Cornell-onderzoekers ontwikkelen energiezuinige 'microgolfbrein'-chip voor berekeningen

Onderzoekers van de Cornell University hebben een geïntegreerd siliciummicrochip-neuraal netwerk ontwikkeld dat zij de 'microgolfbrein' noemen. Deze chip is de eerste in zijn soort die in staat is om zowel ultrabrede datasignalen als draadloze communicatiesignalen te verwerken door gebruik te maken van de fundamentele natuurkunde van microgolven. De architectuur, die een fundamentele verschuiving in computerparadigma's belooft, werd op 14 augustus 2025 gedetailleerd beschreven in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Electronics. Deze ontwikkeling is cruciaal in het licht van de toenemende wereldwijde vraag naar snellere en energiezuinigere rekenkracht, met name voor toepassingen in edge computing.

De chip voert in real-time berekeningen uit in het frequentiedomein voor functies als het decoderen van radiosignalen, radardoeltracking en algemene digitale gegevensverwerking. Een bepalend kenmerk van het ontwerp is het extreem lage energieverbruik, dat consistent onder de 200 milliwatt blijft, een fractie van wat vergelijkbare digitale neurale netwerken vereisen. De architectuur maakt gebruik van onderling verbonden modi binnen afstembare golfgeleiders. Deze op natuurkunde gebaseerde probabilistische methode vermijdt de omvangrijke circuit-overhead, het energieverbruik en de foutcorrectie die inherent zijn aan traditionele digitale systemen.

Door de analoge en niet-lineaire eigenschappen in het microgolfbereik te benutten, kan de chip gegevensstromen met snelheden in de orde van tientallen gigahertz verwerken, wat een aanzienlijke snelheidsverbetering oplevert ten opzichte van veel digitale chips. Prestatievalidatie toonde aan dat de chip een classificatieaccuraatheid van 88% of hoger behaalde bij diverse classificatietaken voor draadloze signalen, een niveau dat vergelijkbaar is met digitale netwerken maar met een veel kleiner vermogensprofiel. Het onderzoeksteam omvatte onder meer hoofdauteur Bal Govind en Maxwell Anderson, met steun van de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) en de NanoScale Science and Technology Facility van Cornell, deels gefinancierd door de National Science Foundation.

De implicatie voor de industrie is dat het gebruik van standaard CMOS-productieprocessen een levensvatbaar pad naar commerciële schaalbaarheid biedt, wat een architecturale verschuiving in computerparadigma's markeert. De inherente gevoeligheid van de hardware voor veranderingen in signaalgedrag opent toepassingen voor het monitoren van anomalieën in draadloze communicatie over meerdere frequentiebanden. Alyssa Apsel, directeur van de School of Electrical and Computer Engineering, gaf aan dat onderzoekers actief werken aan het verbeteren van de nauwkeurigheid en de integratie van de chip in bestaande platforms, met het oog op toepassingen in apparaten zoals smartwatches. Dit project vervaagt de traditionele scheidslijn tussen hardware voor communicatie en die voor berekeningen, wat een toekomst suggereert waarin apparaten hun eigen processor en antenne in één efficiënte eenheid integreren.