康奈尔大学的工程师们研制出了世界上首个“微波大脑”——这是一种革命性的微芯片，它利用微波而非传统数字电路进行计算。

这款微型低功耗处理器能够执行信号解码、雷达跟踪和数据分析等实时任务，且功耗不到200毫瓦。

康奈尔大学“微波大脑”研究取得突破性进展

康奈尔大学的科学家们研制出一种新型低功耗微芯片，名为“微波大脑”，它能够利用微波的独特属性，同时处理超高速数据和无线通信信号。

近日发表于《自然·电子学》期刊的这款处理器，是首个直接构建于硅芯片之上、功能完备的微波神经网络。它能在频域内实时执行复杂运算，适用于无线电信号解码、雷达追踪及数字数据处理等高要求任务，且功耗不足200毫瓦。

可重写信号处理的芯片

首席作者巴尔·戈文德（Bal Govind）表示：“由于它能够在宽频范围内以可编程的方式瞬间实现信号失真，因此可重新用于多种计算任务。”巴尔·戈文德是一名博士生，他与同为博士生的麦克斯韦·安德森（Maxwell Anderson）共同开展了这项研究。“它绕过了数字计算机通常必须执行的大量信号处理步骤。”

该芯片的性能源自其架构，其架构仿照神经网络构建——这一系统受人类大脑启发而生。它利用可调波导内相互连接的电磁模式来识别模式并适应输入信息。与依赖数字运算和时钟定时指令的标准神经网络不同，该系统在模拟微波频段运行，能够处理数十吉赫兹的数据流，其速度远超大多数数字处理器。

摒弃数字化策略手册

“为了实现这一目标，巴尔摒弃了许多传统电路设计理念，”工程学教授艾丽莎·阿普塞尔（Alyssa Apsel）说道，她与应用与工程物理学副教授彼得·麦克马洪（Peter McMahon）共同担任本文的资深作者。“他并未尝试精确模仿数字神经网络的结构，而是创造了一种更像是受控的频率行为混合体的东西，这种设计最终能实现高性能计算。”

其成果是一款芯片，它既能处理简单的逻辑运算，也能执行更高级的任务，例如识别二进制序列或识别高速数据中的模式。在多个无线信号分类挑战中，该芯片的准确率达到了88%甚至更高，其性能可与数字神经网络相媲美，而能耗和占用空间却仅为其一小部分。

低能耗实现更智能计算

戈文德表示：“在传统数字系统中，随着任务复杂性的提升，需要更多的电路、更多的能耗以及更强的纠错能力来维持精准度。”“但我们的概率计算方法，无需增加额外开销，就能在简单计算和复杂计算中均保持高精准度。”

据研究人员介绍，该芯片对输入信号极为敏感，因此非常适合用于硬件安全应用，例如在多个微波频段内感知无线通信中的异常情况。

面向设备端人工智能与边缘计算

阿普塞尔表示：“我们还认为，如果能进一步降低功耗，就能将其应用于边缘计算等领域。你可以把它部署在智能手表或手机上，在智能设备上直接构建原生模型，而不必事事都依赖云服务器。”

尽管该芯片仍处于试验阶段，但研究人员对其可扩展性持乐观态度。他们正尝试多种方法，力求提升其精度，并将其集成到现有的微波与数字处理平台之中。

参考文献：巴拉·戈文德（Bala Govind）、麦克斯韦·G·安德森（Maxwell G. Anderson）、范·O·吴（Fan O. Wu）、彼得·L·麦克马洪（Peter L. McMahon）和艾丽莎·阿普塞尔（Alyssa Apsel）所著《用于宽带计算与通信的一体化微波神经网络》，发表于2025年8月14日《自然·电子学》期刊。 DOI：10.1038/s41928-025-01422-1

这项成果源于国防高级研究计划局与康奈尔大学纳米科学和技术中心共同支持的一个大型项目中的探索性研究，而康奈尔大学纳米科学和技术中心的部分资金由国家科学基金会提供。