Επιστήμονες στη Γερμανία ανέπτυξαν ένα νέο τσιπ πυριτίου-γερμανίου που επιτυγχάνει τον υψηλότερο στον κόσμο συνδυασμένο ρυθμό δειγματοληψίας και εύρος ζώνης σε κύκλωμα track-and-hold, ένα βασικό στοιχείο στην υπερταχεία επεξεργασία σημάτων.
Η πρόοδος αυτή θα μπορούσε να βελτιώσει τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η διαχείριση δεδομένων σε συστήματα επικοινωνίας, τεχνητή νοημοσύνη, data centers και υποδομές cloud
Το έργο προέρχεται από το Ινστιτούτο Heinz Nixdorf στο Πανεπιστήμιο του Paderborn στο πλαίσιο του έργου PACE.
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι το νέο τσιπ επιτυγχάνει τον υψηλότερο συνδυασμό ρυθμού δειγματοληψίας και εύρους ζώνης που έχει ποτέ επιδειχθεί σε κύκλωμα track-and-hold, ένα βασικό στοιχείο στη μετατροπή αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά δεδομένα.
Με απλά λόγια, το τσιπ καταγράφει εξαιρετικά ταχέως μεταβαλλόμενα σήματα και τα μετατρέπει σε ψηφιακή μορφή για επεξεργασία. Αυτή η λειτουργία είναι κρίσιμη στα σύγχρονα ηλεκτρονικά, όπου τα συστήματα πρέπει να διαχειρίζονται τεράστιες ποσότητες δεδομένων σε πραγματικό χρόνο.
Η ομάδα αναφέρει ότι το σύστημα μπορεί να επεξεργάζεται περισσότερα από 500 gigabits ανά δευτερόλεπτο σε ένα μόνο κανάλι χρησιμοποιώντας διαμόρφωση τετραγωνικού πλάτους. Σε διαμορφώσεις πολλαπλών καναλιών, ο ρυθμός δεδομένων θα μπορούσε να υπερβαίνει τα 100 terabits ανά δευτερόλεπτο, επίπεδο σχετικό για δίκτυα επικοινωνίας μεγάλων αποστάσεων.
Ο νέος σχεδιασμός χρησιμοποιεί τεχνολογία πυριτίου-γερμανίου, η οποία επιτρέπει υψηλότερες ταχύτητες μεταγωγής ενώ μειώνει την κατανάλωση ενέργειας
Αυτός ο συνδυασμός είναι σημαντικός για εφαρμογές επόμενης γενιάς όπως τα δίκτυα 5G και 6G, τα αυτόνομα οχήματα και οι αισθητήρες υψηλής ταχύτητας.
Οι μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό σήμα που βασίζονται σε πυρίτιο λειτουργούν ήδη σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες, αλλά η ταυτόχρονη βελτίωση τόσο του εύρους ζώνης όσο και του ρυθμού δειγματοληψίας αποτελεί τεχνική πρόκληση.
Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στη βελτιστοποίηση και των δύο παραμέτρων για να βελτιώσουν τη συνολική απόδοση του συστήματος.
«Οι πομποδέκτες είναι, θα λέγαμε, “πρεσβευτές” μεταξύ αναλογικού και ψηφιακού. Συνδυάζουν δύο λειτουργίες: τόσο την αποστολή ψηφιακών δεδομένων όσο και τη λήψη δεδομένων από το εξωτερικό», εξήγησε ο Maxim Weizel, ερευνητικός συνεργάτης που συμμετείχε στο έργο.
Μεγαλύτερο εύρος ζώνης επιτρέπει τη μετάδοση περισσότερων δεδομένων σε λιγότερο χρόνο, κάτι που επηρεάζει άμεσα την απόδοση σε διακομιστές, συστήματα cloud και κέντρα δεδομένων. Για παράδειγμα, κάρτες δικτύου με υψηλότερο εύρος ζώνης μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά τη συνολική αποδοτικότητα του συστήματος.
Διευρύνοντας τα όρια των μετρήσεων
Η ομάδα αντιμετώπισε επίσης προκλήσεις στη μέτρηση της απόδοσης σε τόσο υψηλές συχνότητες. Ακόμη και μικρά σφάλματα μπορούν να προκαλέσουν θόρυβο φάσης ή παραμόρφωση σήματος, καθιστώντας δύσκολη την ακριβή δοκιμή.
«Εργαστήκαμε με εξαιρετικά υψηλές συχνότητες, που με τη σειρά τους απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια», δήλωσε ο Weizel. «Ακόμη και τα μικρότερα σφάλματα προκαλούσαν ανεπιθύμητες ανακλάσεις ή τον λεγόμενο θόρυβο φάσης.»
Για να το αντιμετωπίσουν αυτό, οι ερευνητές βασίστηκαν σε προηγμένες προσομοιώσεις και υπολογιστικούς πόρους υψηλής απόδοσης για να επικυρώσουν τον σχεδιασμό τους. Η απόδοση του τσιπ ήταν αρκετά υψηλή ώστε να ωθήσει τα υπάρχοντα συστήματα μέτρησης στα όριά τους.
«Ιδιαίτερα στο πλαίσιο της τεχνητής νοημοσύνης, η υψηλή ταχύτητα γίνεται ανταγωνιστικό πλεονέκτημα», πρόσθεσε ο Weizel, σημειώνοντας ότι τα μεγάλα σύνολα δεδομένων και η επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο απαιτούν ταχύτερη επεξεργασία.
Η εξέλιξη αυτή αναδεικνύει επίσης τον αυξανόμενο ρόλο των προηγμένων υλικών ημιαγωγών στην ώθηση των ορίων της υπολογιστικής. Το πυρίτιο-γερμάνιο συνδυάζει τη δυνατότητα παραγωγής του πυριτίου με βελτιωμένες ηλεκτρονικές επιδόσεις, καθιστώντας το ελκυστικό για τσιπ επόμενης γενιάς.
Καθώς η ζήτηση για ταχύτερη επεξεργασία δεδομένων αυξάνεται, τέτοια υβριδικά υλικά θα μπορούσαν να διαδραματίσουν κεντρικό ρόλο στην κλιμάκωση των μελλοντικών συστημάτων επικοινωνίας και υπολογισμού.
(Το έργο περιλάμβανε συνεργασία μεταξύ πολλών ιδρυμάτων, συμπεριλαμβανομένων του RWTH Aachen University, του Karlsruhe Institute of Technology και του DESY. Τα αποτελέσματα καταγράφονται στο βιβλίο ανοιχτής πρόσβασης «Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing»)
www.worldenergynews.gr
