Революция в вычислениях: термокремниевые структуры заменяют нынешние
Американские исследователи создали кремниевые структуры, которые могут выполнять вычисления в электронных устройствах, используя избыточное тепло вместо электричества.. Входные данные кодируются как набор температур с использованием уже имеющегося в устройстве тепла, а сам расчет основан на прохождении и распределении тепла через специально разработанный материал. Разработка потенциально позволит снизить энергопотребление в компьютерных системах.
Тепло обычно считается бесполезным побочным продуктом вычислений, от которого люди пытаются избавиться.
«Но здесь мы пошли другим путем, используя тепло как форму информации, и показали, что вычисления с использованием тепла возможны»,
объяснил Кайо Силва из Массачусетского технологического института, ведущий автор исследования.
В основе проекта лежит программа, разработанная учеными ранее. Это позволяет им автоматически проектировать материал с определенными теплопроводными свойствами. Ученые применяют его для создания сложных кремниевых структур размером с частицу пыли, способных выполнять вычисления благодаря теплопроводности, пишет MIT News.
С помощью этих структур ученые выполнили операцию умножения матрицы на вектор с точностью более 99%. Умножение матриц — это фундаментальная математическая операция, лежащая в основе работы современных моделей машинного обучения, включая большие языковые модели.
В процессе работы исследователи столкнулись с серьезным ограничением: законы теплопроводности допускают только положительные коэффициенты в матрицах, поскольку тепло всегда течет от горячего к холодному. Чтобы обойти эту проблему, они разделили целевую матрицу на положительную и отрицательную части, представляя их отдельными структурами, а затем извлекли результаты. Кроме того, они обнаружили, что изменение толщины структур может повлиять на теплопроводность и, таким образом, можно закодировать более широкий диапазон матриц.
Хотя метод еще далек от масштабирования до сложных нейронных сетей, его уже можно применять для управления температурным режимом и обнаружения локальных перегревов в микроэлектронике.
В будущем исследователи планируют создать структуры, способные выполнять последовательные операции, а также программируемые структуры, способные кодировать разные матрицы, не требуя полной перепроектировки. Это может стать важным шагом на пути к созданию принципиально новых, энергоэффективных компьютерных систем, превращающих отходящее тепло в полезный ресурс.
Разработка обещает трансформировать вычисления в средах, где традиционная электроника не работает, например, вблизи космических реакторов или в глубоких колодцах. Хотя скорость тепловых расчетов в настоящее время ниже, чем у современных процессоров, их потенциал для параллельная обработка данных в наномасштабе он огромен.
