Инженеры из Калифорнийского университета в Ирвайне представили трансивер, который повышает частотный диапазон радиочастот до 140 ГГц, обеспечивая скорость передачи данных, сопоставимую со скоростью физических волоконно-оптических кабелей. По их словам, это закладывает основу для перехода к протоколам передачи данных 6G и более продвинутым.

Для создания трансивера исследователи разработали уникальную архитектуру, сочетающую цифровую и аналоговую обработку. В результате получилась система на основе кремниевых чипов, включающая передатчик и приёмник, способная обрабатывать цифровые сигналы значительно быстрее и с гораздо большей энергоэффективностью, чем ранее доступные технологии.

Команда из Лаборатории интегральных схем наноразмерной связи Калифорнийского университета в Ирвайне описывает свою работу в двух статьях, опубликованных в журнале IEEE Journal of Solid-State Circuits. В одной статье инженеры обсуждают технологию, которую они называют передатчиком «биты-антенна», а во второй — приёмник «антенна-биты».

«Мы называем эту технологию “беспроводным волоконно-оптическим патч-кордом”, потому что она обеспечивает невероятную скорость волоконной оптики без физических кабелей. Работая в F-диапазоне — частотном диапазоне, значительно превышающем текущие стандарты 5G, — мы можем обеспечить огромную полосу пропускания, которая изменит способы связи машин, роботов и центров обработки данных», — сказал профессор электротехники и информатики Калифорнийского университета Паям Хейдари.

По его словам, этот прорыв является кульминацией долгосрочной стратегической концепции. Команда начала разрабатывать её в 2020 году, осознав, что традиционные архитектуры микросхем смешанных сигналов, которые в значительной степени полагаются на энергоёмкие преобразователи данных, в конечном итоге «упрутся в предел производительности».

«Мы поняли, что для достижения заветной отметки в 100 гигабит в секунду — что в 100 раз превышает скорость современных беспроводных устройств — без расплавления чипа нам необходимо было коренным образом переосмыслить топологию схемы. Мы разработали новые, полностью аналоговые архитектуры, которые могли бы преодолеть серьёзные проблемы с энергопотреблением, характерные для высокоскоростных разработок», — сказал Хейдари. 

Команда понимала, что с ростом скорости граница между цифровым и аналоговым сигналами должна смещаться. Перенеся основную работу в аналоговую область, они смогли обойти неэффективность, ограничивающую стандартные чипы 5G. Хейдари отметил, что академические исследователи и инженеры давно сталкиваются с проблемой: 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 сократилось бы за считанные минуты. Наша группа разработала трансивер, который преодолевает существующие ограничения, выполняя сложные вычисления в аналоговой области, а не в энергоемкой цифровой области», — сказал он. 

Новый сквозной трансивер работает со скоростью 120 гигабит в секунду, чего достаточно для мгновенной передачи нескольких фильмов в формате 4K.

«Федеральная комиссия по связи и организации, занимающиеся стандартизацией 6G, рассматривают диапазон 100 ГГц как новый рубеж. Но на таких скоростях обычные передатчики, создающие сигналы с помощью цифро-аналоговых преобразователей, невероятно сложны и энергоёмки, и сталкиваются с тем, что мы называем узким местом ЦАП», — говорит Цзисонг Ван, бывший докторант Калифорнийского университета в Ирвайне, работающий в Marvell Technology Inc.

По его словам, новый передатчик команды полностью исключает ЦАП, формируя сигналы непосредственно в радиочастотной области с помощью трёх синхронизированных субпередатчиков. «Это как идеально упаковать чемодан перед выходом из дома, вместо того чтобы пытаться организовать его, спеша в аэропорт», — отмечает Ван.

Мохаммад Овейси, аспирант Калифорнийского университета в Ирвайне и соавтор статьи об антенне и передаче данных, объяснил, что этот метод, известный как 64QAM в радиочастотной области, позволяет чипу работать невероятно эффективно, передавая больше данных без перегрева устройства. Наличие передатчиков и приёмников, способных обрабатывать такие высокочастотные данные, будет иметь решающее значение для наступления новой эры, в которой будут доминировать подключённые к интернету продукты, автономные транспортные средства и граничные вычисления на основе ИИ.

Ведущий автор статьи об антенне, Юссеф Хассан, ныне сотрудник компании Qualcomm, говорит: «Традиционные приёмники с трудом справляются с обработкой таких быстрых данных без использования массивных, энергоёмких компонентов, называемых аналого-цифровыми преобразователями, — сказал он. — Закон Мура предполагает, что мы можем просто уменьшить размеры транзисторов, чтобы ускорить передачу, но на таких экстремальных скоростях мы столкнулись с физическим препятствием, известным как узкое место выборки. Для оцифровки сигнала со скоростью 120 Гбит/с обычно требуются огромные аналого-цифровые преобразователи, потребляющие ватты энергии, что слишком много для смартфона».

Тогда команда и разработала приёмник, работающий умнее. «Мы разработали метод, называемый иерархической аналоговой демодуляцией. Разбивая сигнал иерархически в аналоговой области, разделяя сложные слои данных до их оцифровки, мы извлекаем данные, используя лишь малую часть энергии, обычно необходимой для этого», — объяснил Хасан. 

Он отметил, что чип приёмника, изготовленный по 22-нанометровой технологии с полностью обеднённым кремнием на изоляторе, потребляет всего 230 милливатт энергии, и это делает его достаточно эффективным для портативных устройств.

Хейдари отметил, что, помимо обеспечения передачи в диапазоне 140 ГГц, архитектура приёмопередатчика «биты-антенна» позволяет производить его серийно по более низкой цене.

«Наша инновация устраняет необходимость в километрах сложной медной проводки внутри центров обработки данных. Операторы центров обработки данных могут создавать сверхбыстрые беспроводные каналы связи между серверными стойками, значительно экономя на оборудовании, охлаждении и электроэнергии», — сказал он. 

Хейдари добавил, что для поддержки этого исследовательского проекта были использованы стандартные услуги по изготовлению полупроводников, что доказывает возможность создания чипов с использованием стандартных п��оизводственных процессов.

Исследование финансировалось в рамках программы Microelectronics Commons Министерства обороны США.

Между тем производитель электроакустического оборудования «Октава ДМ» представил новую активную распределительную систему OWS-ADS. Она позволяет использовать один комплект антенн с несколькими приёмниками. Система поддерживает работу не более четырёх приёмников одновременно. Она работает в диапазоне частот от 470 до 780 МГц.