گروهی از پژوهشگران دانشگاه کرنل موفق شده‌اند نخستین تراشه مایکروویوی دنیا را بسازند که ساختاری متفاوت از مدارهای دیجیتال معمولی داشته و از امواج مایکروویو آنالوگ برای انجام محاسبات استفاده می‌کنددر تست‌های اولیه این کامپیوترها سرعتی بسیار بالاتر از پردازنده‌های رایج داشته و مصرف انرژی آنها ده‌ها برابر کمتر از پردازنده‌های مرسوم دیجیتال است.

اگرچه دنیای محاسبات دیجیتال به ما کمک کرده تا کامپیوترهای امروزی را به بهترین شکل بسازیم ولی حقیقت این است که این حوزه هیچ‌گاه توانایی نزدیک شدن به حجم اطلاعات بی‌پایان دنیای آنالوگ نیست. مهم این است که ما بتوانیم به راهکارهایی بهینه برای استفاده بهتر از آنها برسیم. یکی از راهکارها ساخت کامپیوترهای آنالوگ واقعی است و چه چیزی بهتر از امواج رادیویی برای استفاده به عنوان بستر تبادل و پردازش داده آنالوگ.

در همین حوزه و در حالی که رقابت برای دستیابی به سرعت پردازش بیشتر و مصرف انرژی کمتر روزبه‌روز شدت می‌گیرد، گروهی از پژوهشگران دانشگاه کرنل توانسته‌اند به نقطه عطفی در تاریخ محاسبات برسند: ساخت نخستین تراشه مایکروویوی جهان.

این تراشه برخلاف پردازنده‌های معمول، از امواج مایکروویو آنالوگ برای انجام عملیات استفاده می‌کند و می‌تواند با سرعتی خارق‌العاده و مصرف توانی ناچیز، محاسبات را انجام دهد. اما کاربردهای این پردازنده‍‌ها چیست و چطور می‌توانند دنیای آینده ما را متحول کنند؟

پردازش آنالوگ امواج به جای دیجیتالی کردن آنها

بنابر گزارش وبسایت Live Science، تیمی از دانشمندان دانشگاه کرنل با انتشار مقاله‌ای در مجله معتبر Nature Electronics از ساخت اولین شبکه عصبی مایکروویوی (Microwave Neural Network – MNN) قابل پیاده‌سازی روی تراشه خبر داده‌اند. این فناوری تازه می‌تواند سرعت پردازش را به شکل چشمگیری افزایش دهد و در عین حال، انرژی مصرفی را تا حد زیادی کاهش دهد.

تراشه جدید از امواج مایکروویو در محدوده آنالوگ طیف الکترومغناطیسی استفاده می‌کند تا داده‌ها را پردازش کند. این امواج، الگویی شبیه به شانه فرکانسی ایجاد می‌کنند که به تراشه امکان می‌دهد فرکانس‌ها را با دقت و سرعت بسیار بالا اندازه‌گیری و تحلیل کند.

بال گوویند، نویسنده اصلی پژوهش در این زمینه می‌گوید:

این تراشه قادر است در پهنه وسیعی از فرکانس‌ها به‌صورت برنامه‌پذیر تغییر شکل دهد و همین ویژگی آن را برای انجام انواع محاسبات قابل استفاده می‌کند. در واقع بسیاری از مراحل پیچیده‌ای که رایانه‌های دیجیتال برای پردازش سیگنال انجام می‌دهند، در اینجا حذف شده است.

سرعت پردازش ده‌ها برابر بیشتر از CPUهای امروزی

این تراشه از شبکه‌ای از گره‌های الکترومغناطیسی درون موج‌بَرهای (Waveguides) قابل تنظیم تشکیل شده که مانند نورون‌های مصنوعی عمل کرده و الگوها را در داده‌های ورودی تشخیص می‌دهند. در آزمایش‌های انجام‌شده، تراشه توانسته است عملیات منطقی ساده، تشخیص دنباله‌های دودویی و تحلیل داده‌های پرسرعت را با دقت ۸۸ درصدی انجام دهد.

در حالی که بیشتر پردازنده‌های خانگی در محدوده ۲٫۵ تا ۴ گیگاهرتز کار می‌کنند، این تراشه توانسته است ده‌ها گیگاهرتز (حدود ۲۰ میلیارد عملیات در ثانیه) را پردازش کند که این بدان معناست که از نظر فنی پتانسیل رسیدن به سرعتی چندین برابر سریع‌تر از CPUهای امروزی برای آنها وجود دارد.

آلیسا آپسل، مدیر دانشکده مهندسی برق و رایانه دانشگاه کرنل، در این باره می‌گوید:

بال بسیاری از الگوهای سنتی طراحی مدار را کنار گذاشته و به‌جای تقلید از شبکه‌های عصبی دیجیتال، ساختاری ایجاد کرد که بیشتر به ترکیبی کنترل‌شده از رفتارهای فرکانسی شباهت دارد. همین تغییر رویکرد باعث افزایش توان محاسباتی شده است.

مصرف برق 300 برابر کمتر پردازنده میکروویو

اما نکته بسیار مهم و جالب‌تر از سرعت بالا، در مصرف انرژی بسیار پایین این تراشه‌ها نهفته است. بنابر اعلام تیم توسعه دهنده این ایده، تراشه جدید تنها ۲۰۰ میلی‌وات (۰.۲ وات) برق مصرف می‌کند که تقریباً به اندازه توان خروجی یک گوشی ساده است. برای مقایسه در نظر داشته باشید که میزان توان TDP بسیاری از پردازنده‌های امروزی حداقل 300 برابر پردازنده میکروویو است.

به لطف این مصرف پایین، می‌توان از این تراشه در دستگاه‌های پوشیدنی، تجهیزات شخصی، سامانه‌های هوش مصنوعی لبه‌ای (Edge AI) و حتی زیرساخت‌های بی‌سیم آینده بهره برد. کاهش نیاز به ارتباط با سرور مرکزی نیز به معنای کاهش چشمگیر تأخیر در پردازش داده است.

پژوهشگران کرنل اعلام کرده‌اند که در گام بعدی قصد دارند طراحی تراشه میکروویو را ساده‌تر و کوچک‌تر کنند. همچنین نسخه‌های آینده با استفاده از الگوهای طیفی به‌هم‌پیوسته می‌توانند خروجی غنی‌تری تولید کرده و عملکرد شبکه عصبی را بهینه‌تر کنند.

جمع‌بندی

ساخت این تراشه مایکروویوی می‌تواند آغازگر عصری تازه در پردازش داده باشد که در آن سرعت، مصرف انرژی پایین و قدرت تطبیق هوش مصنوعی در قالب تراشه‌ای کوچک تجمیع شده‌اند. شاید در آینده نه‌چندان دور، رایانه‌ها و تجهیزات هوشمند ما به جای ترانزیستور، با امواج مایکروویو کار کنند.