Gli ingegneri della Cornell University hanno sviluppato il primo cervello a microonde al mondo, un microchip innovativo che elabora i dati utilizzando le microonde invece dei tradizionali circuiti digitali. Questo processore è la prima rete neurale a microonde completamente funzionale costruita direttamente su un chip di silicio.
Il cervello a microonde: un processore rivoluzionario della cornell
Questo nuovo tipo di microchip sfrutta le proprietà uniche delle microonde per elaborare sia dati ultraveloci sia segnali di comunicazione wireless. Le sue prestazioni derivano dall’architettura, che funge da rete neurale, un sistema ispirato al cervello umano. A differenza delle reti neurali standard basate su operazioni digitali e istruzioni sincronizzate, questo sistema opera nella gamma delle microonde analogiche.
Il chip utilizza modalità elettromagnetiche interconnesse all’interno di guide d’onda sintonizzabili per riconoscere modelli e adattarsi alle informazioni in arrivo. Esegue i calcoli in tempo reale nel dominio della frequenza, evitando così il gran numero di passaggi di elaborazione del segnale che i computer digitali devono normalmente eseguire. Questo processore è caratterizzato da un basso consumo energetico e da una velocità di elaborazione notevolmente superiore.
È in grado di elaborare flussi di dati nell’ordine delle decine di gigahertz, superando di gran lunga la velocità della maggior parte dei processori digitali. Tutto ciò è ottenuto consumando meno di 200 milliwatt di potenza.
Poiché è in grado di “distorcere in modo programmabile su un’ampia banda di frequenze istantaneamente,” il chip può essere riutilizzato per diverse attività di elaborazione, rendendolo estremamente versatile! Questo piccolo processore a basso consumo esegue attività in tempo reale come la decodifica del segnale radio, il tracciamento radar e l’analisi/elaborazione dei dati digitali, tutto in un batter d’occhio.
Oltre i circuiti convenzionali
Il successo del chip cervello a microonde è dovuto a una drastica re-immaginazione del design.
“Bal ha scartato gran parte della progettazione di circuiti convenzionali per raggiungere questo obiettivo”, ha affermato Alyssa Apsel, professoressa di ingegneria e co-autrice senior insieme a Peter McMahon. La professoressa Apsel ha aggiunto che anziché tentare di imitare esattamente la struttura delle reti neurali digitali, il team ha creato “qualcosa che assomiglia più a un insieme controllato di comportamenti di frequenza che può in ultima analisi fornire un calcolo ad alte prestazioni”.
Il chip risultante è in grado di gestire sia semplici operazioni logiche sia compiti più avanzati, come il riconoscimento di sequenze binarie o l’identificazione di pattern in dati ad alta velocità. Nelle sfide di classificazione del segnale wireless, il processore ha raggiunto tassi di accuratezza dell’88% o superiori. Questo risultato eguaglia le prestazioni delle reti neurali digitali, ma utilizza solo una frazione della loro energia e del loro spazio.
Come spiegato dall’autore principale Govind, nei sistemi digitali tradizionali, l’aumento della complessità delle attività richiede più circuiti, più potenza e maggiore correzione degli errori per mantenere la precisione. “Ma con il nostro approccio probabilistico, siamo in grado di mantenere un’elevata precisione sia nei calcoli semplici che in quelli complessi, senza questo sovraccarico aggiuntivo”, ha sottolineato Govind.
Secondo i ricercatori, l’estrema sensibilità del chip agli input lo rende particolarmente adatto per le applicazioni di sicurezza hardware. Può, ad esempio, essere utilizzato per il rilevamento di anomalie nelle comunicazioni wireless su più bande di frequenze a microonde.
Il potenziale di riduzione del consumo energetico proietta il chip verso l’edge computing. “Pensiamo anche che se riducessimo ulteriormente il consumo energetico, potremmo implementarlo in applicazioni come l’edge computing”, ha affermato la professoressa Apsel. Ciò significherebbe la possibilità di implementarlo su dispositivi personali come uno smartwatch o un telefono cellulare, permettendo di creare modelli nativi sul dispositivo intelligente e riducendo la dipendenza da un server cloud per ogni operazione.
Ottimizzazione e integrazione
Nonostante il rivoluzionario “cervello a microonde” sia attualmente in fase sperimentale, l’ottimismo che circonda il suo potenziale di scalabilità è alle stelle! I ricercatori della Cornell non si limitano ad aver creato un prototipo; stanno attivamente plasmando il percorso per trasformare questa innovazione da laboratorio in un componente essenziale dei sistemi informatici del domani.
Il lavoro dei ricercatori si concentra su due fronti cruciali per far sì che il chip superi la fase sperimentale: l’incremento della precisione operativa e la sua perfetta integrazione nelle infrastrutture esistenti.
L’obiettivo primario è spingere i limiti delle sue prestazioni attuali. Sebbene il chip abbia già dimostrato un’accuratezza notevole, eguagliando le reti neurali digitali con una frazione dell’energia, gli scienziati stanno sperimentando metodologie avanzate per affinare ulteriormente la sua capacità di calcolo. Ogni decimo di punto percentuale guadagnato in precisione rafforza la sua competitività e apre la porta a compiti di calcolo ad alta criticità dove l’affidabilità è non negoziabile.
Il secondo, grande passo è l’integrazione. Il vero potere di questa tecnologia non sta nell’essere un sistema isolato, ma nel diventare un acceleratore specializzato all’interno delle piattaforme di elaborazione attuali.
I ricercatori stanno studiando come il chip possa essere integrato fluidamente sia nelle piattaforme di elaborazione digitale convenzionali, agendo magari come coprocessore iper-efficiente, sia nelle piattaforme a microonde esistenti, dove potrebbe rivoluzionare la decodifica e l’analisi dei segnali radio in tempo reale. Questo processo di integrazione mira a creare sistemi ibridi che sfruttino il meglio di entrambi i mondi: la flessibilità e l’affidabilità del digitale unita alla velocità e all’efficienza energetica dell’elaborazione a microonde.
La fiducia nella scalabilità del chip è ben riposta. Un processore che offre prestazioni edge computing con una potenza così irrisoria rappresenta un game-changer per l’industria.
L’attuale fase di ricerca non è solo tecnica, è anche strategica, ponendo le basi per una produzione di massa che renderà questa tecnologia accessibile. La sua piccola dimensione e la compatibilità con i processi produttivi del silicio standard suggeriscono che, una volta ottimizzato, il cervello a microonde potrà essere prodotto in grandi volumi, portando la sua potenza di calcolo ultra-veloce ed efficiente direttamente nei nostri dispositivi quotidiani, nelle reti di comunicazione e nei sistemi di sicurezza hardware di prossima generazione.
Lo studio è stato pubblicato su Nature.
