盖世汽车讯 据外媒报道，加州大学尔湾分校（University of California, Irvine）的电气工程师发明了一种新型收发器，可将无线电频率提升到140吉赫兹，从而实现了可与物理光纤电缆相媲美的数据传输速度，并为向6G和未来一代（FutureG）数据传输协议的过渡奠定了基础。

为了制造这种收发器，加州大学尔湾分校塞缪利工程学院（Samueli School of Engineering）的研究人员设计了一种独特的架构，将数字和模拟处理相结合。最终成果是一个硅芯片系统，它包含发射器和接收器，能够以比以往技术更快的速度和更高的能效处理数字信号。

图片来源：加州大学尔湾分校

加州大学尔湾分校纳米级通信集成电路实验室（Nanoscale Communication Integrated Circuits Labs，NCIC Labs）的研究团队在发表于《IEEE Journal of Solid-State Circuits》期刊上的两篇论文中概述了他们的研究成果。在其中一篇论文中，工程师们探讨了他们所称的“比特到天线”发射器技术；而在另一篇论文中，他们则介绍了“天线到比特”接收器技术。

这两篇论文的资深作者Payam Heydari表示：“我们称这项技术为‘无线光纤跳线’，因为它无需物理电缆即可提供光纤的超高速传输。通过在F频段——远高于当前5G标准的频率范围——运行，我们可以提供巨大的带宽，这将彻底改变机器、机器人和数据中心之间的通信方式。”

创新的电路设计方法

Payam Heydari表示：“要想达到难以企及的每秒100吉比特的目标——这是目前无线设备速度的100倍——同时又不至于烧毁芯片，就必须从根本上重新思考电路拓扑结构。我们设想了一种全新的全模拟架构，可以克服困扰高速设计的严重功耗权衡问题。”

随着速度的提升，数字和模拟之间的界限必须发生改变。通过将繁重的处理工作转移到模拟领域，可以绕过限制标准5G芯片运行的低效因素。Payam Heydari表示，学术研究人员和通信工程师长期以来都面临着一个瓶颈：随着无线速度的提升，处理这些数据所需的功耗通常也会急剧上升。

Payam Heydari说：“如果仍沿用传统方法，下一代设备的电池续航时间会在几分钟内耗尽。我们团队的解决方案是一种收发器，它通过在模拟域而非耗电的数字域执行复杂计算来突破当前的限制。”这款新型端到端收发器的运行速度为可达每秒120吉比特，足以在眨眼间传输多部4K电影。

攻克发射器和接收器方面的难题

“比特到天线”相关论文的主要作者Zisong Wang表示：“美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission）和6G标准机构正在将100吉赫兹频谱视为新的前沿领域。但是，在这样的速度下，使用数模转换器产生信号的传统发射器非常复杂且耗电，并且面临我们所说的数模转换器（DAC）瓶颈。”相比之下，该研究团队的新型发射器完全省去了数模转换器，它利用三个同步子发射器直接在射频域构建信号。

“天线到比特”相关论文的合著者Mohammad Oveisi解释说，这种被称为射频域64QAM的方法，能够使芯片实现极高的效率，在不使设备过热的情况下传输更多数据。拥有能够处理如此高频数据的发射器和接收器，对于开启一个由联网产品、自动驾驶汽车和人工智能边缘计算主导的新时代至关重要，这使得人工智能和机器学习应用程序能够在本地设备上运行。

解决接收器的局限性和效率问题

“天线到比特”相关论文的主要作者Youssef Hassan表示：“传统接收器很难在不使用体积庞大、耗能巨大的模数转换器的情况下捕捉如此高速的数据。摩尔定律表明，我们可以通过缩小晶体管尺寸来提高速度，但在极高的速度下，我们会遇到一个被称为采样瓶颈的物理限制。数字化一个每秒120吉比特的信号通常需要消耗大量功率的模数转换器，这对智能手机来说是一个巨大的挑战。”

该研究团队没有试图让电子设备更加努力地运转，而是设计了一个运行更智能的接收器。Youssef Hassan解释说：“我们开发了一种叫做分层模拟解调（hierarchical analog demodulation）的技术。通过在模拟域中对信号进行分层分解，在数字化处理之前将复杂的数据层剥离开来，这样的话，只需通常所需功率的一小部分即可提取数据。”他还指出，采用22纳米全耗尽绝缘体上硅技术制造的接收器芯片仅消耗230毫瓦的功率，其效率足以满足便携式设备的需求。

影响及未来应用

除了能够在140吉赫兹范围内进行传输外，该收发器的比特到天线架构使其能够以更低的成本进行大规模生产，从而为广泛采用铺平了道路。

该创新技术无需在数据中心内铺设数英里的复杂铜线，数据中心运营商可以在服务器机架之间建立超高速无线链路，从而大幅节省硬件、冷却和电力成本。此外，该研究项目利用了常规的半导体制造服务，证明这些高性能芯片可以使用标准制造工艺生产。