Когда «цифра» отдыхает: в США создали процессор для прямой обработки данных на микроволновых частотах

С древнейших времён и до наших дней известны удачные примеры аналоговых вычислителей, которые для решения некоторых задач оказываются проще и эффективнее цифровых платформ. Сильнейшая сторона «цифры» — её универсальность. Но, возможно, пришло время создавать специализированные платформы? Этого требует экономия энергии и эффективность, что особенно важно для миниатюрных и интегрированных решений, о чём вспомнили учёные из США.

Источник изображения: Cornell University

Так, исследователи из Корнеллского университета (Cornell University) разработали удивительный микрочип, который они назвали «микроволновым мозгом». Это первый процессор, способный одновременно обрабатывать данные на высочайшей частоте и беспроводные сигналы, используя физику микроволн. Чип представляет собой полностью интегрированную микроволновую нейронную сеть на кремниевой основе.

Этот микропроцессор способен выполнять вычисления в области высоких частот в реальном времени для таких задач, как декодирование радиосигналов, отслеживание целей радаром и обработка данных, потребляя при этом менее 200 мВт на частотах в десятки ГГц. Учёные уверены, что эта разработка знаменует собой значительный прорыв в области энергоэффективных вычислений.

В отличие от традиционных цифровых процессоров, которые полагаются на синхронизированные по тактовому сигналу пошаговые операции, «микроволновый мозг» использует аналоговое нелинейное поведение в микроволновом диапазоне. Это позволяет обрабатывать потоки данных на частотах в десятки гигагерц, что значительно превосходит возможности большинства цифровых чипов. Архитектура чипа напоминает структуру человеческого мозга: нейронная сеть построена на взаимосвязанных управляемых волноводах, которые распознают шаблоны и обучаются на основе данных. В цифровых системах реализация подобной функциональности потребовала бы чрезвычайно сложной схемотехники, что резко увеличило бы задержки и энергопотребление.

Для своих размеров чип демонстрирует высокие показатели: тесты показали 88 % точности при классификации типов беспроводных сигналов с использованием набора данных RadioML2016.10A. Он способен выполнять как простые логические вычисления, так и более сложные задачи — например, определять последовательности битов или подсчитывать двоичные значения в высокоскоростных потоках данных. Благодаря высокой чувствительности к входным сигналам, чип хорошо подходит для задач аппаратной безопасности, таких как обнаружение аномалий в беспроводных коммуникациях на нескольких частотных диапазонах.

Исследователи отмечают, что дальнейшее снижение энергопотребления позволит использовать чип в устройствах для периферийных вычислений, таких как смарт-часы или смартфоны, обеспечивая локальную обработку данных без подключения к облачным серверам.

Хотя чип пока находится на стадии экспериментальных исследований, учёные оптимистично оценивают его масштабируемость и возможность интеграции с существующими микроволновыми и цифровыми платформами. Работа выполнена в рамках проекта, поддержанного Агентством перспективных оборонных исследований (DARPA). Она ясно подчёркивает потенциал использования физики микроволн для создания компактных, энергоэффективных устройств, которые способны изменить подход к вычислениям и коммуникациям, делая их быстрее и менее зависимыми от облачных технологий.