От квантовой к беспроводной связи: улучшение связи на уровне микросхем с помощью терагерцовой технологии

По мере развития вычислительной техники мы перешли от использования больших однокристальных процессоров к системам, состоящим из более мелких специализированных чипов, называемых «чиплетами». Эти чиплеты работают вместе, повышая вычислительную мощность и эффективность.

Этот переход имеет решающее значение, поскольку мы достигли физических пределов того, сколько транзисторов может поместиться на одном чипе. По мере уменьшения размеров транзисторов такие проблемы, как перегрев и неэффективность энергопотребления, становятся более серьезными.[1] Использование нескольких чиплетов в одной системе может увеличить вычислительную мощность, не сталкиваясь с этими физическими ограничениями.

Проблема коммуникации между чиплетами

Традиционно коммуникация внутри чипа управлялась системой, называемой Network-on-Chip (NoC), которая действует как магистраль данных. Этот метод становится неэффективным по мере усложнения систем, особенно с несколькими чиплетами. Данные должны проходить дальше по большему количеству точек сетки, что замедляет связь и увеличивает потребление энергии.

Когда мы масштабируем этот подход на различные чиплеты, мы создаем то, что известно как Network-in-Package (NiP). Однако те же проблемы — задержки, неэффективность использования энергии и ограниченная масштабируемость — по-прежнему существуют, поскольку проводные соединения доминируют в передаче данных.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи изучают беспроводную связь на уровне чипа. Вместо того чтобы полагаться на провода, чиплеты могли бы общаться по беспроводной связи с помощью крошечных антенн.

Терагерцовые (ТГц) частоты, электромагнитные волны между инфракрасным и микроволновым диапазонами, обеспечивают высокоскоростную передачу данных, что делает их идеальными для этого применения. Однако ТГц-сигналы очень чувствительны к шуму, нарушают связь и затрудняют декодирование передаваемых данных.

Технология Флоке: улучшение обнаружения сигнала

Наше исследование решает эту проблему с помощью технологии Флоке, метода из квантовой физики, который помогает контролировать поведение электронов в материале при воздействии высокочастотных сигналов.[2,3,4] Этот метод делает систему более чувствительной к определенным частотам, улучшая обнаружение и декодирование беспроводных сигналов ТГц даже в шумных условиях.

Мы применили этот метод к двумерной полупроводниковой квантовой яме (2DSQW) — очень тонкому слою полупроводникового материала, который ограничивает движение электронов двумя измерениями. Эта установка повышает способность системы обнаруживать сигналы ТГц даже при высоком уровне шумовых помех. Наше исследование опубликовано в журнале IEEE Journal on Selected Areas in Communications.

Двойная архитектура сигналов для более точной связи

Чтобы еще больше улучшить обработку шума, мы разработали двойную архитектуру сигналов, в которой два приемника работают вместе для мониторинга сигналов. Эта установка позволяет системе регулировать ключевой параметр, называемый опорным напряжением, на основе обнаруженных уровней шума. Эта регулировка в реальном времени значительно повышает точность декодирования сигнала.

Наши симуляции показали, что эта система двойной сигнализации снижает частоту ошибок по сравнению с традиционными системами с одним приемником, обеспечивая надежную связь в шумных условиях — важнейшее требование для беспроводной связи в масштабе чипа.

Преодолевая проблемы шума и ухудшения сигнала, наша технология двойной сигнализации знаменует собой ключевой шаг вперед в разработке высокоскоростной, устойчивой к помехам беспроводной связи для чиплетов. Это нововведение приближает нас к созданию более эффективных, масштабируемых и адаптируемых вычислительных систем для технологий будущего.

Эта история является частью Science X Dialog, где исследователи могут сообщать о результатах своих опубликованных исследовательских статей. Посетите эту страницу для получения информации о Science X Dialog и о том, как принять участие.