در دنیای الکترونیک، گرما همیشه یک دشمن ناخواسته بوده است. مهندسان و طراحان همواره تلاش میکنند تا گرمای اضافی تولید شده توسط پردازندهها و قطعات الکترونیکی را با استفاده از فنها، هیتسینکها و سیستمهای خنک کننده پیچیده مهار و دفع کنند. این گرما که محصول جانبی عبور جریان الکتریکی از ترانزیستورهاست، نه تنها انرژی را هدر میدهد، بلکه میتواند به عملکرد و طول عمر دستگاهها نیز آسیب برساند.
اما اکنون، پژوهشگران در «مؤسسه فناوری ماساچوست» (MIT) راهی جالب برای بهرهبرداری از این پدیده مزاحم یافتهاند. آنها به جای آنکه گرمای اضافی را به عنوان یک مشکل ببینند، نشان دادهاند که میتوان از آن برای انجام برخی عملیات ریاضی خاص، بدون نیاز به هیچگونه انرژی الکتریکی اضافی، استفاده کرد. این رویکرد نوآورانه، که میتوان آن را محاسبات حرارتی نامید، پتانسیل تغییر نگاه ما به طراحی سیستمهای الکترونیکی را دارد.
این پژوهش که در نشریات معتبری مانند انجمن فیزیک آمریکا بازتاب داشته، بر روی ساختارهای سیلیکونی بسیار کوچکی متمرکز است که ابعادی در حد یک ذره گرد و غبار دارند. نکته شگفتانگیز در مورد این ساختارها این است که آنها فاقد هرگونه ترانزیستور، قطعه متحرک یا منبع تغذیه الکتریکی هستند. در عوض، عملکرد آنها کاملاً به نحوه جریان طبیعی گرما در یک ماده جامد وابسته است. به گفته این پژوهشگران، این جریان گرما را میتوان با دقت بسیار بالایی شکل داد تا عملیات ریاضی «ضرب ماتریس در بردار» را انجام دهد؛ یک عملیات محاسباتی بنیادین که هسته اصلی بسیاری از مدلهای یادگیری ماشین و شبکههای عصبی را تشکیل میدهد.
این فناوری چگونه کار میکند؟
ایده کلیدی در محاسبات حرارتی این است که تفاوت دما به عنوان ورودی عمل کرده و فرآیند «انتشار گرما» به طور خودکار خروجی محاسبات را تولید میکند. انتشار گرما، فرآیندی فیزیکی است که در آن، انرژی گرمایی از یک ناحیه با دمای بالاتر به ناحیهای با دمای پایینتر منتقل میشود تا به تعادل دمایی برسد. این همان پدیدهای است که باعث میشود وقتی یک سر میله فلزی را گرم میکنید، سر دیگر آن نیز به تدریج داغ شود.
برای اینکه این فرآیند فیزیکی ساده بتواند یک عملیات ریاضی پیچیده را انجام دهد، پژوهشگران از یک رویکرد طراحی پیشرفته به نام «طراحی معکوس» (Inverse Design) استفاده کردند. در این روش، آنها به جای ترسیم دستی ساختارها، ابتدا عملیات ریاضی مورد نظر خود را برای نرمافزار تعریف کردند. سپس، نرمافزار با استفاده از الگوریتمهای بهینهسازی، هندسههای سیلیکونی بسیار پیچیدهای را تولید کرد که قادرند جریان گرما را دقیقاً به شکل مطلوب هدایت کنند. بسیاری از این طرحهای تولید شده، ظاهری نامنظم و متخلخل دارند، اما هر حفره، هر برآمدگی و هر انحنا در این ساختار، نقشی حیاتی در کنترل نحوه پخش شدن گرما و رسیدن به نتیجه محاسباتی صحیح ایفا میکند.
این مطالعه توسط کایو سیلوا (Caio Silva)، دانشجوی دوره کارشناسی در MIT، و با همکاری جوزپه رومانو (Giuseppe Romano)، دانشمند پژوهشی، رهبری شده است. آنها در شبیهسازیهای کامپیوتری نشان دادند که این ساختارهای مبتنی بر گرما قادرند محاسبات را با دقتی بالاتر از 99 درصد انجام دهند که برای بسیاری از کاربردها، دقتی کاملاً قابل قبول است. یکی از چالشهای فنی این پروژه این بود که گرما همیشه فقط در یک جهت، یعنی از مناطق گرم به مناطق سرد، جریان مییابد. برای حل این محدودیت، تیم تحقیقاتی مجبور شد محاسبات را به دو بخش مجزای مثبت و منفی تقسیم کرده و هر بخش را به صورت جداگانه پردازش کند تا بتواند طیف کامل عملیات ریاضی را پوشش دهد.
کاربردها و محدودیتهای محاسبات حرارتی
لازم است تأکید شود که هدف از این فناوری، جایگزینی پردازندههای الکترونیکی متداول (مانند CPU و GPU) نیست. گرما بسیار کندتر از سیگنالهای الکتریکی حرکت میکند و این ساختارها نیز تنها قادر به انجام یک عملیات ریاضی ثابت و از پیش تعریف شده هستند. یعنی هر ساختار سیلیکونی فقط برای یک محاسبه خاص طراحی شده و قابلیت برنامهریزی مجدد ندارد.
با این حال، ایده محاسبات حرارتی میتواند در شرایط بسیار خاص و برای کاربردهای ویژهای که مصرف انرژی در آنها اهمیت حیاتی دارد، بسیار مفید باشد. برخی از این کاربردها عبارتاند از:
- حسگرهای حرارتی غیرفعال (Passive Thermal Sensing): تصور کنید حسگری دارید که بدون نیاز به باتری یا منبع برق، بتواند تغییرات دمایی محیط را تحلیل کرده و یک سیگنال ساده تولید کند.
- نقشهبرداری دمایی روی تراشه (On-chip Temperature Mapping): این ساختارها میتوانند برای نظارت بر توزیع گرما در سطح یک پردازنده پیچیده و شناسایی نقاط داغ به کار روند.
- پردازش سیگنال ساده: برای کاربردهایی که نیاز به یک محاسبه ساده و تکراری دارند و توجیهی برای اختصاص دادن توان الکتریکی اضافی به آنها وجود ندارد، این روش میتواند یک راهحل ایدهآل باشد.
همانطور که کایو سیلوا اشاره میکند، اکثر سیستمهای الکترونیکی گرما را به عنوان انرژی تلف شده میبینند. اما این پژوهش دیدگاهی کاملاً متضاد را در پیش گرفته و این سوال را مطرح میکند که آیا میتوان کاری کرد که این گرما قبل از آنکه به طور کامل ناپدید شود، کار مفیدی برای ما انجام دهد؟
این تحقیق هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد، اما یک شیوه تفکر کاملاً متفاوت در مورد محاسبات ارائه میدهد؛ شیوهای که در آن، گرما دیگر صرفاً یک محصول جانبی مزاحم نیست، بلکه بخشی جداییناپذیر و کاربردی از خود فرآیند پردازش است.
