Беспроводная передача данных вплотную приблизилась к возможностям оптоволокна. Ученые в Калифорнии представили технологию, которая позволяет передавать информацию по воздуху со скоростью до 120 Гбит/с — без громоздких кабелей, с минимальным энергопотреблением и реальными перспективами массового внедрения.
Оптоволоконные скорости без кабеля
Команда исследователей из Калифорнийского университета в Ирвайне разработала кремниевый беспроводной приемопередатчик, работающий на частотах до 140 ГГц. Радиочип способен обеспечивать пропускную способность порядка 120 Гбит/с, что эквивалентно примерно 15 ГБ данных в секунду.
Для сравнения: даже самые современные беспроводные стандарты заметно уступают: Wi-Fi 7 теоретически ограничен десятками гигабит, а 5G mmWave — единицами. По сути, новая система вплотную подошла к уровню типичных оптоволоконных линий, используемых в коммерческих сетях и дата-центрах.
Почему цифровой подход больше не работает
Классическая архитектура беспроводных передатчиков десятилетиями опиралась на цифровую обработку сигналов. Данные формируются в цифровом виде, затем с помощью цифро-аналоговых преобразователей переводятся в радиочастотный сигнал, усиливаются и передаются по воздуху. Такой подход отлично работает на сравнительно низких частотах и умеренных скоростях, но при переходе в диапазоны выше 100 ГГц он начинает давать системный сбой.
Главная проблема заключается в цифро-аналоговых преобразователях. Чтобы сформировать сигнал со скоростью порядка 100–120 Гбит/с, ЦАП должен работать на экстремально высоких тактовых частотах и с высокой разрядностью. Это резко усложняет схемотехнику: увеличивается количество транзисторов, растут требования к синхронизации и подавлению шумов, а сама система становится чувствительной к малейшим ошибкам и искажениям.
Вторая критическая точка — энергопотребление. При росте скорости передачи данных цифровые блоки перестают масштабироваться линейно: каждые дополнительные гигабиты в секунду требуют непропорционально больше энергии. В результате мощность, потребляемая одним лишь ЦАП, может достигать нескольких ватт. Для базовых станций это еще допустимо, но для смартфонов, носимой электроники и компактных приемников такой уровень тепловыделения попросту неприемлем — чип начинает перегреваться и теряет стабильность.
Наконец, цифровой подход упирается в физические ограничения современных полупроводниковых технологий. Даже при использовании передовых техпроцессов возникают проблемы с джиттером, фазовым шумом и точностью генерации сверхбыстрых цифровых сигналов. Чем выше частота, тем сложнее удерживать качество сигнала на требуемом уровне, а стоимость и сложность производства таких чипов растут экспоненциально.
Аналоговые вычисления как выход из тупика
Инженеры UC Irvine пошли иным путем, сместив основную обработку сигнала в аналоговую область. Вместо традиционного ЦАП сигнал формируется напрямую в радиочастотном диапазоне за счет работы трех точно синхронизированных субпередатчиков. Такой подход позволил добиться рекордной скорости при энергопотреблении всего около 230 мВт — в разы меньше, чем потребовали бы цифровые аналоги.
По словам авторов проекта, это сравнимо с продуманной упаковкой багажа заранее, а не хаотичными попытками уместить все в последний момент. Не зря диапазоны выше 100 ГГц долгое время рассматривались скорее как теоретическая перспектива, чем как практическая основа для массовой связи. Цифровая парадигма, успешно работавшая для 4G и 5G, в этих условиях перестает быть эффективной, требуя принципиально иного архитектурного подхода.
Дешевое производство и реальные сценарии применения
Чип изготовлен по 22-нанометровому техпроцессу FD-SOI, который значительно проще и доступнее, чем ультрасовременные нормы вроде 2 нм. Это означает, что технология не только демонстрирует впечатляющие лабораторные результаты, но и готова к масштабированию.
Разработчики видят ее применение в сверхскоростных беспроводных соединениях внутри дата-центров, где она может заменить километры кабелей, снизив расходы на инфраструктуру, охлаждение и энергопотребление. Кроме того, подобные решения важны для «умных» городов, автономного транспорта, промышленной автоматизации и распределенных вычислений.
Новая разработка американских ученых показывает, что беспроводная связь, как оптоволокно вполне может существовать без роста энергозатрат и усложнения производства. Отказ от «прожорливых» цифровых схем в пользу аналоговых вычислений открывает дорогу к практическому внедрению сверхбыстрых сетей следующего поколения и делает концепции 6G и FutureG заметно ближе к реальности.
