Chip bán dẫn kết hợp công nghệ quang tử, mở đường cho mạng 6G

[Romano]

Bằng cách kết hợp quang tử và điện tử, các nhà nghiên cứu đã phát triển thành công chip tăng tốc độ băng thông dùng cho mạng 6G và 7G.Nghiên cứu được công bố ngày 20 tháng 11 trên tạp chí Nature Communications, cung cấp bản thiết kế chi tiết về mẫu chip dành cho radar, hệ thống vệ tinh tiên tiến, mạng không dây tiên tiến (Wi-Fi) và thậm chí cả các thế hệ công nghệ di động 6G và 7G trong tương lai.

Bằng cách tích hợp các thành phần dựa trên quang tử vào bảng mạch dựa trên điện tử thông thường, các nhà nghiên cứu đã tăng đáng kể băng thông tần số vô tuyến (RF), đồng thời chứng minh độ chính xác của tín hiệu được cải thiện ở tần số cao.

Họ đã chế tạo một nguyên mẫu hoạt động của chip bán dẫn mạng, có kích thước 0,2 x 0,2 inch (5 x 5 mm), bằng cách tìm nguồn cung cấp một tấm bán dẫn silicon và gắn các thành phần điện tử và quang tử – dưới dạng “chiplets”.

Điều quan trọng là họ cũng cải thiện cách các con chip lọc thông tin.

Bộ thu phát không dây gửi dữ liệu và bộ lọc vi sóng được tích hợp trong chip thông thường sẽ chặn các tín hiệu ở dải tần sai. Bộ lọc quang tử vi sóng thực hiện chức năng tương tự đối với các tín hiệu dựa trên quang tử. Nhưng việc kết hợp các thành phần quang tử và điện tử cũng như các bộ lọc quang tử vi sóng hiệu quả trên một con chip là vô cùng khó khăn.

Nhưng theo nghiên cứu, bằng cách tinh chỉnh chính xác các tần số cụ thể ở các dải tần cao hơn, nhiều thông tin có thể truyền qua chip một cách chính xác hơn. Điều này rất quan trọng đối với các công nghệ không dây trong tương lai. Chúng có bước sóng ngắn hơn và do đó có thể mang nhiều năng lượng hơn, tương đương với băng thông dữ liệu cao hơn.

Trưởng nhóm nghiên cứu Ben Eggleton cho biết: “Bộ lọc quang tử vi sóng đóng một vai trò quan trọng trong các ứng dụng radar và liên lạc hiện đại, mang lại sự linh hoạt để lọc chính xác các tần số khác nhau, giảm nhiễu điện từ và nâng cao chất lượng tín hiệu”.

Verizon cho biết, các thiết bị khai thác mạng 5G, như điện thoại thông minh, truyền và nhận dữ liệu ở các dải tần số vô tuyến khác nhau – từ băng tần thấp (dưới 1 Gigahertz) đến băng tần cao (24 đến 53 GHz) ở Mỹ.

Tần số cao hơn cho phép tốc độ nhanh hơn do công suất năng lượng lớn hơn của các bước sóng ngắn hơn, nhưng có nguy cơ bị nhiễu và cản trở cao hơn. Điều này là do các bước sóng ngắn hơn khó xuyên qua các bề mặt và vật thể lớn hơn, đồng thời làm giảm phạm vi tín hiệu.

Trong khi đó, tốc độ dữ liệu 5G trung bình là 138 megabit/giây ở Mỹ, theo OpenSignal và các nhà mạng chạy mạng trên các băng tần từ 2 đến 4 GHz. Theo Hiệp hội Hệ thống Truyền thông Di động Toàn cầu (GSMA), công nghệ 6G dự kiến ​​sẽ trở thành xu hướng phổ biến vào những năm 2030, sẽ hoạt động ở tần số cao hơn - bắt đầu từ 7 đến 15 GHz.

Tuy nhiên, theo Đại học Liverpool, băng tần 6G cao nhất dành cho các ứng dụng công nghiệp sẽ cần phải trên 100 GHz và thậm chí có thể đạt tới 1.000 GHz và tốc độ có thể đạt mức tối đa về mặt lý thuyết là 1.000 gigabit mỗi giây,

Điều này có nghĩa là cần phải xây dựng các chip truyền thông có băng thông RF cao hơn đáng kể và bộ lọc nâng cao để loại bỏ nhiễu ở các tần số cao hơn này. Đây là lúc những tiến bộ trong kiến ​​trúc chip xuất hiện – với quang tử đóng vai trò quan trọng trong các chip bán dẫn nối mạng sẽ được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị 6G.