Микроволновый «мозг» придумал свой язык
Спустя год после разработки аналогового нейроморфного чипа, работающего в СВЧ-диапазоне, его создатели обнаружили, что он кодирует информацию на собственном «языке», понятном только другому такому же устройству — и то после соответствующей настройки. Впечатляющие алгоритмические возможности «микроволнового мозга», как они его называют, приведены в статье в Nature Communications.
В его основе — первая в мире интегральная микроволновая нейронная сеть, спроектированная и экспериментально проверенная в Корнеллском университете. Год назад исследователи показали, что аналоговая обработка токенов на частотах порядка 10–14 ГГц позволяет значительно увеличить скорость обработки данных и минимизировать при этом потребляемую мощность. В новой работе изучили, насколько эффективными получаются микроволновые токены для выполнения практических задач.
«Мне нравится представлять это как создание микроволнового лексикона. Одна микроволновая нейросеть может отправлять такие сообщения, что их поймет только другая такая же нейросеть», — говорит инженер-электроник Бал Говинд, ведущий автор исследования.
Нелинейная физика СВЧ-диапазона, заложенная в чипе, позволяет преобразовывать информацию — например, команды навигации для дрона или спутника — в характерные микроволновые импульсы-«токены», которые сохраняют взаимосвязи между отдельными фрагментами данных. Для этого требуется значительно меньше полосы пропускания и энергии, чем в традиционных системах связи, где аналоговые радиосигналы сначала оцифровываются, и только потом из них извлекается полезная информация.
Чип, который заставил физику работать на его создателей
«Мы заставляем физику работать на нас. Вместо передачи, скажем, строки программного кода, мы можем представить те же инструкции всего несколькими микроволновыми импульсами, которые другая микроволновая нейросеть сможет интерпретировать мгновенно», — приводит пример исследователь.
Поскольку каждая микроволновая нейросеть обладает уникальными физическими характеристиками и генерирует широкий набор частот, ее можно перенастраивать для различных задач — как сенсорных, так и вычислительных.
Технология может стать основой для нового типа аппаратной кибербезопасности. Чтобы расшифровать передачу, потребуется не только еще одна микроволновая нейросеть, но и правильная последовательность ее настройки — «почти как схема с открытым и закрытым ключами», отмечает Говинд.
Авторы обнаружили также, что при подаче на чип гигабитных потоков данных он естественным образом генерирует вероятностные биты (так называемые p-биты), значения которых не фиксированы, а зависят от входящего сигнала. Для демонстрации этой возможности через чип пропустили спутниковый снимок тропического шторма, и он сжал его в восемь раз, сохранив все важные детали.
«Малые спутники часто не могут передавать на Землю объемные снимки из-за ограничений по питанию или жестких требований к полосе частот, установленных Федеральной комиссией по связи. Приходится ограничиваться простыми данными, вроде координат GPS, при этом теряя большую часть значимой информации. Мы показали, что наш чип способен решить эту проблему», — подчеркивает ученый.
Покушение на теоретические устои
Возможности чипа так велики, что, на первый взгляд, выходят за рамки теоретических ограничений. Данные на вход устройства поступают со скоростью 2,5 Гбит/с, а обрабатывает оно их с частотой дискретизации 625 МГц. Теорему Котельникова-Найквиста, которая прямо требует частоты, вдвое большей, чем верхняя граница диапазона, обошли, если по-простому, сжатием «на ходу» — из восьми бит АЦП выбирает только значащие, отсекая избыточность.
Остается добавить, что микроволновый «мозг» потребляет меньше ватта и совместим с техпроцессом КМОП 45 нм.
