Представьте чип размером с монету, который обрабатывает данные на скоростях 5G, решает задачи искусственного интеллекта и передает сигналы без отдельной антенны. При этом он потребляет всего 200 мВт — в разы меньше, чем цифровые аналоги с сопоставимой мощностью. Это не фантазия, а реальная разработка Корнеллского университета, названная «микроволновым мозгом».

Чип работает на частотах в десятки гигагерц, совмещая вычисления и передачу данных. При этом он настолько компактен, что по размеру сопоставим с умными часами. Давайте посмотрим, как эта технология работает и какие у нее перспективы.

Как физика микроволн заменяет цифровую логику

Обычные процессоры, от смартфонных чипов до серверных монстров, опираются на цифровую логику. Данные кодируются в нули и единицы, которые проходят через логические вентили по строгому расписанию тактового генератора. Это надежно, но энергозатратно и медленно для задач вроде анализа радиосигналов или машинного обучения. Команда Корнелла пошла другим путем, заменив биты и вентили аналоговыми волноводами, которые управляют микроволновыми сигналами. На кремниевом чипе такие структуры управляют микроволнами, кодируя информацию в их амплитуде, фазе и частоте. Когда волны накладываются друг на друга, возникает сложная интерференционная картина — по сути физический аналог работы нейросети, только без цифровых вычислений.

Каждый волновод действует как элемент обработки, аналогичный нейрону в биологической сети, но функционирует на физическом уровне. Сигналы накладываются друг на друга в аналоговой форме, и это позволяет быстро выделять и преобразовывать данные. В тестах чип показал скорость обработки до 20 ГГц — это уровень современных радаров или 5G-сетей.

Гибкость обеспечивают миниатюрные элементы — электронные тюнеры и фазовые модуляторы. Они позволяют перенастраивать прохождение сигналов внутри чипа, чтобы решать разные задачи — от классификации радиосигналов до поиска аномалий. Такая архитектура сокращает зависимость от внешних вычислительных ресурсов и делает устройство самодостаточным. В тестах прототип показал точность 88% при анализе беспроводных сигналов, что сравнимо с цифровыми нейросетями, но без их громоздкой инфраструктуры.

Важный аспект — энергоэффективность. По данным IEEE Spectrum, аналоговые системы, подобные этой, могут потреблять на 50–70% меньше энергии, чем цифровые, при выполнении задач машинного обучения. Это делает чип перспективным для устройств с минимальным питанием, таких как носимая электроника или автономные датчики. Сейчас прототип пока находится на стадии лабораторных тестов. Для массового производства потребуется решить вопросы совместимости с существующими системами и точной настройки волноводов.

Где пригодится новая разработка

Микроволновой чип объединяет вычисления и передачу данных, поэтому его можно использовать в самых разных сферах. В телекоммуникациях он способен упростить базовые станции 5G, заменив несколько блоков одним компактным модулем. Такой чип может не только анализировать радиотрафик и находить аномалии, но и сразу передавать результаты без лишних радиомодулей. Это особенно важно для устройств на периферии сетей, где каждый миллиметр и ватт на счету. Например, датчики в умных городах смогут обрабатывать данные прямо на месте и отправлять лишь итоговую информацию.

В радиолокации технология тоже показывает себя с лучшей стороны. Чип может отслеживать цели, анализируя сложные сигналы в реальном времени, что делает его перспективным для военных и гражданских радаров. Его способность распознавать паттерны позволяет, например, выявлять помехи в перегруженных частотных диапазонах или обнаруживать киберугрозы в беспроводных сетях.

Потребительская электроника — еще одна область, где микроволновой чип может изменить правила игры. Представьте смарт-очки, которые распознают объекты или переводят речь в реальном времени, не отправляя данные в облако. Или наушники, адаптирующиеся к голосу владельца без задержек. Такие устройства станут возможны благодаря локальной обработке ИИ-моделей на чипе, что повысит не только скорость, но и конфиденциальность. В отличие от современных гаджетов, где вычисления и связь разделены, этот чип объединяет их, сокращая размеры и стоимость.

Автономные системы — еще одно направление. Беспилотные автомобили и дроны требуют быстрой обработки сенсорных данных и надежной связи. Микроволновой чип может одновременно анализировать показания лидара, радара и камер, а также обмениваться информацией с другими устройствами через протоколы вроде V2X. Его компактность и низкое энергопотребление делают его идеальным для таких задач. Например, исследования MIT показывают, что аналоговые чипы могут сократить энергозатраты на обработку данных в автономных системах до 10 раз по сравнению с цифровыми аналогами.

Вызовы, конечно, остаются. Требуются новые подходы к дизайну и тестированию, а производство аналоговых компонентов сложнее из-за необходимости высокой точности. Но потенциал технологии огромен: она может сделать устройства умнее, компактнее и автономнее, особенно в условиях, где каждый ватт и миллиметр на счету.

Куда приведет микроволновая революция

Разработка Корнелла показывает, что в будущем вычисления и связь могут слиться воедино. Один чип сможет и обрабатывать данные, и передавать их дальше, меняя привычную архитектуру устройств. Смартфон с процессором-антенной, датчик, который сам анализирует информацию, или медицинский имплантат, отправляющий врачу отчеты, — все это уже не фантастика. Такой подход делает устройства проще и экономичнее, что особенно важно для техники нового поколения.

Аналоговые вычисления возвращают нас к идее использования физики для решения задач. Цифровые системы доминировали из-за универсальности, но их энергоэффективность уперлась в потолок. Микроволновой чип, напротив, использует естественные свойства волн для обработки данных, что делает его на порядки лучше в определенных сценариях. Исследования в области фотонных и аналоговых чипов подтверждают, что такие системы могут достичь скоростей до 100 ГГц, открывая путь к сетям 6G и сверхбыстрым ИИ-приложениям.

Масштабирование технологии — следующий шаг. Текущий прототип работает на частотах до 20 ГГц, но исследователи уверены, что его можно адаптировать и для миллиметровых волн, которые используются в 6G. Это сделает чип основой для сверхбыстрых сетей, где устройства обмениваются данными почти мгновенно. Кроме того, его способность к адаптации позволяет создавать универсальные платформы, которые переключаются между задачами без перенастройки. Это идеально для динамичных сред, таких как автономные системы или умные города.

В потребительской отрасли можно ждать гаджетов, которые работают быстрее, дольше и станут «умнее». Смарт-часы, распознающие жесты или анализирующие здоровье без облака, или дроны, принимающие решения «на лету» — в прямом и переносном смысле, да.

Это перспективы открываются благодаря компактным и энергоэффективным чипам. Но путь к массовому рынку потребует времени: разработчикам предстоит адаптировать софт под гибридные архитектуры и наладить производство. Поддержка DARPA и Национального научного фонда говорит о серьезных намерениях, и, если проект оправдает ожидания, через 5–10 лет мы увидим устройства, где процессор станет не только мозгом, но и голосом. А что думаете вы? Пишите в комментариях.