“微波大腦”芯片創建

科技日報記者 張夢然

美國康奈爾大學研究團隊開發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據信號和無線通信信號的處理器。相關成果發表在最新一期《自然·電子學》上。

該芯片可在功耗低於200毫瓦的情況下，即時執行頻域計算，適用於無線電信號解碼、雷達目標跟蹤以及高速數字數據處理等任務。芯片主要開發者表示，由於其具備在寬頻帶上以可編程方式瞬時調控微波信號的能力，因此可以靈活應用於多種計算場景。這一設計跳過了傳統數字計算機在處理類似任務時所需的大量信號預處理和轉換步驟，從而大幅提升了效率。

這一突破性能力源於芯片本身的神經網絡架構。受大腦啓發，該神經網絡通過可調諧波導構建出複雜的互連模式，具備識別模式和從數據中學習的能力。與依賴時鐘同步和逐級執行數字指令的傳統神經網絡不同，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，能夠應對高達數十千兆赫茲的數據流，速度遠超大多數現有數字芯片。

為了實現這一目標，此次設計中摒棄了許多傳統電路設計原則。團隊沒有試圖複製數字神經網絡的結構，而是設計出一種更像受控頻率“混沌系統”的結構，最終卻能實現高性能的計算功能。

該芯片既能執行基本邏輯運算，也能完成複雜任務，例如識別特定的比特序列或計算高速數據流中的二進制值。在多種涉及無線信號類型的分類任務中，其準確率達到88%以上，與傳統數字神經網絡相當，但所消耗的功率和佔用的空間僅為後者的極小一部分。

團隊強調，在傳統數字系統中，隨着任務複雜度上升，必須增加電路規模、功耗和糾錯機制來維持精度。而新方法基於概率性計算，能夠在不增加系統開銷的前提下，在簡單和複雜任務中都保持高準確率。