Oamenii de știință au dezvoltat un tip complet nou de microcip care, în loc să folosească circuite digitale convenționale, efectuează operații folosind microunde.
Acest procesor inovator, descris ca prima rețea neuronală cu microunde (MNN) complet funcțională din lume care poate fi integrată pe un cip, ar putea funcționa mult mai rapid decât cipurile convenționale și ar putea revoluționa viitoarele sisteme de inteligență artificială și comunicațiile wireless.
Studiul a fost publicat pe 14 august în revista Nature Electronics.
Anumite aplicații care necesită o lățime de bandă uriașă, cum ar fi imagistica radar, au nevoie de o procesare extrem de rapidă. Microundele, care funcționează în spectrul analogic, pot satisface aceste nevoi, motiv pentru care cercetătorii au explorat această nouă abordare a calculului.
„Deoarece este capabil să distorsioneze instantaneu într-un mod programabil pe o bandă largă de frecvențe, poate fi reutilizat pentru mai multe sarcini de calcul. Acesta ocolește un număr mare de etape de procesare a semnalului pe care computerele digitale trebuie să le efectueze în mod normal.”, a declarat autorul principal al studiului, Bal Govind, doctorand la Universitatea Cornell, într-un comunicat.
Cum funcționează un cip alimentat cu microunde
Cipul folosește unde analogice din gama de microunde a spectrului electromagnetic în cadrul unei rețele neuronale de inteligență artificială (AI). Acest proces generează un model asemănător unui pieptene în forma de undă a microundelor. Liniile precise din acest pieptene de frecvență acționează ca o riglă, permițând măsurători extrem de rapide și precise ale frecvențelor.
Rețelele neuronale, care stau la baza acestui cip, sunt colecții de algoritmi de învățare automată inspirați de structura creierului uman. Acest „creier cu microunde” utilizează noduri electromagnetice interconectate pentru a identifica modele în seturi mari de date și a se adapta la informațiile primite.
Circuitul integrat (MNN) procesează componentele spectrale – adică frecvențele individuale dintr-un semnal – prin captarea caracteristicilor datelor de intrare pe o lățime de bandă foarte largă.
În cadrul studiului, cipul a demonstrat că poate rezolva atât operații logice simple, cât și calcule avansate, cum ar fi recunoașterea secvențelor binare sau identificarea modelelor în date de mare viteză, atingând o rată de precizie de 88%.
Mai rapid și uimitor de eficient
Funcționând în gama analogică de microunde și folosind o abordare probabilistică, cipul poate procesa fluxuri de date de ordinul zecilor de gigahertzi. Aceasta înseamnă cel puțin 20 de miliarde de operații pe secundă.
Pentru a pune acest lucru în perspectivă, majoritatea procesoarelor din computerele personale funcționează de obicei între 2,5 și 4 gigahertzi (GHz), adică între 2,5 și 4 miliarde de operații pe secundă.
„Bal a renunțat la o mare parte din proiectarea circuitelor convenționale pentru a realiza acest lucru. În loc să încerce să imite exact structura rețelelor neuronale digitale, el a creat ceva care seamănă mai mult cu un amestec controlat de comportamente de frecvență care, în cele din urmă, poate oferi o calculare de înaltă performanță.”, a declarat Alyssa Apsel, coautor principal și director al Școlii de Inginerie Electrică și Informatică de la Cornell.
Govind a adăugat că sistemele digitale convenționale necesită mai multe circuite, mai multă putere și mai multă corecție a erorilor pentru a menține acuratețea. În schimb, această abordare probabilistică a menținut o acuratețe ridicată atât în calcule simple, cât și complexe, fără costuri suplimentare.
Poate cea mai remarcabilă caracteristică este consumul redus de energie. Cipul cu microunde poate funcționa cu mai puțin de 200 de miliwați (sub 0,2 wați), ceea ce reprezintă aproximativ aceeași putere de transmisie ca și telefoanele mobile. În comparație, majoritatea procesoarelor desktop necesită o putere de intrare de cel puțin 65 de wați.
Acest consum incredibil de redus înseamnă că cipul ar putea fi instalat în dispozitive personale sau tehnologii purtabile. Este o tehnologie promițătoare pentru „calculul de margine” (edge computing), deoarece ar putea reduce latența eliminând necesitatea conectării la un server central. De asemenea, ar putea oferi o alternativă de procesare de înaltă performanță și consum redus pentru antrenarea modelelor complexe de IA.
Următorul pas al cercetătorilor va fi simplificarea designului prin reducerea numărului de componente și micșorarea și mai mult a cipului.
Ceea ce face această lucrare cu adevărat semnificativă nu este doar saltul de viteză, ci ocolirea unei bariere fundamentale. Modelele actuale de IA consumă cantități enorme de energie tocmai pentru că forțăm hardware-ul digital, binar, să imite procese care sunt, în esență, analogice și probabilistice – așa cum funcționează creierul.
Acest cip cu microunde nu încearcă să imite creierul folosind reguli digitale; el folosește direct fizica undelor analogice pentru a ajunge la un rezultat „suficient de bun” (probabilistic), cu o eficiență energetică de sute de ori mai mare. Nu este doar o îmbunătățire; este o potențială schimbare de paradigmă, mutând calculul AI de la forța brută digitală la o eficiență inspirată de lumea analogică.
