Zespół z University of California w Irvine opracował układ, który pozwala na przesyłanie danych bezprzewodowo z prędkością, jaką dotąd zapewniały tylko fizyczne światłowody. To nie byle opracowania teoretyczne, a pomysł przekuty na rzeczywisty, działający prototyp, który już teraz osiąga zawrotne 120 gigabitów na sekundę, wykorzystując do tego pasmo częstotliwości 140 gigaherców. Taka przepustowość pozwalałaby na błyskawiczne przesyłanie wielu strumieni wideo w rozdzielczości 4K jednocześnie, a więc rozwiązanie problemu wszechobecnych połączeń przewodowych w centrach danych.
Domena analogowa zamiast cyfrowej, czyli sekret dzieła z UC Irvine
Sekretem sukcesu nie było jedynie zwiększenie częstotliwości, lecz fundamentalna zmiana w podejściu do przetwarzania sygnału. Konwencjonalne chipy bezprzewodowe opierają się na złożonych konwerterach cyfrowo-analogowych (DAC) i analogowo-cyfrowych (ADC), które przy tak ekstremalnych prędkościach stają się niewydajnym wąskim gardłem. Pochłaniają kolosalne ilości energii, a generowane przez nie ciepło stanowi poważne wyzwanie dla systemów chłodzenia.
Czytaj też: Japończycy skręcili kryształ i stworzyli diodę. Elektronika właśnie wkroczyła w trzeci wymiar
Grupa badawcza pod kierunkiem Payama Heydari z NCIC Labs na UC Irvine postanowiła pójść zupełnie inną drogą. Specjaliści zaprojektowali bowiem architekturę, która większość kluczowych obliczeń przenosi do domeny analogowej. Ich nadajnik, nazwany bits-to-antenna, całkowicie rezygnuje z konwertera DAC. Zamiast tego konstruuje sygnał bezpośrednio w częstotliwości radiowej, wykorzystując do tego trzy precyzyjnie zsynchronizowane subnadajniki i zaawansowaną modulację 64QAM w domenie RF. Sygnał jest tym samym od razu przygotowywany w optymalnej, finalnej formie, co radykalnie redukuje zapotrzebowanie na energię i zwiększa ogólną wydajność całego systemu.
Nazywamy tę technologię “bezprzewodowym kablem światłowodowym”, ponieważ oferuje on zawrotną prędkość światłowodów bez fizycznych kabli – Payam Heydari, University of California, Irvine
Odbiornik, który pracuje mądrzej
Po stronie odbiorczej wyzwanie było równie ambitne. Zdigitalizowanie sygnału płynącego z prędkością 120 Gb/s tradycyjnymi metodami wymagałoby potężnych konwerterów ADC, pochłaniających moc liczoną w watach. Jest to zupełnie niepraktyczne dla urządzeń mobilnych, a nawet dla większości stacjonarnego sprzętu komputerowego. Youssef Hassan, współautor drugiej publikacji zespołu, zwraca uwagę, że tradycyjne skalowanie tranzystorów według prawa Moore’a w tym przypadku po prostu się wyczerpało. Mniejszy rozmiar nie pomoże, gdy system natrafia na fizyczną barierę próbkowania sygnału. Dlatego konieczne było kompletne przemyślenie topologii obwodu od podstaw.
Gdybyśmy trzymali się tradycyjnych metod, żywotność akumulatorów urządzeń nowej generacji zniknęłaby w ciągu kilku minut – Payam Heydari, University of California, Irvine.
Odpowiedzią kalifornijskiego zespołu na ten problem jest technika hierarchicznej demodulacji analogowej, bo opracowany przez nich odbiornik antenna-to-bits rozkłada przychodzący sygnał na warstwy jeszcze zanim nastąpi proces digitalizacji. Taki zabieg pozwala na wydobycie danych przy ułamku mocy, jakiej potrzebowałyby konwencjonalne rozwiązania. Cały chip, wyprodukowany w 22-nanometrowej technologii krzemu na izolatorze, zużywa zaledwie 230 miliwatów.
Praktyczne zastosowania i oszczędności
Pierwszym i najbardziej oczywistym polem zastosowania są centra danych. Wyeliminowanie choćby części plątaniny miedzianych kabli łączących szafy serwerowe mogłoby przynieść wymierne korzyści. Mowa tu o oszczędnościach na materiale, znacznym odciążeniu systemów chłodzenia oraz redukcji zapotrzebowania na energię. Brak kabli oznacza też prostszą konserwację i dużą elastyczność w rekonfiguracji całej infrastruktury, co w dynamicznym środowisku centrum danych ma ogromne znaczenie.
Co istotne, cała architektura tego rozwiązania proponowanego przez inżynierów została zaprojektowana z myślą o masowej produkcji przy użyciu standardowych, dostępnych procesów półprzewodnikowych. Zespół świadomie wykorzystał rutynowe usługi produkcyjne, dowodząc, że skalowanie tej technologii nie wymaga budowy specjalistycznych i kosztownych linii produkcyjnych. Stanowi to kluczowy argument dla jej przyszłego wdrożenia.
Czytaj też: Silnik z ciekłego metalu to już nie science fiction. Naukowcy pokazali działający prototyp
Perspektywy wykraczają daleko poza serwerownie. Technologia znajdzie bowiem zastosowanie w sieciach IoT wymagających szybkiej wymiany danych, w pojazdach autonomicznych, a także w brzegowym przetwarzaniu sztucznej inteligencji. Wszystkie te obszary łączy potrzeba wysokiej przepustowości przy jednoczesnym minimalnym zużyciu energii. Nic dziwnego, że Federalna Komisja Łączności oraz gremia standaryzacyjne pracujące nad 6G postrzegają pasmo wokół 100 GHz jako nową, obiecującą granicę dla komunikacji bezprzewodowej.
Ostateczne spojrzenie na nowy sposób łączności bezprzewodowej
Opracowany na UC Irvine nowy sposób łączności bezprzewodowej dobitnie pokazuje, że granica między światem przewodów i transmisji radiowej staje się coraz bardziej rozmyta. Prędkości, które jeszcze kilka lat temu były domeną wyłącznie światłowodów, można dziś osiągnąć przez powietrze, a to rodzi ostrożny optymizm co do przyszłości infrastruktury cyfrowej. Oczywiście, od działającego prototypu w laboratorium do powszechnego wdrożenia droga bywa długa i wyboista, ale kierunek zmian wydaje się nieunikniony. Być może za kilkanaście lat spojrzymy na dzisiejsze kable w centrach danych z takim samym zdziwieniem, z jakim dziś patrzymy na dawne modemy telefoniczne.