Инженеры изобрели беспроводной трансивер, который по скорости может конкурировать с оптоволоконным кабелем

Новый трансивер, изобретенный инженерами-электриками Калифорнийского университета в Ирвине, повышает радиочастоты до 140 гигагерц, открывая возможности передачи данных, конкурирующие со скоростями физических волоконно-оптических кабелей, и закладывает основу для перехода к протоколам передачи данных 6G и FutureG.

Чтобы создать трансивер, исследователи из Инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Ирвине разработали уникальную архитектуру, сочетающую в себе цифровую и аналоговую обработку. Результатом является система на основе кремниевых чипов, включающая в себя как передатчик, так и приемник, которая способна обрабатывать цифровые сигналы значительно быстрее и с гораздо большей энергоэффективностью, чем ранее доступные технологии.

Команда из лаборатории наномасштабных коммуникационных интегральных схем Калифорнийского университета в Ирвайне изложила свою работу в двух статьях, опубликованных в этом месяце в журнале Журнал IEEE твердотельных схем. В одном из них инженеры обсуждают технологию, которую они называют «бит-антенна“передатчик, а во втором они свои прикрывают”антенна-биты“приемник.

«Мы называем эту технологию «беспроводным оптоволоконным патч-кордом», потому что она обеспечивает невероятную скорость оптоволокна без физических кабелей», — сказал Пайам Хейдари, директор NCIC Labs, профессор электротехники и информатики канцлера Калифорнийского университета в Ирвине и старший автор обеих статей. «Работая в F-диапазоне — диапазоне частот, значительно превышающем нынешние стандарты 5G, — мы можем предложить огромную полосу пропускания, которая изменит способы взаимодействия машин, роботов и центров обработки данных».

Он сказал, что этот прорыв является кульминацией долгосрочного стратегического видения. Его команда начала формулировать концепцию преобразования битов в антенну в 2020 году после того, как осознала, что традиционные архитектуры микросхем со смешанными сигналами, которые в значительной степени полагаются на энергоемкие преобразователи данных, в конечном итоге «упрутся в стену производительности».

Инновационные подходы к проектированию схем

«Мы поняли, что достичь неуловимого 100 гигабит в секунду Эта веха — которая в 100 раз превышает скорость современных беспроводных устройств — без плавления чипа нам пришлось фундаментально переосмыслить топологию схемы, — сказал Хейдари. — Мы придумали новые, полностью аналоговые архитектуры, которые могли бы преодолеть серьезные компромиссы в мощности, от которых страдают высокоскоростные конструкции».

Члены команды понимали, что с ростом скорости граница между цифровым и аналоговым должна сдвинуться. Перенеся тяжелую работу в аналоговую область, они могли бы обойти неэффективность, ограничивающую стандартные чипы 5G. Хейдари сказал, что академические исследователи и инженеры связи уже давно сталкиваются с узким местом: по мере увеличения скорости беспроводной связи мощность, необходимая для обработки этих данных, обычно резко возрастает.

«Если бы мы придерживались традиционных методов, время автономной работы устройств следующего поколения исчезло бы за считанные минуты», — сказал он. «Ответ нашей группы — трансивер, который преодолевает текущие ограничения, выполняя сложные вычисления в аналоговой области, а не в энергоемкой цифровой области».

Новый сквозной трансивер работает со скоростью 120 гигабит в секунду, что достаточно быстро для передачи нескольких фильмов 4K в мгновение ока.

Преодоление проблем передатчика и приемника

«Федеральная комиссия по связи и органы по стандартизации 6G рассматривают спектр 100 гигагерц как новый рубеж», — сказал Зисонг Ван, бывший докторант в области электротехники и информатики из Калифорнийского университета в Ирвине, сейчас работающий в Marvell Technology Inc. и ведущий автор статьи о битах и антеннах.

«Но на таких скоростях обычные передатчики, которые создают сигналы с помощью цифро-аналоговых преобразователей, становятся невероятно сложными, энергоемкими и сталкиваются с тем, что мы называем узким местом ЦАП».

Он сказал, что новый передатчик команды полностью исключает ЦАП, создавая сигналы непосредственно в радиочастотной области с использованием трех синхронизированных субпередатчиков. «Это все равно, что тщательно упаковать чемодан перед выходом из дома, а не пытаться привести его в порядок во время поездки в аэропорт», — сказал Ван.

Мохаммад Овейси, аспирант Калифорнийского университета в Ирвине и соавтор статьи об преобразовании антенны в биты, объяснил, что этот метод, известный как RF-domain 64QAM, позволяет чипу быть невероятно эффективным, отправляя больше данных без перегрева устройства. Наличие передатчиков и приемников, способных обрабатывать такие высокочастотные данные, будет иметь жизненно важное значение для вступления в новую эру, в которой доминируют подключенные к Интернету продукты, автономные транспортные средства и периферийные вычисления искусственного интеллекта, которые позволяют запускать приложения искусственного интеллекта и машинного обучения на локальных устройствах.

Устранение ограничений и эффективности приемника

Хотя эта цифровая мечта десятилетиями вдохновляла разработчиков технологий, появились камни преткновения, по словам ведущего автора статьи «Антенна-бит» Юсефа Хасана, бывшего докторанта Калифорнийского университета в Ирвине в области электротехники и информатики, в настоящее время работающего в Qualcomm.

«Традиционные приемники с трудом перехватывают такие быстрые данные без использования массивных энергозатратных компонентов, называемых аналого-цифровыми преобразователями», — сказал он. «Закон Мура предполагает, что мы можем просто уменьшить размер транзисторов, чтобы они работали быстрее, но на таких экстремальных скоростях мы упираемся в физическую стену, известную как узкое место выборки. Для оцифровки сигнала со скоростью 120 Гбит/с обычно требуются массивные аналого-цифровые преобразователи, которые потребляют ватты энергии, что слишком много для смартфона».

Вместо того, чтобы заставлять электронику работать усерднее, команда разработала приемник, который работает умнее.

«Мы разработали метод, называемый иерархической аналоговой демодуляцией», — объяснил Хассан. «Разбивая сигнал иерархически в аналоговой области, отделяя сложные слои данных перед их оцифровкой, мы извлекаем данные, используя часть обычно необходимой мощности».

Он отметил, что чип приемника, изготовленный по 22-нанометровой технологии полностью обедненного кремния на изоляторе, потребляет всего 230 милливатт энергии, что делает его достаточно эффективным для портативных устройств.

Потенциальное воздействие и будущие применения

Хейдари сказал, что помимо возможности передачи в диапазоне 140 гигагерц архитектура трансивера «бит-антенна» позволяет его массово производить с меньшими затратами, открывая путь к широкому внедрению.

«Наша инновация устраняет необходимость в длинных медных проводах внутри центров обработки данных», — сказал он. «Операторы ферм данных могут устанавливать сверхбыстрые беспроводные соединения между серверными стойками, экономя значительные деньги на оборудовании, охлаждении и электропитании».

Хейдари добавил, что для поддержки этого исследовательского проекта были использованы обычные услуги по производству полупроводников, доказав, что эти высокопроизводительные чипы могут быть созданы с использованием стандартных производственных процессов.