決。
不過，研究人員認為在短期內，這項技術就可以直接應用于微電子系統的熱管理和溫度檢測。由于結構本身依賴余熱運行，它能夠在不增加額外能耗的情況下，實時監測芯片內部的溫度梯度，幫助發現潛在的熱源和故障點。這對于避免因熱膨脹導致的電路損壞具有重要意義。
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