Вчені створили універсальний чіп для 6G зі швидкістю 100 Гбіт/с

Сучасне бездротове життя являє собою ретельно керовану мозаїку технологій. Радіо у вашому автомобілі, домашній Wi-Fi, телефон та супутник, що передає GPS-сигнал, працюють у різних, виділених частотних діапазонах. Причина проста і криється у фізиці: різні частоти мають різні властивості. Нижчі частоти, такі як ті, що нижче 6 ГГц, є робочими конями. Вони долають великі відстані та легко проникають крізь стіни та перешкоди, що робить їх ідеальними для забезпечення широкого покриття. Вищі частоти схожі на спринтерів. Вони не можуть йти так далеко або добре проникати крізь перешкоди, але переносять значно більше даних, забезпечуючи високі швидкості та низьку затримку, необхідні для додатків, що потребують великих обсягів даних.

Змусити все це працювати разом не так просто. Наша поточна інфраструктура складається з різних спеціалізованих чіпів, антен та підсилювачів, кожен з яких створений для однієї задачі або невеликого набору завдань. Цей підхід довів нас до цього моменту, але він досягає своїх меж. Він складний, надзвичайно дорогий у розгортанні та обслуговуванні, і принципово негнучкий. Якщо ми хочемо більшого від наших мереж, ця спеціалізована система стає вузьким місцем.

Крім того, існує проблема шуму. Створення сигналів дуже високої частоти за допомогою традиційної електроніки часто включає ланцюг «помножувача частоти». Ви починаете з чистого, стабільного низькочастотного сигналу, а потім помножуєте його вгору. Процес схожий на створення фотокопії фотокопії; з кожним кроком сигнал набирає крихітних помилок та шуму, погіршуючи свою якість. До моменту, коли ви досягаєте вищих частот, необхідних для 6G, сигнал може стати неякісним.

Саме тут у гру вступає фотоніка — наука про використання світла. Світло має властиву величезну пропускну здатність, значно більшу за будь-яку радіочастоту. Вам не потрібно було б підсилювати сигнал, помножуючи його. Ви могли б використовувати чистий, керований світ світла для генерації та обробки складних радіосигналів. Обіцянка є, але змусити це працювати в компактній та практичній системі є монументальним викликом. Саме тут нові дослідження змінюють гру.

Команда побудувала свою систему на передовій матеріальній платформі, що називається тонкоплівковий ніобат літію, або TFLN. TFLN є чудовим матеріалом, який може діяти як «міст» між світами електрики та світла. По суті, він має потужну здатність змінювати свої оптичні властивості при застосуванні електричного поля — явище, що називається ефектом Покельса. Це дозволяє інженерам модулювати світло з неймовірною швидкістю та ефективністю. Не менш важливо, що платформа TFLN може бути інтегрована з іншими компонентами, що необхідно для втиснення всіх основних функцій бездротової системи на один мініатюрний чіп розміром всього 11 на 1,7 міліметра.

Але TFLN не працює сам. Цей новий чіп використовує новий генератор сигналів, відомий як оптоелектронний осцилятор. Це, по суті, серцебиття системи. ОЕО використовує петлю зворотного зв'язку світла та електрики для генерації винятково чистих та стабільних радіочастотних сигналів. Просто налаштовуючи компонент на чіпі за допомогою невеликого нагріву, дослідники можуть точно встановити вихідну частоту ОЕО на будь-яку точку між 0,5 ГГц та 115 ГГц.

Це елегантно обходить проблему накопичення шуму електронних помножувачів. Замість шумного ланцюга копій, ОЕО генерує первозданний сигнал безпосередньо на бажаній частоті щоразу. Дослідники продемонстрували це, вимірявши фазовий шум сигналу — ключовий показник його чистоти. Результати були вражаючими: рівні шуму були постійно низькими по всьому діапазону, подвиг неможливий з традиційною електронікою.

По суті, вони побудували універсальний тюнер, який міг налаштуватися на будь-яку «станцію» радіоспектру з досконалою, незмінною чіткістю.

З цим підходом команда побудувала повний, наскрізний бездротовий комунікаційний зв'язок. Вони передавали високошвидкісні дані через дев'ять послідовних частотних діапазонів, досягаючи приголомшливої швидкості передачі даних в одному каналі 100 гігабіт на секунду — достатньо швидко, щоб завантажити два повнометражні фільми 4K за одну секунду. Це представляє найшвидшу швидкість, коли-небудь досягнуту для інтегрованого фотоніка-асистованого бездротового зв'язку.

Швидкість чіпа — це те, що легко зрозуміти і привертає увагу. Але справжня інновація — це його спритність. Майбутнє бездротових технологій полягає не лише в швидкості, а й у надійності та адаптивності. Повітряні хвилі — це хаотичне, переповнене та постійно мінливе середовище. Справді мережа наступного покоління повинна мати можливість динамічно керувати спектром у реальному часі. Команда продемонструвала цю здатність трьома вражаючими способами.

По-перше, вони вирішили проблему перешкод. Фотонна система, підключена до розумного алгоритму, може розпізнати перешкоди на конкретних частотах і за частку секунди «перестрибнути» на іншу, чисту частоту. Ця здатність уникати перешкод є критичною для застосувань, таких як віддалена хірургія або взводи самокерованих автомобілів.

По-друге, система може самолікуватися. Навіть без зовнішніх перешкод фізичні компоненти в комунікаційній системі — підсилювачі, антени — не є досконалими. Вони часто мають неідеальні частотні характеристики з маленькими «провалами» та «хвилями», які можуть спотворити сигнал, особливо для складних форматів даних. Система може відчути ці апаратні недосконалості та злегка зсунути несучу частоту, щоб потрапити в оптимальну точку.

Нарешті, все це динамічне стрибання та зміщення вимагає досконалої координації, що команда також продемонструвала.

Попереду ще довгий шлях для цієї технології. Це лише перший робочий прототип; ми ще не готові почати масове виробництво або використання. Наступний інженерний виклик полягає в розробці сумісних периферійних пристроїв, які є такими ж гнучкими, як і сам чіп. Крім того, ця система повинна буде продемонструвати довговічність та економічну ефективність.

Але цей тип обладнання може справді втілити 6G у життя. Ми говоримо про зміну парадигми, в якій всі розумні пристрої та датчики, які ми маємо навколо нас, можуть спілкуватися швидше та безперешкодно. Дослідники навіть передбачають інші застосування, такі як голографічна телеприсутність або доповнена реальність масштабу міста. Цей чіп забезпечує реконфігуровану, високопродуктивну основу, яка може це здійснити.

Протягом десятиліть наш підхід до бездротового спектру полягав у тому, щоб розділяти та перемагати, створюючи спеціалізовані інструменти для кожного завдання. Це дослідження показує нам новий шлях: єдиний, елегантний інструмент для оволодіння всім. Використовуючи силу світла, цей крихітний чіп може забезпечити головний ключ до швидшого, розумнішого та більш пов'язаного майбутнього.

Дослідження, що описує новий чіп, було опубліковано в журналі Nature.