Инженеры из Калифорнийского университета в Ирвайне создали опытный образец кремниевого чипа-трансивера. Это устройство демонстрирует скорость беспроводной передачи данных до 120 гигабит в секунду. Такая скорость позволяет чипу сравниться по пропускной способности с современными оптоволоконными линиями, которые применяют в центрах обработки данных.
Достигнутый показатель в 120 Гбит/с эквивалентен передаче 15 гигабайт информации каждую секунду. Эта величина существенно превышает возможности современных коммерческих беспроводных технологий. Для сравнения, теоретический предел стандарта Wi-Fi 7 составляет 30 Гбит/с, а технология 5G миллиметрового диапазона предлагает скорость около 5 Гбит/с. Таким образом, новая разработка работает в 24 раза быстрее, чем соединение 5G, и в четыре раза быстрее, чем Wi-Fi 7, практически достигая скорости стандартного 100-гигабитного оптоволоконного кабеля.
Ключевой инженерной проблемой, которую решали исследователи, стал базовый физический закон коммуникаций. Согласно этому закону, рост скорости передачи данных ведет к увеличению энергопотребления. Традиционные архитектуры трансиверов, которые полагаются на цифро-аналоговые преобразователи, при приближении к порогу в 100 Гбит/с упираются в так называемую «стену производительности». Это ограничение вызывает перегрев чипа и может привести к его выходу из строя.
Вместо того чтобы идти по пути дальнейшей миниатюризации транзисторов, команда из Калифорнийского университета изменила саму топологию схемы. Инженеры решили отказаться от энергоемких путей обработки сигналов в цифровой области. Они перенесли сложные задачи по обработке сигналов из цифровой области в аналоговую. Такой подход позволил обойти фундаментальные ограничения, присущие стандартным цифро-аналоговым преобразователям.
Для передающей части системы исследователи разработали новую архитектуру под названием «От битов к антенне». Эта концепция предполагает максимально прямой и эффективный путь для данных от источника до излучающего элемента. В приемной части чипа они реализовали симметричную схему «От антенны к битам». Обе эти инновации направлены на сокращение промежуточных этапов преобразования и обработки, которые обычно потребляют много энергии и генерируют тепло.
Создание трансивера, который работает на таких экстремальных скоростях, представляет собой значительный прорыв. Кремний является доминирующим материалом в массовом производстве электроники благодаря своей отработанной технологии, надежности и относительно низкой стоимости. Большинство современных высокоскоростных беспроводных систем, особенно работающих в миллиметровом и субтерагерцовом диапазонах, часто используют более дорогие и сложные в производстве материалы, такие как арсенид галлия. Успех команды из Ирвайна открывает путь к потенциально более дешевому и масштабируемому производству чипов для сверхбыстрой беспроводной связи.
Практическое применение этой технологии может переопределить многие отрасли. В телекоммуникациях она может лечь в основу будущих стандартов сотовой связи, таких как 6G, или стать фундаментом для следующего поколения фиксированного беспроводного доступа, что позволит заменить «последнюю милю» оптоволокна в домах и офисах. В вычислительной технике такая скорость беспроводного соединения могла бы позволить создавать полностью беспроводные стойки серверов в дата-центрах, что резко упростит их развертывание и реконфигурацию. Кроме того, технология найдет применение в системах дополненной и виртуальной реальности высокого разрешения, где необходима передача огромных объемов данных с минимальной задержкой, а также в научных установках, например, для связи между радиотелескопами в интерферометрических массивах.
