Калифорнийский университет представил инновационную разработку в области беспроводных технологий — архитектуру приемопередатчика, способную значительно превзойти существующие системы по скорости передачи данных. Устройство может достигать впечатляющих 120 Гбит/с, что эквивалентно передаче около 15 ГБ данных в секунду. Это достижение в 24 раза превышает возможности типичных соединений 5G mmWave и делает его сопоставимым с современными оптоволоконными каналами в центрах обработки данных.
Традиционно для генерации и обработки высокоскоростных радиосигналов используются цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП). Однако, при работе на крайне высоких частотах и с экстремально высокой пропускной способностью эти компоненты становятся чрезвычайно сложными, дорогими и энергозатратными. Это делает их использование в мобильных устройствах непрактичным или даже невозможным.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи разработали новую архитектуру приемопередатчика. В отличие от традиционных решений, она минимизирует или полностью исключает необходимость в ЦАП и АЦП. Вместо этого все вычисления выполняются непосредственно в радиочастотном диапазоне, что позволяет избежать дорогостоящих промежуточных преобразований. Это не только снижает затраты, но и значительно повышает энергоэффективность устройства, делая его идеальным для использования в мобильных устройствах и других приложениях, требующих высокой скорости передачи данных.
Гибридная аналого-цифровая архитектура в основе нового трансивера
Новый приемопередатчик — это инновационное устройство, объединяющее функции передачи и приема сигналов в одном компактном компоненте. Он работает в частотном диапазоне около 140 гигагерц, что значительно превышает диапазоны существующих 5G-сетей, таких как миллиметровые волны (mmWave), которые обычно функционируют на частотах до 70 ГГц. Это позволяет достичь невероятно широкой теоретической полосы пропускания, необходимой для передачи данных со скоростью в сотни гигабит в секунду.
Основной особенностью проекта является использование двух взаимодополняющих микросхем, каждая из которых играет ключевую роль в обеспечении высокой производительности устройства:
- Первая микросхема — это передатчик «биты-антенна». Она генерирует высокочастотные радиоволны непосредственно из цифровых данных, минуя необходимость в традиционном цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП). Благодаря трем синхронизированным передатчикам, работающим в унисон, энергопотребление значительно снижается по сравнению с обычными схемами ЦАП, которые используются для передачи данных на таких высоких скоростях.
- Вторая микросхема — это приемник «антенна-биты». Она принимает сигнал и демодулирует его, не проходя через высокоразрешающий аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Вместо этого используются передовые аналоговые методы, которые позволяют эффективно отделять данные от шума. Это решение предотвращает так называемое «узкое место дискретизации», характерное для традиционных приемников, и обеспечивает более стабильную и точную передачу информации.
Обе микросхемы изготовлены с использованием 22-нанометрового процесса на основе полностью обедненного кремния на диэлектрической подложке (FD-SOI). Эта технология более зрелая и экономически эффективная по сравнению с более передовыми узлами, такими как 2-нанометровый процесс, который используется в современных чипах. Таким образом, крупномасштабное производство нового приемопередатчика может быть организовано быстрее и с меньшими затратами, что делает его привлекательным решением для широкого спектра приложений.
Производительность и практические последствия
Недавно зафиксированная максимальная скорость передачи данных превысила 100 гигабит в секунду, достигнув впечатляющих 120 Гбит/с. Это значение эквивалентно передаче около 15 гигабайт информации всего за одну секунду и значительно превосходит возможности существующих технологий, таких как 5G mmWave (около 5 Гбит/с) и WiFi 7 (около 30 Гбит/с).
Особенно впечатляет энергопотребление этой системы, которое составляет всего 230 милливатт. Для сравнения, традиционные решения, основанные на ЦАП и АЦП, потребляют значительно больше энергии — несколько ватт, что делает их непригодными для использования в портативных устройствах, таких как смартфоны, или в системах Интернета вещей.
Однако, несмотря на свои выдающиеся характеристики, эта технология имеет свои ограничения. На частотах около 140 гигагерц сигнал быстро затухает и плохо проникает сквозь твердые препятствия. Это делает ее практически непригодной для традиционных систем покрытия и ограничивает применение высокоскоростными соединениями типа «точка-точка» на короткие расстояния. В таких условиях сигнал может распространяться на расстояние от нескольких десятков до нескольких сотен метров при условии прямой видимости и использования направленных антенн.
Тем не менее, это инновационное решение рассматривается как важный шаг на пути к разработке будущих поколений стандартов связи, неофициально называемых 6G или FutureG. Эти стандарты будут включать использование все более высоких частот и гибридных подходов для достижения экстремальной пропускной способности.
