140GHz无线革命，工程师发明速度可与光纤媲美的无线收发器

一眨眼的功夫传输数部4K电影，这不再是科幻场景。加州大学尔湾分校的电气工程师团队开发出一种工作在140吉赫兹频段的硅芯片收发器，其数据传输速度达到每秒120吉比特，与光纤电缆相当，却完全不需要物理连接。这项发表在IEEE固态电路期刊上的研究成果,被研究者称为"无线光纤跳线",可能彻底改变数据中心、工业物联网和未来6G网络的架构。

在本月发表的两篇论文中,加州大学尔湾分校纳米级通信集成电路实验室详细阐述了这套端到端系统的技术细节。一篇论文聚焦于"比特到天线"发射器,另一篇则介绍"天线到比特"接收器。两者结合构成了一个完整的无线通信系统,其速度是当前5G设备的100倍,功耗却仅为传统设计的一小部分。

绕过数模转换的能效瓶颈

这项突破的核心在于彻底重新思考了电路架构。传统的高速无线系统严重依赖数模转换器和模数转换器,这些组件在处理超高速信号时会消耗惊人的电力。实验室主任Payam Heydari解释说,如果坚持传统方法,下一代设备的电池续航时间会在几分钟内耗尽。

团队的解决方案是将绝大部分处理工作转移到模拟域。在发射端,他们完全省去了数模转换器,而是利用三个同步工作的子发射器直接在射频域构建信号。这种被称为射频域64QAM的技术,就像在出门前把行李箱收拾得井井有条,而不是边跑去机场边临时打包。

加州大学尔湾分校的电子工程师开发了一种新型硅芯片无线发射器，其数据传输速度可与光纤电缆媲美，且能效极高。芯片上的组件包括：PRBS（伪随机比特序列发生器）、LO（本振）、QPSK（正交相移键控）、Sub-TX（子发射器模块）、SPI（串行外设接口）和天线。图片来源：Payam Heydari / 加州大学尔湾分校

在接收端,挑战同样艰巨。论文主要作者Youssef Hassan指出,传统接收器在捕捉120Gbps高速数据时,需要体积庞大、耗能巨大的模数转换器,这对便携式设备来说根本不可行。团队开发的"分层模拟解调"技术,在模拟域中对信号进行分层分解,在数字化之前就把复杂的数据层剥离开来,从而只需通常功耗的一小部分就能提取数据。

最终制造出的接收器芯片采用22纳米全耗尽绝缘体上硅工艺,仅消耗230毫瓦功率,能效足以满足智能手机等便携设备的需求。发射器的能效指标同样出色,使得整套系统在实现光纤级速度的同时,不会让设备过热或迅速耗尽电池。

F频段的战略选择

这套系统选择在100至140吉赫兹的F频段工作,这个频率范围远高于当前5G使用的毫米波频段。联邦通信委员会和6G标准化组织正将这一频谱视为新的前沿领域。F频段的优势在于巨大的可用带宽,理论上可以支持数百吉比特甚至太比特级的数据速率。

然而这个频段也带来了独特的挑战。电磁波频率越高,传播损耗越大,穿透障碍物的能力越弱。140吉赫兹的信号几乎无法穿透墙壁,甚至会被人体阻挡。这意味着该技术更适合短距离、视线范围内的应用场景,而不是覆盖数公里的蜂窝网络。

但这恰恰符合某些关键应用的需求。在数据中心内部,服务器机架之间的距离通常只有几米到几十米,且环境相对可控。使用无线光纤跳线可以省去数英里的复杂铜缆布线,大幅降低硬件、冷却和电力成本。数据中心运营商可以灵活调整服务器布局,而不必受限于固定的线缆连接。

由加州大学尔湾分校电子工程师开发的无线收发器系统接收芯片的组成部分包括：RXFE（接收前端）、VGA（可变增益放大器）、CTLE（连续时间线性均衡器）、CDR（时钟和数据恢复）以及BB（基带）。图片来源：Payam Heydari / 加州大学尔湾分校

从摩尔定律到智能电路设计

Heydari团队早在2020年就开始构思比特到天线的概念。他们意识到,传统的混合信号芯片架构正在"遇到性能瓶颈"。摩尔定律指出我们可以通过缩小晶体管尺寸来提高速度,但在如此极高的频率下,会遇到物理极限。

数字化一个120Gbps的信号通常需要采样率高达数百吉赫兹的模数转换器,这在当前技术下几乎不可能实现,即使勉强实现也会消耗巨大功率。团队没有试图强迫电子器件更加努力工作,而是设计了一个工作更智能的系统,通过在模拟域执行复杂计算来突破限制。

这种设计理念的转变代表了电路设计从蛮力突破到巧妙规避的哲学转变。当硬件性能接近物理极限时,架构创新往往比单纯的工艺升级更有效。Heydari指出,他们的创新之处在于从根本上重新思考了电路拓扑结构,克服了困扰高速设计的严重功耗权衡问题。

面向6G和未来应用的布局

这项技术的潜在应用远不止数据中心。工业自动化领域,高速机器人之间需要实时交换大量传感器数据和控制指令,无线光纤跳线可以提供低延迟、高带宽的连接。虚拟现实和增强现实设备需要传输高分辨率视频流,当前的WiFi和5G难以满足需求,而140吉赫兹系统可以轻松应对。

自动驾驶汽车内部的传感器网络也是潜在市场。激光雷达、摄像头和毫米波雷达产生的海量数据需要传输到中央处理单元,车内布线既增加重量又降低灵活性,无线方案显然更具吸引力。此外,人工智能边缘计算设备之间的高速互联,也可能受益于这种技术。

从制造角度看,该团队使用的是标准的CMOS工艺,这意味着芯片可以利用现有的半导体产线大规模生产,而不需要特殊的化合物半导体工艺。这大幅降低了成本门槛,为商业化铺平了道路。Heydari强调,他们的研究证明了高性能芯片可以使用常规制造服务生产。

理想与现实之间的距离

尽管前景诱人,从实验室原型到商业产品仍有诸多挑战。首先是集成度问题,目前的演示系统包含分离的发射和接收芯片,还需要天线阵列和配套电路。要集成到消费电子产品中,需要进一步小型化和系统级封装。

其次是标准化和监管问题。F频段在许多国家和地区的频谱分配尚不明确,6G的技术标准仍在制定过程中。该技术要大规模商用,需要等待监管框架的完善和产业生态的成熟。此外,140吉赫兹信号对环境敏感,温度、湿度甚至空气成分的变化都可能影响性能,这对系统设计提出了更高要求。

但技术演进的方向已经清晰。随着数据需求的爆炸式增长,传统的有线和无线方案都面临瓶颈。无线光纤跳线这种混合概念,结合了光纤的高速和无线的灵活,可能代表了未来短距离高速通信的一个重要方向。当物理电缆成为束缚而非连接时,剪掉它们可能正是通往下一代网络的必经之路。