如何让芯片用自己的废热完成计算？精度还有99%
发布日期:2026-03-11
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在微电子领域，热量向来是工程师们的“头号敌人”。芯片运行产生的废热不仅会降低性能，更可能引发设备故障。但麻省理工学院（MIT）的一支研究团队却反其道而行之——他们将废热转化为计算动力，设计出一种通过热传导实现矩阵运算的硅基结构，为低功耗计算开辟了全新路径。
在这种计算方法中，他们设计出一种微米级的硅结构，通过精确控制热流的扩散路径来完成计算任务。具体而言，输入数据被编码为一组温度值，热量在结构中传导的过程对应着矩阵乘法的计算，而输出则由另一端收集的功率来表示。研究团队在《Physical Review Applied》上发表的论文显示，这些结构在进行矩阵向量乘法时能够达到超过99%的精度。
实现这一突破的关键在于所谓的“逆向设计”方法。研究人员并非凭直觉去构造几何形状，而是先定义所需的数学功能，再通过算法自动生成最优的结构。最终得到的硅结构大小仅相当于一粒尘埃，内部布满微孔，能够以特定方式导热。由于热传导的物理规律限制(热传导定律规定热量总是从高温区域流向低温区域)，结构只能直接编码正系数，团队通过将矩阵拆分为正负部分并分别设计结构，再在后续阶段进行结果相减，从而解决了负值计算的问题。在实验中，他们利用这种方法对二维和三维矩阵进行了模拟测试，结果显示在多数情况下计算精度超过99%，证明了这一思路的可行性。
尽管当前的结构在处理小规模矩阵时表现良好，但要扩展到深度学习等需要大规模矩阵运算的场景，就必须将数百万个这样的结构拼接在一起，这在工艺和设计上都存在巨大挑战。此外，随着矩阵复杂度增加，输入输出端之间的距离拉大，计算精度会下降，带宽也受到限制，这些问题都需要进一步解决。
不过，研究人员认为在短期内，这项技术就可以直接应用于微电子系统的热管理和温度检测。由于结构本身依赖余热运行，它能够在不增加额外能耗的情况下，实时监测芯片内部的温度梯度，帮助发现潜在的热源和故障点。这对于避免因热膨胀导致的电路损坏具有重要意义。
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