Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) представили принципиально иной подход к работе с побочным теплом от электроники. Исследователи продемонстрировали, что термальную энергию, которая обычно рассеивается впустую, можно использовать для выполнения конкретных математических операций. Эта технология работает автономно и не требует для своей работы стандартного электрического питания.
Основой разработки стал специально спроектированный кремниевый чип. Инженеры создали его, чтобы управлять потоком тепла способом, который аналогичен обработке информации в электронных схемах. Технология позволяет тепловым сигналам выполнять функции, похожие на вычисления. В экспериментальной установке тепло от одного источника направляли через специальную структуру чипа, что приводило к изменению теплового потока в другой части устройства.
Такие изменения соответствуют логическим операциям, которые являются фундаментом для работы цифровых систем. Ученые утверждают, что эта методика может выполнять базовые арифметические действия, включая сложение и вычитание, а также более сложную математику, например, вычисление функций Бесселя и Фурье-преобразования. Работа системы зависит от свойств теплопроводности кремния и от точной геометрии внутренних структур чипа, которые разработали для контроля за распространением тепловых волн.
Тепловые вычисления относятся к области физической аналитики. Эта концепция рассматривает использование различных физических явлений, а не только электрических сигналов, для обработки данных. Ранее ученые исследовали аналогичные возможности в оптических, магнитных и механических системах. Однако использование паразитного тепла для таких целей ранее почти не изучали.
Устройство, которое создали в MIT, представляет собой пассивную систему. Оно не содержит движущихся частей и не потребляет дополнительную электроэнергию для самих вычислений. Единственным источником энергии для них служит избыточное тепло от другого компонента, например, от центрального процессора или силового преобразователя. Это отличает технологию от традиционных методов утилизации тепла, таких как термоэлектрические генераторы, которые преобразуют перепад температур в электричество, которое затем уже используют для питания обычной электроники. Здесь же само тепло выступает в роли прямого носителя информации.
Потенциальное применение технологии связано с областью встроенных систем и интернета вещей. Датчики или устройства для мониторинга, которые устанавливают в удаленных или труднодоступных местах, могли бы выполнять предварительную обработку данных на месте без затрат энергии на передачу сырых показаний. Например, интеллектуальный датчик температуры в промышленной установке мог бы самостоятельно вычислять средние значения или определять аномалии, используя только собственное отработанное тепло. Это снизило бы общее энергопотребление системы и увеличило автономность.
Технология также может найти применение в системах охлаждения высокопроизводительных вычислительных центров, где огромные объемы тепловой энергии сейчас требуют значительных затрат на отвод. В перспективе часть этого тепла можно направить на выполнение вспомогательных вычислительных задач, например, для мониторинга эффективности работы самих серверов.
