UC Irvine bünyesindeki Nanoscale Communication IC (NCIC) laboratuvarı araştırmacıları, fiber optik hızlarına çıkabilecek, tamamen entegre bir CMOS transceiver (alıcı-verici) mimarisi geliştirdiklerini duyurdu. Saniyede 120 gigabit (Gb/s) veri aktarım hızına ulaşabilen CMOS'un tasarımı, IEEE Solid-State Circuits dergisinde yayımlandı.

Kablosuz iletişim teknolojilerinin tarihsel gelişimi, her on yılda bir gerçekleşen büyük spektrum ve hız sıçramalarıyla karakterize edilir. İlk kablosuz analog haberleşme sistemlerinden sonra 2G (GSM) teknolojisi ile dijitalleşme başlamış ve 3G teknolojileri ile mobil internetin kapıları aralanmıştı. Günümüzde ise yüksek hızlı veri transferi için tasarlanan 4G/LTE kablosuz haberleşme sektörü domine etmekte ve düşük gecikme için tasarlanan 5G teknolojileri ise yavaş yavaş yaygınlaşmaktadır. 6G teknolojileri ise saniyede terabit (Tbps) seviyesindeki veri hızları ve sub-terahertz (100 GHz - 3 THz) frekans kullanımıyla fiber optik kablo performansını kablosuz dünyaya taşımayı hedeflemektedir. Bu hedefe ulaşmadaki en kritik engel ise bu teknolojilerin mobil cihazlarda oluşturduğu yüksek enerji tüketimi ve karmaşık donanım gereksinimidir. UC Irvine araştırmacıları, geliştirdikleri yeni alıcı ve verici mimarisi ile bu soruna bir çözüm sunuyor.

University of California, Irvine (UC Irvine) bünyesindeki Nanoscale Communication IC (NCIC) laboratuvarındaki araştırmacılar, fiber optik hızlarını kablosuz ortama taşıyan tamamen entegre bir F-Bandı (100-140 GHz) transceiver (alıcı-verici) mimarisi geliştirdi. IEEE Journal of Solid-State Circuits dergisinde yayımlanan çalışmaya göre, 64QAM modülasyonu ile tasarlanan sistem saniyede 120 gigabit (Gb/s) veri hızına ulaşabiliyor. Antenini ve veri modülasyonunu içinde bulunduran bu yonga seti, fiziksel fiber kabloların hızını kablosuz ağlara getirmektedir.

Kablosuz Haberleşmenin Hız Kesenleri

Mevcut mimariler, geleceğin kablosuz ağları için hedeflenen 100 Gb/s üstü hızlarda iki ana sebepten dolayı yetersizdir:

• Örnekleme ve Sayısallaştırma Darboğazı: Geleneksel alıcılarda bu hızdaki veriyi işlemek için saniyede yüz milyarlarca örnekleme yapabilen Analog-Dijital Dönüştürücülere (ADC) ihtiyaç duyulur. Bu bileşenler hem aşırı ısınmakta hem de tek başına bir akıllı telefonun toplam batarya kapasitesinden fazla güç tüketmektedir.

• Verimlilik ve Doğrusallık Sorunu: Yüksek hızlarda veri aktarımı için 64QAM gibi karmaşık modülasyonlar kullanılır ve bu modülasyonların kullanıldığı sistemlerdeki güç amplifikatörlerinde (PA) yüksek doğrusallık gereklidir. Ancak sub-THz frekanslarda çalışan PA'yı en verimli seviyede (doygunluğa yakın) çalıştırılırsa, yüksek tepe noktalarına sahip bir sinyallerde bozulmaya neden olmaktadır.

                                                                                          64QAM, her bir bitin temsili için 64 farklı genlik ve frekans kombinasyonu kullanır.

Veri İşleme İçin Yeni Mimari

Geliştirilen sistem, bu engelleri "doğrudan RF işleme" ve "analog demodulasyon" teknikleriyle aşmaktadır:

• RF-Domain 64QAM Modülasyonu (Verici): 45-nm CMOS SOI süreciyle üretilen verici, 64QAM sinyalini dijital alanda değil, doğrudan analog bir radyo frekansı (RF) sinyali oluşturur. Güç tüketen yüksek hızlı DAC'ler yerine, genlik ağırlıklandırması kontrol edilen üç adet QPSK alt vericisi (sub-TX) kullanılmıştır. Bu yöntem, amplifikatörün (PA) yarattığı bozulmaları (non-linearity) doğrudan devre seviyede çözerek verimliliği artırır.

• Ardışık Asenkron Demodulasyon (Alıcı): 22-nm FDSOI CMOS süreciyle üretilen alıcı, veriyi sayısallaştırmadan (ADC kullanmadan) tamamen analog alanda ayrıştırır. Kullanılan "sequential asynchronous demodulation" metodu, yüksek frekanslı saat (CLK) sinyallerine ihtiyaç duymadan 120 Gb/s veriyi işleyebilir. Bu sayede alıcı birimi yalnızca 230 mW güç tüketerek geleneksel sistemlere göre devasa bir enerji tasarrufu sağlar.

• Donanım Spesifikasyonları: 4,5mmx2,8mm boyutundaki prototip alıcı 120 Gb/s veri hızını sergiledi ve 7,3 pJ/bit'lik bir güç verimliliğine sahip. 2,5mmx3mm boyutundaki prototip alıcı, 15 santimetrelik mesafede 120 Gb/s verinin demodulasyonunu gerçekleştirebilmekte. Ayrıca 9.5 dB gibi düşük bir gürültü figürü (Noise Figure) ve 1.92 pJ/bit'lik bir güç verimliliği elde edilmiştir.

  ---

  Sonuç

  Yeni geliştirilen sistem, kablosuz haberleşmenin kablolu haberleşme sistemlerine yakın performansının olabileceğinin yanında düşük güç tüketimi olabildiğini göstermiştir. Ana kullanım alanı olarak veri merkezleri ve otonom araçlar düşünülmektedir.

  Mevcut veri merkezlerinde sunucu rafları arasındaki karmaşık fiber optik kablolama, bu tür yüksek hızlı kablosuz linklerle (wireless patch cords) değiştirilebilir. Bu, kurulum esnekliğini artırırken hava sirkülasyonunu engelleyen kablo yığınlarını ortadan kaldırarak soğutma maliyetlerini düşürecektir.

  120 Gb/s bant genişliği sayesinde otonom araçların çevresel sensör verilerini ve yüksek çözünürlüklü haritaları anlık olarak paylaşması mümkün olacaktır.

  Çalışmanın standart CMOS fabrikasyon süreçleri (45-nm ve 22-nm) ile gerçekleştirilmiş olması, seri üretimin maliyet etkin bir şekilde yapılabileceğini göstermektedir. Özel ve pahalı yarı iletken bileşikler yerine CMOS'un tercih edilmesi, teknolojinin kitlesel tüketime hızlı adaptasyonunu sağlayacaktır.