332℃高溫，這種新型計算機是如何正常工作的？

導讀

高溫和發熱，對於電子設備來說是致命的打擊，很多電子產品都會停止工作甚至受到損壞。科學家們一直在開發各種散熱方案和熱量作「鬥爭」，然而一項最新的創新探索，卻可以「友好」地利用熱量，讓計算機在超高溫條件下，仍然可以正常工作。

技術關鍵字

熱二級管、廢熱、近場熱輻射

創新背景

無論是微型的半導體晶元、小型的感測器、中等尺寸的個人電腦，還是大型的伺服器、超級計算機，「熱量」一直以來都是產研界所關注和處理的重點問題。控制好熱量，對於電子產品來說十分重要。

然而，傳統的思路方法都是和熱量進行「鬥爭」，將熱量從設備中趕出去，也就是所謂的「冷卻和散熱」，從而保證設備能夠運行時的高效，防止設備因過熱而停止工作。一般來說，有風冷、液冷等方法，還有利用石墨烯等新材料進行散熱的。

創新探索

除了「鬥爭」的方法以外，我們有沒有可能換一種比較友好和創新型的思路，更加有效的利用這些熱量呢？答案是：有。

美國內布拉斯加大學林肯分校的兩位工程師，在這方面進行了創新探索，為我們帶來更多的新啟發。他們的想法不是「排斥」熱量，而是選擇了「接納」。他們將這些熱量作為一種能量源，使得計算機可以在「超高溫」下進行計算。

Sidy Ndao（右）和Mahmoud Elzouka

（圖片來源於: Karl Vogel | 內布拉斯加大學林肯分校）

機械和材料工程系的助理教授 Sidy Ndao 稱，他的研究小組開發了一種「納米熱機械」設備，或者「熱二極體」，來有效的轉化利用熱能。對此，Ndao 說：

「如果你考慮一下這個問題，你能用電力完成的工作，同樣你也可以用熱能完成，因為它們在很多地方有相似之處。原則上來說，它們都是能量載體。如果你能夠控制熱量，那麼就可以用它進行運算，而且可以避免過熱的問題。」

核心技術

Sidy Ndao 和機械和材料工程系的研究生 Mahmoud Elzouka 一起合著了一篇論文，發表於三月份出版的《科學報告》雜誌上。

在論文中，他們記錄了他們所研發的設備是如何在高溫（接近630華氏度，約332攝氏度）的情況下工作的，需要深入了解的朋友，可以參考這篇論文。

這裡，John 覺得最核心的技術是：「熱二極體」，它的外觀如下圖所示：

（圖片來源於: Karl Vogel | 內布拉斯加大學林肯分校）

熱二極體，是一種熱邏輯設備，也許可以成為電子設備一種替代品，特別是在需要高溫和強電離輻射的條件下（例如：我們之前所說的地球深處探索、其它星球例如金星的探索）。

熱二極體，單單利用了熱力，而不是電力，來保證邏輯設備的工作（例如運算等等）。這些邏輯設備可以利用「廢熱」作為能源。（之前的文章《新型紅外線發射器：由超穎材料製成，可利用廢熱！》中John有介紹過）。

熱二極體，或者說是熱整流器，目前很受業界重視，因為它能夠使得在一個特定方向上流動的熱量，比相反的方向更高。熱整流，可以通過各種各樣的技術完成，例如不對稱納米結構、質量不均勻載入以及「近場熱輻射」（NFTR）技術。

然而瓶頸在於：

這些技術都需要在低溫和室溫條件下進行。並且，這些熱整流器的材料，具有溫度依賴性，所以限制了它們的工作溫度範圍。

在這個實驗中，研究人員首次採用了近場熱輻射（NFTR）技術，在高溫條件下，進行熱整流，從而構建出高溫條件下的熱二極體。

下面給大家展示一下，近場納米熱機械整流器的相關原理和結構示意圖（這裡就不做過多解釋了，有興趣的朋友可以自行查閱資料）：

（圖片來源於:參考資料【2】）

創新價值

目前，這項技術最大的創新價值，John 覺得主要在兩方面：

• 高溫條件下工作

這項創新可以使得計算機設備可以在高溫條件下工作，從而拓展其工業應用場景。

對此，Ndao 稱，他們期望該設備能夠最終可以工作在最高可達1300華氏度（704攝氏度）的溫度條件下，這將給很多工業領域帶來深遠的影響。他說：

「基本上，我們是在設計一種熱力計算機，它可以用於太空探索、探索地核、石油鑽探等許多應用。它讓我們可以在之前無法工作的地方，進行實時的計算和數據處理。」

• 節約能源

另外一點，就是提高通過利用一直以來受到忽視的能量資源，也就是熱量。Ndao稱，熱敏二極體能限制住能量的浪費。他說：

「據說在美國生產出的能量中，差不多60%以熱量形式浪費掉了。如果你能夠在利用這種熱量，讓它成為這些設備的能源，那麼你可以顯著的降低能量的浪費以及成本。」

未來展望

對於下一步的計劃，Ndao 稱：他們將使得設備變得更加高效，製造出一種可以工作在最高的溫度下的物理計算機。

雖然研究人員已經申請了專利，Elzouka 說，現在還有很多工作需要做，以進一步提高二極體和設備的性能。他說：

「如果，我們可以達到更高的效率，那麼說明我們能在實驗條件下，進行運算和運行邏輯系統，然後我們就有了概念證明，那就是我們可以思考未來的時候了。」

Ndao 對於他的研究還有著更高的追求，他說：

「我們希望設計出首個熱力計算機，希望有一天，它可以用於解密太空，探索和採集我們自己星球內部深度的地質情況，並且更加高效節能地利用廢熱。」

相關技術

對於更加有效的利用熱量，特別是在電子領域，John之前有過很多介紹：

1）新型溫差發電材料，可以利用烹飪鍋的熱量為電子設備供電。

2）超穎材料製成的新型紅外線發射器，可以利用廢熱。

3）可穿戴熱電發生器(TEGs)，利用身體和環境空氣之間的不同的溫度差異來發電。

這些技術不僅有效利用了熱量，而且節能環保，也有利於幫助解決由於電池技術所帶來的、電子設備在續航能力和安全性等方面的瓶頸，並且和我們倡導的「環保、安全、可持續」的理念相符合。

但是，目前這些技術大多處於原型設計階段，我們希望未來能夠儘早看到這些技術得以商用。

參考資料

【1】http://news.unl.edu/newsrooms/today/article/researchers-harness-heat-to-power-computers/

【2】https://www.nature.com/articles/srep44901

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