Специалисты из Массачусетского технологического института (MIT, США) разработали кремниевые микросхемы, которые способны использовать избыточное тепло для проведения математических расчетов с точностью, превышающей 99 процентов. Технология, созданная исследовательской группой под руководством Джузеппе Романо, предлагает рассматривать тепловую энергию не как нежелательный побочный эффект, а как функциональный информационный носитель, что может привести к появлению совершенно новых подходов к энергосберегающим вычислениям.
Представленное устройство – это аналоговый вычислитель, использующий теплопроводность. Вместо привычных цифровых битов или логических схем, основанных на напряжении, информация кодируется в виде определенных температур. Эти тепловые «данные» перемещаются через специально созданные пористые микроструктуры из кремния, размеры которых сопоставимы с частицами пыли. Результат вычисления определяется распределением тепла и объемом тепловой энергии на выходе структуры.
Чтобы сформировать столь сложную геометрию этих конструкций, ученые использовали метод обратного проектирования. Они определяли требуемую математическую функцию, а затем, с помощью алгоритмов и разработанного ими программного обеспечения, последовательно находили наиболее подходящую форму материала, которая могла бы решать поставленную задачу посредством передачи тепла. В качестве основного испытания система продемонстрировала успешное выполнение операции умножения матрицы на вектор – базового математического принципа, лежащего в основе работы современных моделей машинного обучения, в том числе и больших языковых моделей.
Существенной трудностью являлось то, что физические свойства теплопроводности накладывали ограничение: структура могла отражать только положительные значения в матрице. Разработчики нашли решение, разделив целевую матрицу на компоненты с положительными и отрицательными значениями, обрабатывая их независимо и затем объединяя полученные данные. В ходе моделирования с матрицами, содержащими небольшое количество столбцов – от двух до трёх – точность вычислений превысила 99%.
Несмотря на то, что увеличение производительности технологии для решения сложных задач современного глубокого обучения, требующих интеграции миллионов подобных структур, остаётся задачей будущего, она уже демонстрирует свою практическую значимость. Эти чипы способны обеспечивать точное определение источников тепла и отслеживание температурных градиентов непосредственно в микроэлектронных устройствах, при этом не требуя дополнительных затрат энергии и заменяя несколько датчиков температуры. Это открывает возможности для разработки инновационных решений в области управления тепловыми потоками и диагностики электронных компонентов.
Исследование было в научном журнале Physical Review Applied.