科技日報記者 張夢然

美國康奈爾大學(xué)研究團隊開發(fā)出一種低功耗微芯片，被稱為“微波大腦”，這是首個能夠利用微波物理原理同時處理超快數(shù)據(jù)信號和無線通信信號的處理器。該成果發(fā)表在最新一期《自然·電子學(xué)》上。

該芯片可在功耗低于200毫瓦的情況下，實時執(zhí)行頻域計算，適用于無線電信號解碼、雷達目標(biāo)跟蹤以及高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理等任務(wù)。芯片主要開發(fā)者表示，由于其具備在寬頻帶上以可編程方式瞬時調(diào)控微波信號的能力，因此可以靈活應(yīng)用于多種計算場景。這一設(shè)計跳過了傳統(tǒng)數(shù)字計算機在處理類似任務(wù)時所需的大量信號預(yù)處理和轉(zhuǎn)換步驟，從而大幅提升了效率。

這一突破性能力源于芯片本身的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受大腦啟發(fā)，通過可調(diào)諧波導(dǎo)構(gòu)建出復(fù)雜的互連模式，具備識別模式和從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)的能力。與依賴時鐘同步和逐級執(zhí)行數(shù)字指令的傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，該芯片在微波頻段下以模擬方式運行，利用非線性物理行為直接處理信號，能夠應(yīng)對高達數(shù)十千兆赫茲的數(shù)據(jù)流，速度遠(yuǎn)超大多數(shù)現(xiàn)有數(shù)字芯片。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，此次設(shè)計中摒棄了許多傳統(tǒng)電路設(shè)計原則。團隊沒有試圖復(fù)制數(shù)字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，而是設(shè)計出一種更像受控頻率“混沌系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)，最終卻能實現(xiàn)高性能的計算功能。

該芯片既能執(zhí)行基本邏輯運算，也能完成復(fù)雜任務(wù)，例如識別特定的比特序列或計算高速數(shù)據(jù)流中的二進制值。在多種涉及無線信號類型的分類任務(wù)中，其準(zhǔn)確率達到88%以上，與傳統(tǒng)數(shù)字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)，但所消耗的功率和占用的空間僅為后者的極小一部分。

團隊強調(diào)，在傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)中，隨著任務(wù)復(fù)雜度上升，必須增加電路規(guī)模、功耗和糾錯機制來維持精度。而新方法基于概率性計算，能夠在不增加系統(tǒng)開銷的前提下，在簡單和復(fù)雜任務(wù)中都保持高準(zhǔn)確率。