综述：热二极管、晶体管与逻辑：非常规计算方法的回顾

这篇综述深入探讨了以热能为计算媒介的非常规计算技术，系统回顾了热存储器（thermal memory）和逻辑门（logic gates）的三大传热机制（传导/对流/辐射），重点分析了VO2 相变材料、纳米热机械（NTM）器件和瑞利-贝纳德对流（Rayleigh-Bénard convection）等关键技术，其创新性在于将全球72%的废热转化为计算资源，为极端环境计算和自供电系统提供了新范式。

　　

热计算的自然与合成架构

自然界早已利用温度作为信息载体：从大肠杆菌（E. coli）的趋热性（thermotaxis）到植物热形态建成（thermomorphogenesis），生物系统通过TRPV离子通道等温度传感器实现精准调控。这些自然机制启发了人工热计算系统的设计，例如模仿血管舒缩的自主热调节器件。合成系统主要分为传导型（如超导量子干涉器件SQUID）、对流型（基于流体动力学）和辐射型（如VO₂
近场辐射器件）三大类，其中VO₂
的金属-绝缘体转变（MIT）特性尤为关键，能在340K附近实现10³
倍的热导率变化。

存储器件的热编码革命

热存储器通过温度双稳态实现数据存储：

• 超导器件：T-SQUIPT利用铝纳米线的邻近效应，在16mK温变范围内实现1.7%的温度调制，写入速度达0.2ns
• 宏观编码：Lei等人设计的可编程超材料通过" cloak-concentrator "转换，在600-700K区间实现二进制编码
• 纳米热机械存储器：通过近场辐射热传递（NFRHT）和热膨胀效应，在50ms内完成状态切换，适用于高温环境

逻辑门的热力学演绎

热逻辑门展现出独特优势：

• 传导型：Hamed开发的纳米热机械计算器采用V形梁结构，在700K高温下实现全加器运算
• 对流型：Bartlett利用瑞利数Ra=10⁴
  的对流系统构建NOR门，通过障碍物动量提取产生双稳态
• 辐射型：Ben-Abdallah设计的VO₂
  /SiO₂
  异质结NOT门，在342-343K阈值间实现20倍热流放大

应用前景与技术挑战

当前技术成熟度评估显示：

• 辐射热晶体管以1.75分（满分3分）领跑存储器类别，其非接触式调控特性适合太空应用
• 纳米热机械逻辑门以1.88分位居榜首，但面临材料疲劳和制造精度挑战
• 生物启发方向：模仿TRPV1离子通道的温度门控特性，可能开发出新型分子级热晶体管

未来突破点在于优化VO₂
相变动力学、开发新型热滞材料（如核壳微球），以及解决宏观器件的集成难题。随着固态电化学热晶体管等新架构的出现，热计算有望在数据中心废热利用、深空探测等领域实现商业化突破，最终达成Landauer提出的"信息热力学"理想——让宇宙本身成为终极计算机。