Революция в изчисленията: Термични силициеви структури заменят тока

Изследователи от САЩ създадоха силициеви структури, които могат да извършват изчисления в електронни устройства, като използват излишната топлина вместо електричество. Въвежданите данни се кодират като набор от температури, като се използва топлината, която вече е налична в устройството, докато самото изчисление се основава на потока и разпределението на топлината през специално проектиран материал. Разработката потенциално ще намали потреблението на енергия в компютърните системи.

Топлината обикновено се счита за безполезен страничен продукт на изчислителната техника, от който хората се опитват да се избавят.

„Но тук ние тръгнахме по обратния път, използвайки топлината като форма на информация, и показахме, че изчисленията с топлина са възможни“,

обясни Кайо Силва от MIT, водещ автор на изследването.

Проектът се основава на програма, разработена от учените по-рано. Тя им позволява автоматично да проектират материал с определени топлопроводими свойства. Учените я прилагат, за да създадат сложни силициеви структури с размер на прашинка, способни да извършват изчисления благодарение на топлопроводимостта, пише MIT News.

Чрез тези структури учените са извършили операцията умножаване на матрица по вектор с точност над 99%. Умножаването на матрици е фундаментална математическа операция, залегнала в основата на работата на съвременните модели за машинно обучение, включително големите езикови модели.

В процеса на работа изследователите се сблъскали с основно ограничение: законите за топлопроводимост допускат само положителни коефициенти в матриците, тъй като топлината винаги тече от горещо към студено. За да заобиколят този проблем, те разделили целевата матрица на положителна и отрицателна част, представяйки ги с отделни структури, и след това извадили резултатите. Освен това те открили, че чрез промяна на дебелината на структурите може да се влияе на топлопроводимостта и по този начин да се кодира по-широк диапазон от матрици.

Въпреки че методът все още е далеч от това да бъде мащабиран до сложни невронни мрежи, той вече може да се прилага за управление на топлината и откриване на локалните прегрявания в микроелектрониката.

В бъдеще изследователите планират да създадат структури, които могат да изпълняват последователни операции, както и програмируеми структури, които могат да кодират различни матрици, без да се налага пълно препроектиране. Това може да бъде важна стъпка към създаването на принципно нови, енергийно ефективни компютърни системи, които превръщат топлинните отпадъци в полезен ресурс.

Разработката обещава да трансформира изчислителната техника в среди, където традиционната електроника отказва – например в близост до космически реактори или в дълбоки сондажи. Въпреки че скоростта на топлинните изчисления в момента е по-ниска от тази на съвременните процесори, техният потенциал за паралелна обработка на данни в наноразмерен мащаб е огромен.