Исследователи из Корнелла создали первый «микроволновый мозг» на чипе

Используя аналоговую физику микроволн, исследователи разработали чип «микроволновый мозг», который выполняет высокоскоростные задачи с минимальным энергопотреблением, открывая новые возможности для безопасных беспроводных и носимых технологий. Фото: Shutterstock

Исследователи из Корнелльского университета разработали низкопотребляющий микропроцессор, который они называют «микроволновым мозгом». Это первый процессор, способный обрабатывать как сверхбыстрые данные, так и беспроводные сигналы связи, используя физику микроволн.

Подробности разработки опубликованы сегодня в журнале Nature Electronics. Процессор представляет собой первую полностью интегрированную на кремниевом чипе нейронную сеть, работающую в микроволновом диапазоне. Он выполняет вычисления в частотной области в реальном времени для таких задач, как декодирование радиосигналов, отслеживание целей радара и обработка цифровых данных, потребляя при этом менее 200 милливатт энергии.

«Поскольку он может мгновенно искажать сигналы программируемым образом в широком диапазоне частот, его можно перенастраивать для различных вычислительных задач», — пояснил ведущий автор исследования Бал Говинд, аспирант, работавший над проектом вместе с Максвеллом Андерсоном. «Он обходит множество этапов обработки сигналов, которые обычно требуются цифровым компьютерам».

Эта возможность обеспечивается архитектурой чипа, построенной по принципу нейронной сети — компьютерной системы, моделирующей работу мозга, с использованием взаимосвязанных мод в настраиваемых волноводах. Это позволяет ему распознавать паттерны и обучаться на данных. Однако, в отличие от традиционных нейронных сетей, основанных на цифровых операциях и пошаговых инструкциях, синхронизированных тактовым сигналом, эта сеть использует аналоговое нелинейное поведение в микроволновом диапазоне, что позволяет ей обрабатывать потоки данных на частотах в десятки гигагерц — значительно быстрее, чем большинство цифровых чипов.

«Бал отказался от многих традиционных принципов проектирования схем, чтобы достичь этого», — отметила Алисса Апсел, профессор инженерии, соавтор исследования. «Вместо того чтобы точно копировать структуру цифровых нейронных сетей, он создал нечто, напоминающее управляемую смесь частотных поведений, которая в итоге обеспечивает высокопроизводительные вычисления».

Чип способен выполнять как простые логические функции, так и сложные задачи, такие как идентификация битовых последовательностей или подсчёт двоичных значений в высокоскоростных данных. В тестах он показал точность 88% и выше в задачах классификации типов беспроводных сигналов, что сопоставимо с цифровыми нейронными сетями, но при значительно меньшем энергопотреблении и размерах.

«В традиционных цифровых системах с усложнением задач требуется больше схем, больше энергии и больше коррекции ошибок для сохранения точности», — объяснил Говинд. «Но с нашим вероятностным подходом мы можем поддерживать высокую точность как в простых, так и в сложных вычислениях без дополнительных затрат».

По словам исследователей, высокая чувствительность чипа к входным сигналам делает его идеальным для задач аппаратной безопасности, таких как обнаружение аномалий в беспроводной связи на различных микроволновых частотах.

«Мы также считаем, что, снизив энергопотребление, сможем внедрить его в такие приложения, как периферийные вычисления», — добавила Апсел. «Его можно будет использовать в умных часах или смартфонах для локального выполнения моделей вместо зависимости от облачных серверов».

Хотя чип пока остаётся экспериментальным, исследователи оптимистично оценивают его масштабируемость. Они работают над повышением точности и интеграцией в существующие платформы для обработки микроволновых и цифровых сигналов.

Разработка стала частью более масштабного проекта, поддержанного Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и Корнелльским центром наноразмерной науки и технологий, который частично финансируется Национальным научным фондом.

Источники:

Материалы предоставлены Корнелльским университетом.