Des ingénieurs inventent un émetteur-récepteur sans fil rivalisant avec la vitesse de la fibre optique

Un nouveau transceiver inventé par des ingénieurs électriques de l’Université de Californie à Irvine propulse les radiofréquences dans le territoire des 140 gigahertz, débloquant des vitesses de données rivalisant avec celles des câbles à fibre optique physique et jetant les bases d’une transition vers les protocoles de transmission de données 6G et FutureG.

Pour créer cet émetteur-récepteur, les chercheurs de l’École d’ingénierie Samueli de l’Université de Californie à Irvine ont conçu une architecture unique qui mélange le traitement numérique et analogique. Le résultat est un système de puce en silicium, comprenant à la fois un émetteur et un récepteur, capable de traiter les signaux numériques de manière significativement plus rapide et avec une bien meilleure efficacité énergétique que les technologies précédemment disponibles.

L’équipe des Laboratoires de circuits intégrés de communication à l’échelle nanométrique de l’université de Californie à Irvine détaille ses travaux dans deux articles publiés ce mois-ci dans l’IEEE Journal of Solid-State Circuits. Dans le premier, les ingénieurs présentent la technologie qu’ils appellent un émetteur « bits-to-antenna », et dans le second, ils décrivent leur récepteur « antenna-to-bits ».

« Nous appelons cette technologie un câble de raccordement fibre sans fil car elle offre la vitesse fulgurante de la fibre optique sans les câbles physiques », a déclaré Payam Heydari, directeur des NCIC Labs, professeur émérite d’ingénierie électrique et informatique à l’UC Irvine, et auteur principal des deux articles. « En opérant dans la bande F – une plage de fréquences bien au-dessus des 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 expliqué que cette percée était l’aboutissement d’une vision stratégique à long terme. Son équipe a commencé à formuler le concept bits-to-antenna en 2020 après avoir constaté que les architectures de puces mixtes traditionnelles, qui reposent fortement sur des convertisseurs de données énergivores, finiraient par « heurter un mur de performance ».

« Nous avons réalisé que pour atteindre l’étape insaisissable des 100 gigabits par seconde – soit 100 fois la vitesse des appareils sans fil actuels – sans faire fondre la puce, nous devions repenser fondamentalement la topologie des circuits », a souligné Heydari. « Nous avons imaginé de nouvelles architectures entièrement analogiques qui pourraient surmonter les compromis énergétiques sévères qui entravent les conceptions à haute vitesse. »

Les membres de l’équipe ont compris qu’à mesure que les vitesses augmentaient, la frontière entre le numérique et l’analogique devait évoluer. En déplaçant les calculs intensifs dans le domaine analogique, ils pouvaient contourner les inefficacités qui limitent les puces 5G standard. Heydari a affirmé que les chercheurs universitaires et les ingénieurs en communication faisaient face depuis longtemps à un goulot d’étranglement : lorsque les vitesses sans fil augmentent, la puissance nécessaire pour traiter ces données s’envole généralement.

« Si nous nous en tenions aux méthodes traditionnelles, l’autonomie de la batterie des appareils de nouvelle génération disparaîtrait en quelques minutes », a-t-il révélé. « La réponse de notre groupe est un émetteur-récepteur qui saute par-dessus les limitations actuelles en effectuant des calculs complexes dans le domaine analogique, plutôt que dans le domaine numérique vorace en énergie. »

Le nouvel émetteur-récepteur de bout en bout fonctionne à 120 gigabits par seconde, ce qui est suffisamment rapide pour transférer plusieurs films en 4K en un clin d’œil.

« La Federal Communications Commission et les organismes de normalisation de la 6G considèrent le spectre des 100 gigahertz comme la nouvelle frontière », a expliqué Zisong Wang, ancien chercheur doctoral en ingénierie électrique et informatique à l’UC Irvine, maintenant chez Marvell Technology Inc., qui est le premier auteur de l’article sur le bits-to-antenna. « 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 font face à ce que nous appelons un goulot d’étranglement du DAC. »

Il a indiqué que le nouvel émetteur de l’équipe élimine complètement le DAC en construisant les signaux directement dans le domaine radiofréquence en utilisant trois sous-émetteurs synchronisés. « C’est comme préparer une valise parfaitement avant de quitter la maison plutôt que d’essayer de l’organiser en courant vers l’aéroport », a comparé Wang.

Mohammad Oveisi, un doctorant de l’UC Irvine et co-auteur de l’article sur l’antenna-to-bits, a précisé que cette méthode, connue sous le nom de 64QAM en domaine RF, permet à la puce d’être incroyablement efficace, envoyant plus de données sans surchauffer l’appareil. Avoir des émetteurs et des récepteurs capables de gérer des données à si haute fréquence sera vital pour ouvrir une nouvelle ère dominée par les produits connectés à Internet, les véhicules autonomes et l’informatique de périphérie IA, qui permet d’exécuter des applications d’intelligence artificielle et d’apprentissage automatique sur des appareils locaux.

Alors que ce rêve numérique anime les développeurs de technologie depuis des décennies, des obstacles sont apparus, selon le premier auteur de l’article sur l’antenna-to-bits, Youssef Hassan, un ancien chercheur doctoral en ingénierie électrique et informatique de l’UC Irvine, aujourd’hui chez Qualcomm.

« Les récepteurs traditionnels ont du mal à capter des données aussi rapides sans utiliser des composants massifs et énergivores appelés convertisseurs analogique-numérique », a-t-il expliqué. « La loi de Moore suggère que nous pouvons simplement rendre les transistors plus petits pour aller plus vite, mais à ces vitesses extrêmes, nous atteignons un mur physique connu sous le nom de goulot d’étranglement de l’échantillonnage. Numériser un signal de 120 Gbps nécessite généralement des convertisseurs analogique-numérique massifs qui brûlent des watts de puissance, bien trop pour un smartphone. »

Au lieu d’essayer de forcer l’électronique à travailler plus dur, l’équipe a conçu un récepteur qui travaille plus intelligemment.

« Nous avons développé une technique appelée démodulation analogique hiérarchique », a détaillé Hassan. « En décomposant le signal hiérarchiquement dans le domaine analogique, en séparant les couches de données complexes avant qu’elles ne soient numérisées, nous extrayons les données en utilisant une fraction de la puissance typiquement requise. »

Il a noté que la puce réceptrice, fabriquée en technologie 22 nanomètres silicium sur isolant totalement déserté, ne consomme que 230 milliwatts de puissance, la rendant suffisamment efficace pour les appareils portables.

Heydari a ajouté qu’en plus de permettre la transmission dans la plage des 140 gigahertz, l’architecture bits-to-antenna d’émetteur-récepteur permet une production de masse à moindre coût, ouvrant la voie à une adoption généralisée.

« Notre innovation élimine le besoin de kilomètres de câblage cuivré complexe à l’intérieur des centres de données », a-t-il déclaré. « Les opérateurs de fermes de données peuvent établir des liaisons sans fil ultra-rapides entre les baies de serveurs, économisant ainsi des sommes considérables en matériel, refroidissement et énergie. »

Heydari a précisé que des services de fabrication de semi-conducteurs standard ont été utilisés pour soutenir ce projet de recherche, prouvant que ces puces hautes performances peuvent être construites en utilisant des procédés de fabrication classiques.

Article : An Antenna-to-Bits F-Band 120-Gbps CMOS RF-64QAM Receiver – Journal : IEEE Journal of Solid-State Circuits – DOI : Lien vers l’étude

Source : UC Irvine