Американские инженеры представили первый в мире чип, получивший название «микроволновой мозг», который обрабатывает данные на сверхвысоких скоростях и при этом потребляет не более 200 милливатт энергии.
Устройство недавно освоило собственный способ коммуникации — оно использует микроволновые сигналы для кодирования информации и её сжатия, что напоминает принцип работы токенов в современных больших языковых моделях.
Евгения Васильева
Микрочип с низким энергопотреблением, который исследователи называют «микроволновым мозгом». Источник: Чарисса Кинг-О’Брайен / Cornell Engineering
Уникальный процессор
Этот процессор является уникальным: он одновременно справляется с потоками данных высокой скорости и беспроводными сигналами, опираясь на физические свойства микроволн. Благодаря этому обработка информации происходит практически мгновенно.
Разработчики утверждают, что их изобретение способно значительно уменьшить объём данных, которые спутники вынуждены передавать на Землю, а также сделать беспроводную связь более быстрой и защищённой. Бал Говинд, аспирант Корнеллского университета, пояснил, что одна микроволновая нейросеть может отправлять сообщения, которые способна расшифровать только аналогичная сеть. Это открывает новые горизонты для защищённой коммуникации.
Чип использует собственный микроволновый словарь
Говинд, который проводил свои исследования в лаборатории под руководством профессора инженерии Алиссы Апсел, доказал, что чип способен генерировать микроволновые токены. Идея основана на принципе, заимствованном у больших языковых моделей: вместо передачи длинных последовательностей цифровых команд, система преобразует данные в компактный набор микроволновых импульсов. Эти импульсы сохраняют связь между отдельными фрагментами информации, что делает передачу более эффективной.
Учёный сравнил этот процесс с созданием уникального микроволнового словаря. Поскольку информация остаётся в микроволновом диапазоне на всём пути обработки, удаётся пропустить несколько этапов вычислений, которые обязательны в традиционных системах связи.
В результате снижаются требования к пропускной способности канала и энергопотреблению — два ключевых ограничения для спутников, дронов и периферийных устройств. Говинд отметил, что вместо отправки громоздкой строки кода достаточно передать несколько микроволновых импульсов, которые другая микроволновая нейросеть мгновенно интерпретирует.
Бал Говинд, докторант, и Алисса Апсел, директор Школы электротехники и вычислительной техники имени Эллиса Л. Филлипса-старшего, создали первую в своем роде микроволновую нейронную сеть, которая полностью интегрирована в кремниевый микрочип. Он выполняет вычисления в частотной области в режиме реального времени для таких задач, как декодирование радиосигналов, отслеживание радиолокационных целей и цифровая обработка данных, потребляя при этом менее 200 милливатт энергии. Фото: Чарисса Кинг-О’Брайен / Инженерный факультет Корнеллского университета
«Микроволновой мозг» восстанавливает спутниковый сигнал
В ходе экспериментов команда подавала на чип данные со скоростью один гигабит в секунду. Это приводило к естественному появлению вероятностных битов, или p-битов, которые не зафиксированы как нули или единицы, а меняются в зависимости от поступающего сигнала. Такое свойство идеально подходит для вероятностных вычислений.
Чтобы проверить возможности чипа, исследователи использовали его для восстановления спутникового изображения тропического шторма. Для передачи потребовалось лишь одна восьмая часть исходного объёма данных, и при этом восстановленная картинка сохранила почти все ключевые особенности урагана.
Это важно для дальней космической связи, особенно для небольших спутников, которые сталкиваются с серьёзными ограничениями: у них мало бортовой энергии, а Федеральная комиссия по связи США жёстко регулирует выделяемую полосу пропускания. Из-за этого они обычно передают лишь простые данные вроде координат GPS, теряя множество деталей. По словам Говинда, новый чип способен решить эту проблему.
Продолжение работы
Успешное испытание на спутниковых изображениях — лишь первый шаг. Сейчас команда исследователей сосредоточена на масштабировании технологии. Они планируют интегрировать несколько таких чипов в единую систему, чтобы обрабатывать не только двумерные изображения, но и сложные многоканальные потоки данных, включая видео высокого разрешения и телеметрию с датчиков.
По словам Говинда, текущая конфигурация — это доказательство концепции, а не конечный продукт. Увеличение количества микроволновых нейросетей в одном устройстве позволит создавать более богатые «словари» токенов, что повысит степень сжатия и скорость интерпретации сигналов, делая систему универсальной для различных применений — от метеорологии до мониторинга инфраструктуры.
Второе важное направление — адаптация чипа к реальным условиям работы спутников, где радиация, перепады температур и вибрации могут влиять на стабильность микроволновых компонентов. Лаборатория Апсел уже начала стресс-тесты, моделирующие космическую среду.
Инженеры проверяют, как изменяются p-биты при воздействии ионизирующего излучения и как быстро чип восстанавливает калибровку после сбоев. Это критически важно, поскольку традиционные полупроводниковые решения в таких условиях требуют дополнительного экранирования, что увеличивает вес и энергопотребление. Если новый чип сможет работать без тяжёлой защиты, он станет прорывом для миниатюрных кубсатов, которые сейчас ограничены в вычислительных мощностях.
Параллельно команда работает над протоколами связи для сетей из нескольких «микроволновых мозгов». Идея состоит в том, чтобы устройства могли обмениваться не только данными, но и параметрами своих токенов — своего рода «ключами шифрования» на физическом уровне.
Поскольку каждая сеть генерирует собственную уникальную последовательность импульсов, перехват сигнала сторонним приёмником не даст ему ничего, кроме шума. Это создаёт новый класс квантово-устойчивой связи, которая не зависит от математических алгоритмов, а опирается на необратимые физические процессы в чипе. Разработчики уже подали заявку на патент, а переговоры с производителями спутниковых компонентов находятся на начальной стадии.
Потенциальное применение инновации
Потенциальное применение выходит далеко за пределы орбитальных аппаратов. Технология может быть использована для высокоскоростной связи между автономными транспортными средствами, где задержки в передаче данных измеряются миллисекундами, или для защиты беспроводных сетей в медицинских имплантах, где энергопотребление критически важно.
Команда также рассматривает возможность создания гибридных чипов, которые могли бы переключаться между традиционной цифровой обработкой и микроволновыми токенами в зависимости от задачи — например, для вычислений с высокой точностью и для сжатой передачи в моменты перегрузки канала. Однако, как отмечает Апсел, коммерциализация потребует нескольких лет тестирования и развития производственной базы.
Исследователи подчёркивают образовательный аспект своей работы. Успех уже привлёк внимание студентов из смежных областей — физики, электротехники и компьютерных наук. Говинд планирует открыть детальный курс по микроволновым нейросетям, где студенты смогут работать с прототипами.
Это необходимо, чтобы вырастить новое поколение инженеров, которые мыслят за пределами традиционной архитектуры фон Неймана. В долгосрочной перспективе коллектив надеется, что их подход станет основой для нового стандарта в обработке сигналов, где граница между вычислением и коммуникацией окончательно стирается, предоставляя миру более быстрые, безопасные и энергоэффективные системы связи.
И, наконец, помимо практической пользы для связи, исследователи видят в технологии новый уровень аппаратной кибербезопасности. Они уже подали заявку на патент и активно работают над коммерциализацией разработки через университетскую программу Ignite Innovation Acceleration. Результаты исследования были опубликованы в авторитетном научном журнале Nature Communications.