Only Perception: 「聲子電腦」可利用「熱」來處理資訊

2007-11-04

「聲子電腦」可利用「熱」來處理資訊

'Phononic Computer' Could Process Information with Heat
http://www.physorg.com/news113224206.html

By Lisa Zyga

今日，大部分的電腦使用電子來攜帶資訊，然而理論上的光學電腦，使用光子（photons）。最近，新加坡的物理學家提出第三類型的電腦：「聲子電腦（phononic computer）」，那使用聲子（phonons）所攜帶的熱，如同其電子的相對應之物，進行運算

"熱相當豐富，而且通常被認為沒有用處，對於資訊處理來說是一種危害，" 新加坡國立大學的 Baowen Li 教授表示。"我們論文的價值在於，我們證明，在現存的電子與光子之外，聲子也能夠表現出類似功能。這提供了資訊處理的替代方式。此外，熱能夠加以駕馭使用。"

Li 與共同作者 Lei Wang，證明如何製造熱邏輯閘（thermal logic gates）以用於未來可能的聲子電腦上，他們的研究結果發表在最新一期 Physical Review Letters 上。

邏輯閘，電腦最基本的元素之一，能夠藉由一個或多個邏輯輸入完成邏輯運算，以產生單一邏輯輸出。在電子的邏輯閘中，輸入與輸出以不同的電壓來表示。然而，在一個熱邏輯閘中，輸入與輸出是以不同的溫度代表。

邏輯閘的關鍵元素是熱電晶體（thermal transistor，那由 Li 的小組在去年發明），其運作類似於一個場效應電晶體如何控制電流。熱電晶體由二個終端所組成，它們弱耦合（weakly coupled）在一起，外加第三個控制終端。

"如同其他理論性塑模，我們使用熱浴來產生熱，那是一種隨機的原子或分子移動，" Li 解釋。"要導熱，你無須太多外力。任何溫度差就能導致熱傳導。"

在研究者的模型中，熱由晶格振動所傳導。當二個終端的振動範圍（vibration spectra）被結合，它們的疊加決定所謂的熱流（heat current）。例如，當二個範圍疊加，熱可以輕易地在二個終端之間傳導，代表「on」狀態。當振動範圍沒有重疊，只有少量的熱（或根本沒有熱）能夠通過，這代表「off」的狀態。「負差動熱阻（negative differential thermal resistance，NDTR」，會因為終端的界面粒子振動範圍相符／不符產生「on」與「off」狀態，二者都很穩定，讓熱邏輯閘的運作成為可能。

"如同我們在 Physical Review Letters 的文章中的解釋，這些邏輯閘功能全都只能在系統處於所謂的負或超響應（super response）時才能辦到，藉此我們指出，大規模的溫度差（改變），將感應（induce）小熱流，" Li 說。"這就是所謂的「負差動熱阻」" NDTR 現象也是由 Li 的小組在 2006 年發現。

研究者示範熱電晶體的結合如何能用來建造不同的熱邏輯閘，諸如一個訊號中繼器（repeater）。訊號中繼器，能將熱輸入「數位化」，所以當溫度高於或低於某一值時，輸出不是「on」就是「off」，沒有在中間的狀況。藉由串接數個熱電晶體，研究者完成一個近乎理想的中繼器。除了訊號重現外，他們也示範一個 NOT 邏輯閘，那能夠顛倒輸入的訊號，以及用同樣的熱電晶體模型，製作出 AND/OR 邏輯閘。

雖然當前模型只能展示熱邏輯閘的可行性，Wang 與 Li 預測，在奈米系統中將該裝置實驗性的實現化，將不會太久。他們指出，另一個熱裝置，固態熱整流器（solid-state thermal rectifier），在 2006 年實驗性的示範成功，就在提出理論模型幾年之後。

"聲子電腦的優勢之一，或許是我們不需要消耗許多電力，" Li 說。"我們或能使用電子裝置或是大自然所產生多餘熱量，作些有用的工作。另一項優勢是，有一天，人們能聰明地控制並使用熱，故我們能省下很多能源 -- 那是現今的大問題。"

※ 最厲害的電腦是 DNA：

＊ Thermal Logic Gates: Computation with Phonons
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e177208