코넬 연구원, 칩에 최초의 '마이크로파 두뇌' 구축

연구진은 아날로그 마이크로파 물리학을 활용하여 최소한의 전력으로 고속 작업을 수행하는 "마이크로파 두뇌" 칩을 개발했습니다. 이는 안전한 무선 및 웨어러블 기술의 발전을 가져올 것으로 기대됩니다. 출처: Shutterstock

코넬 대학 연구진은 "마이크로파 브레인"이라고 부르는 저전력 마이크로칩을 개발했습니다. 이는 마이크로파의 물리학을 활용하여 초고속 데이터 신호와 무선 통신 신호를 모두 계산하는 최초의 프로세서입니다.

오늘 Nature Electronics 저널에 자세히 소개된 이 프로세서는 최초의 진정한 마이크로파 신경망으로, 실리콘 마이크로칩에 완벽하게 통합되어 있습니다. 무선 신호 디코딩, 레이더 표적 추적, 디지털 데이터 처리 등의 작업을 위한 실시간 주파수 영역 연산을 수행하며, 전력 소모량은 200밀리와트 미만입니다.

"넓은 주파수 대역에 걸쳐 프로그램 가능한 방식으로 왜곡을 즉시 처리할 수 있기 때문에 여러 컴퓨팅 작업에 재활용될 수 있습니다."라고 맥스웰 앤더슨(역시 박사과정 학생)과 함께 연구를 수행한 박사과정 학생이자 주저자인 발 고빈드는 말했다. "디지털 컴퓨터가 일반적으로 수행하는 수많은 신호 처리 단계를 건너뜁니다."

이러한 기능은 이 칩이 신경망으로 설계되었기 때문에 가능합니다. 신경망은 뇌를 모델로 한 컴퓨터 시스템으로, 가변 도파관에서 생성된 상호 연결된 모드를 사용합니다. 이를 통해 패턴을 인식하고 데이터로부터 학습할 수 있습니다. 하지만 디지털 연산과 시계에 의해 조정되는 단계별 명령에 의존하는 기존 신경망과 달리, 이 네트워크는 마이크로파 영역에서 아날로그 비선형 동작을 사용하여 수십 기가헤르츠의 데이터 스트림을 처리할 수 있습니다. 이는 대부분의 디지털 칩보다 훨씬 빠른 속도입니다.

"발은 이를 달성하기 위해 기존의 회로 설계를 상당 부분 폐기했습니다."라고 응용 및 공학 물리학 부교수인 피터 맥마흔과 공동 선임 저자인 공학 교수 앨리사 앱셀은 말했다. "발은 디지털 신경망의 구조를 그대로 모방하는 대신, 궁극적으로 고성능 계산을 제공할 수 있는 제어된 주파수 동작의 덩어리처럼 보이는 것을 만들어냈습니다."

이 칩은 저수준 논리 함수와 고속 데이터에서 비트 시퀀스 식별이나 이진 값 계산과 같은 복잡한 작업을 모두 수행할 수 있습니다. 무선 신호 유형을 포함하는 여러 분류 작업에서 88% 이상의 정확도를 달성했는데, 이는 디지털 신경망과 유사하지만 전력과 크기는 훨씬 적습니다.

고빈드는 "기존 디지털 시스템에서는 작업이 복잡해질수록 정확도를 유지하기 위해 더 많은 회로, 더 많은 전력, 그리고 더 많은 오류 수정이 필요합니다."라고 말했습니다. "하지만 저희의 확률론적 접근 방식을 사용하면 추가적인 오버헤드 없이 간단한 계산과 복잡한 계산 모두에서 높은 정확도를 유지할 수 있습니다."

연구원들에 따르면, 이 칩은 입력에 대한 극도의 민감성을 가지고 있어 여러 대역의 마이크로파 주파수에 걸친 무선 통신의 이상을 감지하는 것과 같은 하드웨어 보안 애플리케이션에 매우 적합하다고 합니다.

Apsel은 "전력 소비를 더욱 줄이면 엣지 컴퓨팅과 같은 애플리케이션에 적용할 수 있을 것으로 생각합니다."라고 말하며, "스마트워치나 휴대폰에 적용하여 모든 것을 클라우드 서버에 의존하지 않고도 스마트 기기에 네이티브 모델을 구축할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

이 칩은 아직 실험 단계이지만, 연구진은 확장성에 대해 낙관적입니다. 칩의 정확도를 높이고 기존 마이크로파 및 디지털 처리 플랫폼에 통합하는 방법을 연구하고 있습니다.

이 연구는 국방 고등 연구 계획국과 코넬 나노스케일 과학기술시설이 지원하는 대규모 프로젝트 내의 탐색적 노력에서 나왔으며, 이 프로젝트는 국가 과학 재단의 일부 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250814081937.htm