Komputasi menggunakan panas pada struktur silikon: Mengubah Panas Jadi Operasi Matematika Tanpa Daya Listrik

Komputasi menggunakan panas pada struktur silikon muncul sebagai konsep baru setelah peneliti menunjukkan bahwa aliran panas bisa dipetakan untuk melakukan operasi matematika dasar secara pasif.

Bagaimana Prinsip Kerjanya

Prinsip dasarnya memanfaatkan perbedaan suhu sebagai input. Ketika bagian tertentu dipanaskan, panas merambat melalui material padat sesuai hukum difusi panas, dan pola distribusi temperatur yang dihasilkan dapat dibaca sebagai hasil perhitungan.

Desain struktur yang sangat kecil—sekitar ukuran butir debu—tidak menggunakan transistor atau bagian bergerak. Semua bentuk pengolahan informasi bergantung pada bagaimana bentuk dan porositas silikon mengarahkan aliran panas itu sendiri.

Untuk mendapatkan bentuk struktur yang tepat, peneliti menerapkan metode desain terbalik atau desain inverse. Alih-alih menggambar struktur secara manual, target operasi matematika didefinisikan terlebih dahulu dan perangkat lunak menghasilkan geometri kompleks yang memastikan panas menyebar sesuai pola yang diinginkan.

Perkalian Matriks-Vektor dan Pengolahan Sinyal

Salah satu operasi inti yang ditunjukkan adalah perkalian matriks-vektor, yang penting di banyak model pembelajaran mesin. Dengan menata input suhu dan membaca output difusi, struktur ini mampu merepresentasikan elemen-elemen matriks dan vektor secara fisik.

Karena panas hanya mengalir dari daerah panas ke daerah yang lebih dingin, implementasi praktis membagi perhitungan menjadi komponen positif dan negatif lalu memprosesnya terpisah. Dalam simulasi, pendekatan ini menunjukkan akurasi lebih dari 99 persen untuk operasi yang diuji.

Istilah "perkalian matriks-vektor dengan difusi panas" merujuk pada proses di mana fenomena fisik aliran panas menggantikan sinyal listrik untuk menyelesaikan operasi tersebut tanpa suplai daya aktif.

Potensi Aplikasi dan Keterbatasan

Konsep ini bukan pengganti prosesor konvensional. Kecepatan aliran panas jauh lebih lambat dibandingkan sinyal listrik, dan struktur dirancang untuk operasi tetap, bukan komputasi umum yang fleksibel.

Meski begitu, ada potensi untuk aplikasi sangat spesifik. Contoh yang disebutkan meliputi sensor termal pasif di chip, pemetaan temperatur on-chip, dan pengolahan sinyal sederhana yang tidak layak diberi sumber daya listrik tambahan.

Ide dasarnya adalah memanfaatkan limbah panas yang biasanya diabaikan oleh sistem elektronik. Alih-alih membuangnya, panas diarahkan untuk menyelesaikan tugas singkat sebelum hilang—sebuah pendekatan yang mengubah heat management menjadi bagian dari proses komputasi.

Penelitian ini masih pada tahap awal dan lebih banyak diuji melalui simulasi. Namun, hasilnya membuka perspektif baru tentang bagaimana elemen fisik non-elektrik dapat dipakai untuk tugas komputasi tertentu, terutama di perangkat yang ketat dalam hal konsumsi daya.

Dengan kombinasi desain inverse dan kontrol geometri material, komputasi menggunakan panas pada struktur silikon menunjukkan bahwa fenomena termal dapat diprogram—meskipun untuk aplikasi terbatas—menjadi alternatif hemat energi untuk fungsi-fungsi khusus.

Ringkasnya, konsep ini menempatkan kembali panas dari sisi masalah menjadi bagian aktif proses komputasi, dan membuka ruang untuk perangkat yang memanfaatkan "perkalian matriks-vektor dengan difusi panas" serta aplikasi terkait seperti sensor termal pasif di chip.