导读

高温和发热,对于电子设备来说是致命的打击,很多电子产品都会停止工作甚至受到损坏。科学家们一直在开发各种散热方案和热量作“斗争”,然而一项最新的创新探索,却可以“友好”地利用热量,让计算机在超高温条件下,仍然可以正常工作。

技术关键字


热二级管废热近场热辐射

创新背景


无论是微型的半导体芯片、小型的传感器、中等尺寸的个人电脑,还是大型的服务器、超级计算机,热量一直以来都是产研界所关注和处理的重点问题。控制好热量,对于电子产品来说十分重要。


然而,传统的思路方法都是和热量进行“斗争”,将热量从设备中赶出去,也就是所谓的“冷却和散热”,从而保证设备能够运行时的高效,防止设备因过热而停止工作。一般来说,有风冷、液冷等方法,还有利用石墨烯等新材料进行散热的。


创新探索


除了“斗争”的方法以外,我们有没有可能换一种比较友好和创新型的思路,更加有效的利用这些热量呢?答案是:有。


美国内布拉斯加大学林肯分校的两位工程师,在这方面进行了创新探索,为我们带来更多的新启发。他们的想法不是“排斥”热量,而是选择了“接纳”。他们将这些热量作为一种能量源,使得计算机可以在超高温下进行计算。


Sidy Ndao(右)和Mahmoud Elzouka

(图片来源于: Karl Vogel | 内布拉斯加大学林肯分校)

机械和材料工程系的助理教授 Sidy Ndao 称,他的研究小组开发了一种纳米热机械设备,或者热二极管,来有效的转化利用热能。对此,Ndao 说:


“如果你考虑一下这个问题,你能用电力完成的工作,同样你也可以用热能完成,因为它们在很多地方有相似之处。原则上来说,它们都是能量载体。如果你能够控制热量,那么就可以用它进行运算,而且可以避免过热的问题。”

核心技术

Sidy Ndao 和机械和材料工程系的研究生 Mahmoud Elzouka 一起合著了一篇论文,发表于三月份出版的《科学报告》杂志上。


在论文中,他们记录了他们所研发的设备是如何在高温(接近630华氏度,约332摄氏度)的情况下工作的,需要深入了解的朋友,可以参考这篇论文。


这里,John 觉得最核心的技术是:热二极管,它的外观如下图所示:


(图片来源于: Karl Vogel | 内布拉斯加大学林肯分校)


热二极管,是一种热逻辑设备,也许可以成为电子设备一种替代品,特别是在需要高温和强电离辐射的条件下(例如:我们之前所说的地球深处探索、其它星球例如金星的探索)。


热二极管,单单利用了热力,而不是电力,来保证逻辑设备的工作(例如运算等等)。这些逻辑设备可以利用「废热作为能源。(之前的文章《新型红外线发射器:由超颖材料制成,可利用废热!》中John有介绍过)。


热二极管,或者说是热整流器,目前很受业界重视,因为它能够使得在一个特定方向上流动的热量,比相反的方向更高。热整流,可以通过各种各样的技术完成,例如不对称纳米结构、质量不均匀加载以及近场热辐射(NFTR)技术。


然而瓶颈在于:


这些技术都需要在低温和室温条件下进行。并且,这些热整流器的材料,具有温度依赖性,所以限制了它们的工作温度范围。


在这个实验中,研究人员首次采用了近场热辐射(NFTR)技术,在高温条件下,进行热整流,从而构建出高温条件下的热二极管。


下面给大家展示一下,近场纳米热机械整流器的相关原理和结构示意图(这里就不做过多解释了,有兴趣的朋友可以自行查阅资料):



(图片来源于:参考资料【2】)


创新价值


目前,这项技术最大的创新价值,John 觉得主要在两方面:


  • 高温条件下工作


这项创新可以使得计算机设备可以在高温条件下工作,从而拓展其工业应用场景。


对此,Ndao 称,他们期望该设备能够最终可以工作在最高可达1300华氏度(704摄氏度)的温度条件下,这将给很多工业领域带来深远的影响。他说:


“基本上,我们是在设计一种热力计算机,它可以用于太空探索、探索地核、石油钻探等许多应用。它让我们可以在之前无法工作的地方,进行实时的计算和数据处理。

  • 节约能源

另外一点,就是提高通过利用一直以来受到忽视的能量资源,也就是热量。Ndao称,热敏二极管能限制住能量的浪费。他说:


“据说在美国生产出的能量中,差不多60%以热量形式浪费掉了。如果你能够在利用这种热量,让它成为这些设备的能源,那么你可以显著的降低能量的浪费以及成本。”

未来展望

对于下一步的计划,Ndao 称:他们将使得设备变得更加高效,制造出一种可以工作在最高的温度下的物理计算机


虽然研究人员已经申请了专利,Elzouka 说,现在还有很多工作需要做,以进一步提高二极管和设备的性能。他说:


“如果,我们可以达到更高的效率,那么说明我们能在实验条件下,进行运算和运行逻辑系统,然后我们就有了概念证明,那就是我们可以思考未来的时候了。

Ndao 对于他的研究还有着更高的追求,他说:


“我们希望设计出首个热力计算机,希望有一天,它可以用于解密太空,探索和采集我们自己星球内部深度的地质情况,并且更加高效节能地利用废热。”

相关技术


对于更加有效的利用热量,特别是在电子领域,John之前有过很多介绍:


1)新型温差发电材料,可以利用烹饪锅的热量为电子设备供电。

2)超颖材料制成的新型红外线发射器可以利用废热。

3)可穿戴热电发生器(TEGs),利用身体和环境空气之间的不同的温度差异来发电。

这些技术不仅有效利用了热量,而且节能环保,也有利于帮助解决由于电池技术所带来的、电子设备在续航能力和安全性等方面的瓶颈,并且和我们倡导的“环保、安全、可持续”的理念相符合。


但是,目前这些技术大多处于原型设计阶段,我们希望未来能够尽早看到这些技术得以商用。

参考资料


【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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332℃高温,这种新型计算机是如何正常工作的?
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