有個研究小組成員研發了一種無線收發器晶片,能夠傳輸超過100GHz的訊號,而且比現有系統能耗低,其成本也低。該收發器的傳輸頻率遠遠高於任何與5G蜂巢通訊有關的頻率,所以研究人員將該元件描述為「超越5G」。

他們終極目標不僅是超越5G,而是創造一條技術途徑,使無線系統能夠與光纖相抗衡。

來自加州大學爾灣分校(UCI)奈米通訊積體電路(NCIC)實驗室團隊打造了一顆4.4mm2的晶片,該晶片比目前任何可用的晶片處理數位訊號的速度明顯快很多,而且更節能。這是利用一種獨特的數位-類比架構實現,這種結構透過調變類比和射頻(RF)域中的數位位元來顯著降低數位處理的需求。研究人員稱,他們已經利用這種方法克服了摩爾定律的局限性。

他們採用55奈米的SiGe BiCMOS製程製造了單通道115~135GHz接收器原型。經測量,該元件在30cm的傳輸距離下,無線資料傳輸速率為36Gbps。在接收端,8PSK訊號片上解調的誤碼率(BER)為1e-6。在此誤碼率下測量的接收器靈敏度為-41.28dBm。包括襯墊和測試線路(2.5mm2的有效區域)在內,該原型佔了2.5×3.5mm2的裸片面積。它所消耗的直流總功率為200.25mW,最大變頻增益為32dB,最小雜訊係數是10.3dB。

20191112NT31P1 採用55奈米SiGe BiCMOS製程製造的NCIC的單通道115~135GHz接收器原型,經測量,該元件在30cm的傳輸距離下,其無線資料傳輸速率為36Gbps。(圖片來源:UCI)

他們的創新在最近發表於《IEEE Journal of Solid State Circuits》上的一篇名為《115~135GHz 8PSK接收機採用基於多相位RF相關的直接解調方法(A 115-135-GHz 8PSK Receiver Using Multi-Phase RF-Correlation-Based Direct-Demodulation Method)》的論文裡有概述。其中介紹了接收機的原理、設計和實現。RF-to-bits接收架構的輸出是解調位元,因此無需高功耗、高解析度資料轉換器。

資深作者Payam Heydari,亦為NCIC實驗室主任、UCI電子工程和電腦科學教授指出,長期以來,學術研究人員和通訊電路工程師一直想搞清楚無線系統是否能夠達到光纖網路的高性能和速度。「如果這種可能性能變成現實,將會改變電信產業,因為與有線系統相比,無線基礎設施帶來了許多優勢。」

Heydari表示,他們團隊的無線電收發器晶片(他們已將其稱為「超越5G」),超越了5G的無線標準,並將其帶入了6G標準領域,該標準可望在100GHz及以上工作。研究小組稱,隨著美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission;FCC)最近開放了100GHz以上的新頻段,他們的新收發器是首個在該頻段提供端到端功能的收發器。

克服摩爾定律局限性

據Heydari稱,透過在收發器中調變和解調來改變訊號的頻率,傳統意義上是利用數位處理實現。但是近幾年,IC工程師已經開始注意到該方法的物理局限性。

「根據摩爾定律,我們應該能夠透過減小電晶體(就像在發射器和接收器中看到的那樣)的尺寸來提高其速度,但現在情況已經不同了。」Heydari說道,「你不可能把電子分成兩半,所以我們已經接近由半導體元件物理特性所決定的極限。」為了應對這個問題,NCIC實驗室開發了在類比域和RF域調變數位位元的技術,這使得晶片佈局的成本更低,能耗也更低。

該團隊表示,該技術與相控陣列系統相結合,利用多個天線來控制光束,有助於在無線資料傳輸和通訊方面實現一些顛覆性應用。這也會讓資料中心不必再鋪設數英哩長的光纖電纜,所以資料中心營運商可以實現超高速無線傳輸,並在硬體、冷卻和能源方面節省大量資金。

另外,TowerJazz和STMicroelectronics為本研究專案提供了半導體製造服務。

(參考原文: 100 GHz Wireless Transceiver Takes Chip into Realms of 6G ,by Nitin Dahad)