废热直降60%！新型电压波形优化算力能耗

流入计算设备的能量，几乎最终都会以废热形式白白损耗。随着数据中心数量持续增长，研究人员正加紧寻找提升计算能效的方案。其中一条思路，就是提高用于有效运算的能量占比。

但首先，研究人员必须找到在极小尺度下测量散热的方法。这并非易事，即便是个人电脑，内部也包含数十亿晶体管，大量能量会通过难以追踪的机制，以热量形式流失。

美国能源部SLAC国家加速器实验室与斯坦福大学的研究人员，开发出一种新方法，可以精准测量电气系统中有多少能量耗散为热量。由斯坦福大学教授Aaron Lindenberg带领的团队，还优化了用于控制器件的电压波形，将废热降低60%以上，该成果有望用于设计能效更高的新一代计算设备。

为研究电子器件如何以热量形式损耗能量，研究人员搭建了一套基于液晶的模型系统，液晶会随电压变化发生形变。团队使用偏光显微镜，观察在电压升降过程中液晶分子的转动情况。借助这些实验，他们实现了对能量耗散的高精度测量。

在液晶中追踪能量损耗

测量电子器件能量耗散最常用的办法，是探测局部温度变化，器件散热时温度会上升。但这种测量方式并不精准，还需要额外建模，分析系统向周围环境的热通量。很多时候温度变化极其微弱，很难直接探测。

计算机内部参与能量传递的组件繁多，这导致测量其热量损耗本身就存在天然难度。斯坦福大学材料科学与工程教授、SLAC光子科学教授Lindenberg表示：“当你去看一台计算机或者任何信息存储设备，系统内部存在很多难以追踪的动态变化。但想要真正理解底层原理，不能只取测量平均值，必须追踪能量的流动。这也是该难题极具挑战性、此前一直没人开展相关研究的部分原因。”

Lindenberg团队采用液晶器件作为模型系统，使用全新研究思路：向器件输入纯净电信号，仅依靠电学测量计算耗散能量，并结合液晶内部动态开关过程的光学观测结果做交叉验证。

液晶本身并不是计算设备，但它内部组件的相互作用方式和计算机器件十分相似。液晶由棒状分子构成，施加电压后分子会发生旋转。但分子旋转并不均匀：晶体不同区域的分子可能朝不同方向转动，形成大量局部畴区。

为测量以废热形式损耗的能量，团队持续改变电压大小，同时记录液晶分子转动过程中的电流。之后缓慢降低电压，让液晶恢复初始状态，并利用偏光显微镜观察液晶分子的转动。

团队将高精度电学测量与显微图像相结合，得到系统的实时电容值，也就是系统存储电荷的能力。借此，他们实现了高精度的耗散测量。虽然这套方案不直接测量温度，但如果在绝热环境下做温度测量，该方法的检测灵敏度相当于可以捕捉10纳开尔文的温升，这是极其微小的温度变化。

优化电压波形，削减废热

团队进一步开展实验，借助机器学习（AI的一类分支）优化控制流程，把能量损耗降到最低。研究发现，如果先快速升高电压，短暂放缓升压速度，之后再次加快升压，能量损耗可以减少60%以上。

接下来，团队计划使用这套方法，测量并优化计算机存储常用的铁电器件以及其他数据存储、计算器件的能量耗散。这类器件速度快、功耗低，是未来计算系统的有力候选方案。

论文第一作者、斯坦福大学博士生Yuejun Shen说：“相比液晶，铁电器件更接近真实计算设备，因此我们可以获得更多测量数据，有望直接应用于未来计算机。我们的最终目标，是开发通用方法，测量各类电子器件的能量耗散并完成优化。”