این فناوری میتواند آینده زیرساختهای هوش مصنوعی، مراکز داده و شبکههای فوقسریع ارتباطی را متحول کند.
این دستاورد را پژوهشگران مؤسسه هاینتس نیکسدورف در دانشگاه پادربورن آلمان و در قالب پروژه PACE توسعه دادهاند. تیم تحقیقاتی اعلام کرده است که این تراشه بالاترین ترکیب نرخ نمونهبرداری و پهنای باند را در یک مدار “Track-and-Hold” ارائه میدهد. این مدار یکی از اجزای کلیدی در تبدیل سیگنالهای آنالوگ به دادههای دیجیتال به حساب میآید و نقش مهمی در پردازش دادههای بسیار سریع دارد.
عملکرد این تراشه به زبان ساده به این صورت است که میتواند سیگنالهایی را که با سرعت بسیار بالا تغییر میکنند، ثبت و سپس آنها را به دادههای دیجیتال قابل پردازش تبدیل کند. این قابلیت برای سیستمهای مدرنی اهمیت دارد که باید حجم عظیمی از دادهها را به صورت لحظهای پردازش کنند.
پژوهشگران اعلام کردهاند که این سیستم میتواند در یک کانال و با استفاده از فناوری مدولاسیون دامنه مربعی یا QAM، بیش از ۵۰۰ گیگابیت بر ثانیه داده را پردازش کند. همچنین در پیکربندیهای چندکاناله، نرخ انتقال داده میتواند از مرز ۱۰۰ ترابیت بر ثانیه عبور کند. چنین سرعتی برای شبکههای ارتباطی راه دور و نسل آینده اینترنت بسیار مهم ارزیابی میشود.
این طراحی جدید از فناوری سیلیکون-ژرمانیوم استفاده میکند؛ مادهای که امکان سوئیچینگ سریعتر را فراهم میکند و در عین حال مصرف انرژی را کاهش میدهد. این ویژگی برای کاربردهایی مانند شبکههای 5G و 6G، خودروهای خودران، حسگرهای پرسرعت و سیستمهای پردازش ابری اهمیت بالایی دارد.
اگرچه مبدلهای آنالوگ به دیجیتال مبتنی بر سیلیکون نیز سرعت بالایی دارند، اما افزایش همزمان پهنای باند و نرخ نمونهبرداری تاکنون یکی از چالشهای مهم مهندسی محسوب میشد. محققان در این پروژه تلاش کردند هر دو پارامتر را به صورت همزمان بهینهسازی کنند تا عملکرد کلی سیستم بهبود پیدا کند.
ماکسیم وایزل، یکی از پژوهشگران این پروژه درباره نقش این تراشه گفت: «فرستندهگیرندهها در واقع نقش سفیر میان دنیای آنالوگ و دیجیتال را دارند. این سیستمها هم دادههای دیجیتال را ارسال میکنند و هم اطلاعات دریافتی از محیط را پردازش میکنند.»
افزایش پهنای باند به این معنا است که دادههای بیشتری در زمان کوتاهتر منتقل میشوند. این موضوع میتواند عملکرد سرورها، سیستمهای ابری و مراکز داده را به شکل قابل توجهی بهبود دهد. برای نمونه، کارتهای شبکهای با پهنای باند بالاتر میتوانند بازده کلی زیرساختهای پردازشی را افزایش دهند.
تیم تحقیقاتی در مسیر توسعه این تراشه با چالشهای جدی در زمینه اندازهگیری فرکانسهای بسیار بالا روبهرو شد. در چنین فرکانسهایی حتی کوچکترین خطاها میتوانند باعث ایجاد نویز فازی یا اعوجاج سیگنال شوند و دقت اندازهگیری را کاهش دهند.
وایزل در اینباره توضیح داد: «ما با فرکانسهایی بسیار بالا کار کردیم که نیازمند دقت فوقالعادهای بودند. حتی کوچکترین خطاها میتوانستند بازتابهای مخرب یا نویز فازی ایجاد کنند.»
پژوهشگران برای حل این مشکل از شبیهسازیهای پیشرفته و سامانههای محاسباتی قدرتمند استفاده کردند تا عملکرد طراحی خود را اعتبارسنجی کنند. آنها بیان کردند که عملکرد این تراشه تا حدی بالا بوده که حتی سیستمهای اندازهگیری فعلی را نیز به مرز تواناییهای آنها رسانده است.
همچنین وایزل تأکید کرد که سرعت بالا در عصر هوش مصنوعی به یک مزیت رقابتی مهم تبدیل شده است. او گفت که حجم عظیم دادهها و نیاز به ارتباطات لحظهای باعث شده است سیستمهای پردازشی سریعتر اهمیت بیشتری پیدا کنند.
همچنین این پروژه نشان میدهد که مواد نیمهرسانای پیشرفته مانند سیلیکون-ژرمانیوم میتوانند نقش کلیدی در آینده صنعت تراشه ایفا کنند. این ماده در کنار قابلیت تولید انبوه مبتنی بر سیلیکون، عملکرد الکترونیکی بهتری ارائه میدهد و به همین دلیل گزینه مناسبی برای نسل آینده تراشههای ارتباطی و پردازشی محسوب میشود.
در توسعه این پروژه، چندین مرکز علمی دیگر از جمله دانشگاه RWTH آخن، مؤسسه فناوری کارلسروهه و مرکز تحقیقاتی DESY نیز مشارکت داشتهاند. نتایج کامل این تحقیق در کتاب متنباز «Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing» منتشر شده است.
