Des ingénieurs inventent un émetteur-récepteur sans fil dont la vitesse rivalise avec celle de la fibre optique.
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Un nouvel émetteur-récepteur inventé par des ingénieurs électriciens de l'Université de Californie à Irvine porte les fréquences radio à 140 gigahertz, permettant des débits de données comparables à ceux des câbles à fibres optiques physiques et jetant les bases d'une transition vers les protocoles de transmission de données 6G et FutureG.
Pour créer cet émetteur-récepteur, des chercheurs de l'école d'ingénierie Samueli de l'UC Irvine ont conçu une architecture unique combinant traitement numérique et analogique. Il en résulte un système sur puce de silicium, comprenant à la fois un émetteur et un récepteur, capable de traiter les signaux numériques beaucoup plus rapidement et avec une efficacité énergétique bien supérieure aux technologies précédentes.
L'équipe des laboratoires de circuits intégrés de communication à l'échelle nanométrique de l'UC Irvine présente ses travaux dans deux articles publiés ce mois-ci dans l' IEEE Journal of Solid-State Circuits . Dans le premier, les ingénieurs décrivent la technologie qu'ils nomment émetteur « bits-antenne », et dans le second, ils présentent leur récepteur « antenne-bits ».
« Nous appelons cette technologie "wireless fiber patch cord" ou "cordon de brassage à fibre optique sans fil" car elle offre la vitesse fulgurante de la fibre optique sans les câbles physiques », explique Payam Heydari, directeur des laboratoires NCIC, professeur titulaire de la chaire de génie électrique et d'informatique à l'UC Irvine et auteur principal des deux articles. « En opérant dans la bande F — une gamme de fréquences bien supérieure aux normes 5G actuelles —, nous pouvons offrir des bandes passantes massives qui transformeront la façon dont les machines, les robots et les centres de données communiquent. »
Il a déclaré que cette avancée majeure était l'aboutissement d'une vision stratégique à long terme. Son équipe a commencé à élaborer le concept de conversion des bits en antenne en 2020 après avoir constaté que les architectures de puces mixtes traditionnelles, fortement dépendantes des convertisseurs de données énergivores, finiraient par atteindre leurs limites de performance.
Les composants de la puce réceptrice du système émetteur-récepteur sans fil développé par les ingénieurs électriciens de l'UC Irvine comprennent le RXFE (étage d'entrée du récepteur), le VGA (amplificateur à gain variable), le CTLE (égaliseur linéaire à temps continu), le CDR (récupération d'horloge et de données) et le BB (bande de base). Crédit : Payam Heydari / UC Irvine
Approches innovantes de la conception de circuits
« Nous avons compris que pour atteindre le cap tant convoité des 100 gigabits par seconde — soit 100 fois la vitesse des appareils sans fil actuels — sans endommager la puce, nous devions repenser fondamentalement la topologie du circuit », a déclaré Heydari. « Nous avons imaginé des architectures entièrement analogiques inédites, capables de surmonter les importants compromis en matière de consommation d'énergie qui caractérisent les conceptions à haut débit. »
Les membres de l'équipe ont compris qu'avec l'augmentation des débits, la frontière entre le numérique et l'analogique devait évoluer. En déportant les opérations les plus lourdes vers le domaine analogique, ils pouvaient contourner les inefficacités qui limitent les puces 5G standard. Heydari a expliqué que les chercheurs universitaires et les ingénieurs en télécommunications sont confrontés depuis longtemps à un problème majeur : l'augmentation des débits sans fil s'accompagne généralement d'une explosion de la consommation d'énergie nécessaire au traitement des données.
« Si nous nous en tenions aux méthodes traditionnelles, l'autonomie des appareils de nouvelle génération s'évaporerait en quelques minutes », a-t-il déclaré. « La solution proposée par notre groupe est un émetteur-récepteur qui s'affranchit des limitations actuelles en effectuant des calculs complexes dans le domaine analogique, plutôt que dans le domaine numérique, grand consommateur d'énergie. »
Le nouvel émetteur-récepteur de bout en bout fonctionne à 120 gigabits par seconde, ce qui est suffisamment rapide pour transférer plusieurs films 4K en un clin d'œil.
Surmonter les défis liés à l'émetteur et au récepteur
« La Commission fédérale des communications et les organismes de normalisation de la 6G considèrent le spectre des 100 gigahertz comme la nouvelle frontière », a déclaré Zisong Wang, un ancien doctorant de l'UC Irvine en génie électrique et en informatique travaillant maintenant chez Marvell Technology Inc., qui est l'auteur principal de l'article sur la conversion des bits en antenne.
« Mais à de telles vitesses, les émetteurs conventionnels qui créent des signaux à l'aide de convertisseurs numérique-analogique sont incroyablement complexes et énergivores, et ils sont confrontés à ce que nous appelons un goulot d'étranglement du CNA. »
Il a expliqué que le nouvel émetteur de l'équipe élimine complètement le convertisseur numérique-analogique en générant les signaux directement dans le domaine radiofréquence grâce à trois sous-émetteurs synchronisés. « C'est comme préparer sa valise à la perfection avant de partir de chez soi plutôt que d'essayer de s'organiser à la dernière minute en courant vers l'aéroport », a déclaré Wang.
Mohammad Oveisi, doctorant à l'UC Irvine et co-auteur de l'article sur la conversion d'antennes en bits, explique que cette méthode, appelée modulation 64QAM dans le domaine RF, permet à la puce d'être extrêmement efficace, en transmettant davantage de données sans surchauffe. Disposer d'émetteurs et de récepteurs capables de gérer des données à si haute fréquence sera essentiel pour l'avènement d'une nouvelle ère dominée par les objets connectés, les véhicules autonomes et l'informatique de périphérie basée sur l'IA, permettant ainsi l'exécution d'applications d'intelligence artificielle et d'apprentissage automatique directement sur les appareils.
Prise en compte des limitations et de l'efficacité du récepteur
Bien que ce rêve numérique ait motivé les développeurs de technologies pendant des décennies, des obstacles sont apparus, selon l'auteur principal de l'article sur la conversion d'antennes en bits, Youssef Hassan, ancien doctorant en génie électrique et informatique à l'UC Irvine et actuellement chez Qualcomm.
« Les récepteurs traditionnels peinent à capter des données aussi rapides sans recourir à des composants volumineux et énergivores appelés convertisseurs analogiques-numériques », a-t-il expliqué. « La loi de Moore suggère qu'il suffit de miniaturiser les transistors pour augmenter la vitesse, mais à ces vitesses extrêmes, on atteint une limite physique appelée goulot d'étranglement de l'échantillonnage. La numérisation d'un signal à 120 Gbit/s nécessite généralement des convertisseurs analogiques-numériques massifs qui consomment des watts, une quantité bien trop importante pour un smartphone. »
Au lieu de tenter de forcer les composants électroniques à travailler davantage, l'équipe a conçu un récepteur qui fonctionne plus intelligemment.
« Nous avons mis au point une technique appelée démodulation analogique hiérarchique », explique Hassan. « En décomposant le signal de manière hiérarchique dans le domaine analogique, en séparant les couches de données complexes avant leur numérisation, nous extrayons les données en utilisant une fraction de la puissance habituellement requise. »
Il a fait remarquer que la puce réceptrice, fabriquée en technologie silicium sur isolant entièrement déplétée de 22 nanomètres, ne consomme que 230 milliwatts de puissance, ce qui la rend suffisamment efficace pour les appareils portables.
Impact potentiel et applications futures
Heydari a déclaré qu'en plus de permettre la transmission dans la gamme des 140 gigahertz, l'architecture bits-antenne de l'émetteur-récepteur permet de le produire en masse à moindre coût, ouvrant la voie à une adoption généralisée.
« Notre innovation élimine le besoin de kilomètres de câblage en cuivre complexe à l'intérieur des centres de données », a-t-il déclaré. « Les opérateurs de fermes de serveurs peuvent établir des liaisons sans fil ultrarapides entre les baies, ce qui permet de réaliser des économies considérables sur le matériel, le refroidissement et l'énergie. »
Heydari a ajouté que des services de fabrication de semi-conducteurs classiques ont été utilisés pour soutenir ce projet de recherche, prouvant ainsi que ces puces hautes performances peuvent être fabriquées à l'aide de procédés de fabrication standard.