據(jù)外媒報道，加州大學(xué)爾灣分校（University of California, Irvine）的電氣工程師發(fā)明了一種新型收發(fā)器，可將無線電頻率提升到140吉赫茲，從而實現(xiàn)了可與物理光纖電纜相媲美的數(shù)據(jù)傳輸速度，并為向6G和未來一代（FutureG）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的過渡奠定了基礎(chǔ)。
為了制造這種收發(fā)器，加州大學(xué)爾灣分校塞繆利工程學(xué)院（Samueli School of Engineering）的研究人員設(shè)計了一種獨特的架構(gòu)，將數(shù)字和模擬處理相結(jié)合。最終成果是一個硅芯片系統(tǒng)，它包含發(fā)射器和接收器，能夠以比以往技術(shù)更快的速度和更高的能效處理數(shù)字信號。
圖片來源：加州大學(xué)爾灣分校
加州大學(xué)爾灣分校納米級通信集成電路實驗室（Nanoscale Communication Integrated Circuits Labs，NCIC Labs）的研究團隊在發(fā)表于《IEEE Journal of Solid-State Circuits》期刊上的兩篇論文中概述了他們的研究成果。在其中一篇論文中，工程師們探討了他們所稱的“比特到天線”發(fā)射器技術(shù)；而在另一篇論文中，他們則介紹了“天線到比特”接收器技術(shù)。
這兩篇論文的資深作者Payam Heydari表示：“我們稱這項技術(shù)為‘無線光纖跳線’，因為它無需物理電纜即可提供光纖的超高速傳輸。通過在F頻段——遠高于當(dāng)前5G標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍——運行，我們可以提供巨大的帶寬，這將徹底改變機器、機器人和數(shù)據(jù)中心之間的通信方式。”
創(chuàng)新的電路設(shè)計方法
Payam Heydari表示：“要想達到難以企及的每秒100吉比特的目標(biāo)——這是目前無線設(shè)備速度的100倍——同時又不至于燒毀芯片，就必須從根本上重新思考電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。我們設(shè)想了一種全新的全模擬架構(gòu)，可以克服困擾高速設(shè)計的嚴(yán)重功耗權(quán)衡問題。”
隨著速度的提升，數(shù)字和模擬之間的界限必須發(fā)生改變。通過將繁重的處理工作轉(zhuǎn)移到模擬領(lǐng)域，可以繞過限制標(biāo)準(zhǔn)5G芯片運行的低效因素。Payam Heydari表示，學(xué)術(shù)研究人員和通信工程師長期以來都面臨著一個瓶頸：隨著無線速度的提升，處理這些數(shù)據(jù)所需的功耗通常也會急劇上升。
Payam Heydari說：“如果仍沿用傳統(tǒng)方法，下一代設(shè)備的電池續(xù)航時間會在幾分鐘內(nèi)耗盡。我們團隊的解決方案是一種收發(fā)器，它通過在模擬域而非耗電的數(shù)字域執(zhí)行復(fù)雜計算來突破當(dāng)前的限制?！边@款新型端到端收發(fā)器的運行速度為可達每秒120吉比特，足以在眨眼間傳輸多部4K電影。
攻克發(fā)射器和接收器方面的難題
“比特到天線”相關(guān)論文的主要作者Zisong Wang表示：“美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission）和6G標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)正在將100吉赫茲頻譜視為新的前沿領(lǐng)域。但是，在這樣的速度下，使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生信號的傳統(tǒng)發(fā)射器非常復(fù)雜且耗電，并且面臨我們所說的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）瓶頸?！毕啾戎?，該研究團隊的新型發(fā)射器完全省去了數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它利用三個同步子發(fā)射器直接在射頻域構(gòu)建信號。
“天線到比特”相關(guān)論文的合著者Mohammad Oveisi解釋說，這種被稱為射頻域64QAM的方法，能夠使芯片實現(xiàn)極高的效率，在不使設(shè)備過熱的情況下傳輸更多數(shù)據(jù)。擁有能夠處理如此高頻數(shù)據(jù)的發(fā)射器和接收器，對于開啟一個由聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品、自動駕駛汽車和人工智能邊緣計算主導(dǎo)的新時代至關(guān)重要，這使得人工智能和機器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序能夠在本地設(shè)備上運行。
解決接收器的局限性和效率問題
“天線到比特”相關(guān)論文的主要作者Youssef Hassan表示：“傳統(tǒng)接收器很難在不使用體積龐大、耗能巨大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的情況下捕捉如此高速的數(shù)據(jù)。摩爾定律表明，我們可以通過縮小晶體管尺寸來提高速度，但在極高的速度下，我們會遇到一個被稱為采樣瓶頸的物理限制。數(shù)字化一個每秒120吉比特的信號通常需要消耗大量功率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這對智能手機來說是一個巨大的挑戰(zhàn)?！?/p>
該研究團隊沒有試圖讓電子設(shè)備更加努力地運轉(zhuǎn)，而是設(shè)計了一個運行更智能的接收器。Youssef Hassan解釋說：“我們開發(fā)了一種叫做分層模擬解調(diào)（hierarchical analog demodulation）的技術(shù)。通過在模擬域中對信號進行分層分解，在數(shù)字化處理之前將復(fù)雜的數(shù)據(jù)層剝離開來，這樣的話，只需通常所需功率的一小部分即可提取數(shù)據(jù)?！彼€指出，采用22納米全耗盡絕緣體上硅技術(shù)制造的接收器芯片僅消耗230毫瓦的功率，其效率足以滿足便攜式設(shè)備的需求。
影響及未來應(yīng)用
除了能夠在140吉赫茲范圍內(nèi)進行傳輸外，該收發(fā)器的比特到天線架構(gòu)使其能夠以更低的成本進行大規(guī)模生產(chǎn)，從而為廣泛采用鋪平了道路。
該創(chuàng)新技術(shù)無需在數(shù)據(jù)中心內(nèi)鋪設(shè)數(shù)英里的復(fù)雜銅線，數(shù)據(jù)中心運營商可以在服務(wù)器機架之間建立超高速無線鏈路，從而大幅節(jié)省硬件、冷卻和電力成本。此外，該研究項目利用了常規(guī)的半導(dǎo)體制造服務(wù)，證明這些高性能芯片可以使用標(biāo)準(zhǔn)制造工藝生產(chǎn)。
