Разработан беспроводной приемопередатчик, не уступающий по скорости оптоволокну

Для создания приемопередатчика исследователи из Инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Ирвайне разработали уникальную архитектуру, сочетающую цифровую и аналоговую обработку. В результате получилась система на кремниевых чипах, включающая в себя передатчик и приемник, которая способна обрабатывать цифровые сигналы значительно быстрее и с гораздо большей энергоэффективностью, чем ранее доступные технологии.

Команда из Лаборатории наноразмерных интегральных схем Калифорнийского университета в Ирвайне описывает свою работу в двух статьях, опубликованных в этом месяце в IEEE Journal of Solid-State Circuits. В одной из них инженеры рассказывают о технологии, которую они называют «от битов к антенне», а во второй — о приёмнике «от антенны к битам».

«Мы называем эту технологию «беспроводным оптоволоконным патч-кордом», потому что она обеспечивает невероятную скорость оптоволоконной связи без физических кабелей», — сказал Паям Хейдари, директор NCIC Labs, профессор электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Ирвайне и старший автор обеих статей. «Работая в F-диапазоне — частотном диапазоне, который значительно превышает текущие стандарты 5G, — мы можем обеспечить огромную пропускную способность, которая изменит способы связи между машинами, роботами и центрами обработки данных».

Он сказал, что этот прорыв стал кульминацией долгосрочного стратегического планирования. Его команда начала разрабатывать концепцию «от бита до антенны» в 2020 году, когда стало ясно, что традиционные архитектуры микросхем со смешанными сигналами, в которых активно используются энергозатратные преобразователи данных, в конечном счёте «достигнут предела производительности».

«Мы поняли, что для достижения труднодостижимой цели скорости в 100 гигабит в секунду, которая в 100 раз превышает скорость современных беспроводных устройств, и при этом не расплавить микросхему, нам нужно было полностью переосмыслить топологию схемы, — сказал Хейдари. — Мы разработали новые полностью аналоговые архитектуры, которые могли бы решить проблему серьёзного снижения энергопотребления, характерного для высокоскоростных устройств».

Исследователи понимали, что с увеличением скорости граница между цифровым и аналоговым должна сместиться. Перенеся основную нагрузку в аналоговую область, они смогли обойти ограничения, связанные с неэффективностью стандартных чипов 5G. Хейдари сказал, что академические исследователи и инженеры-связисты уже давно столкнулись с проблемой: с увеличением скорости беспроводной связи энергопотребление, необходимое для обработки данных, обычно резко возрастает.

«Если бы мы придерживались традиционных методов, срок службы аккумуляторов устройств нового поколения сократился бы до нескольких минут, — сказал он. — Решение нашей группы — это приемопередатчик, который преодолевает текущие ограничения, выполняя сложные вычисления в аналоговом, а не энергозатратном цифровом режиме».

Новый приемопередатчик работает на скорости 120 гигабит в секунду, что позволяет передавать несколько фильмов в формате 4K в мгновение ока.

Несмотря на то, что эта цифровая мечта десятилетиями вдохновляла разработчиков технологий, на пути возникали препятствия, по словам ведущего автора статьи об антеннах и битах Юсефа Хассана, бывшего докторанта Калифорнийского университета в Ирвайне в области электротехники и компьютерных наук, который сейчас работает в Qualcomm.

«Традиционные приёмники с трудом справляются с обработкой таких быстрых данных без использования массивных энергозатратных компонентов, называемых аналого-цифровыми преобразователями, — сказал он. — Закон Мура предполагает, что мы можем просто уменьшать размер транзисторов, чтобы они работали быстрее, но на таких экстремальных скоростях мы упираемся в физический предел, известный как узкое место дискретизации. Для оцифровки сигнала со скоростью 120 Гбит/с обычно требуются массивные аналого-цифровые преобразователи, которые потребляют много энергии, слишком много для смартфона».

Вместо того чтобы заставлять электронику работать интенсивнее, команда разработала более интеллектуальный приёмник.

«Мы разработали метод, который называется иерархической аналоговой демодуляцией, — объяснил Хассан. — Разбивая сигнал на иерархические уровни в аналоговой области и отделяя сложные слои данных перед их оцифровкой, мы извлекаем данные, затрачивая при этом гораздо меньше энергии, чем обычно».

Он отметил, что приёмный чип, изготовленный по 22-нанометровой технологии кремний-на-изоляторе с полным истощением, потребляет всего 230 милливатт энергии, что делает его достаточно эффективным для портативных устройств.