无线速度逼近光纤

加州大学欧文分校（UCI）的电气工程师研发出一款新型无线收发器，将无线电工作频率提升至 140 吉赫兹（GHz），实现了可与物理光纤相媲美的数据传输速率。这一成果被视为迈向 6G 和 FutureG 数据传输协议的重要技术基石。

数模融合的新型芯片架构

为实现这一性能，UCI Samueli 工程学院的研究团队设计了一种融合数字与模拟信号处理的独特架构，构建出一套集成发射器与接收器的硅芯片系统。该系统不仅能以远超现有无线技术的速度处理数字信号，同时在能效方面也有显著提升。

相关研究由 UCI 纳米通信集成电路（NCIC）实验室团队完成，并以两篇论文形式发表在本月的《IEEE 固态电路杂志》上。其中一篇聚焦他们提出的“比特到天线”（bit-to-antenna）发射器技术，另一篇则介绍“天线到比特”（antenna-to-bit）接收器设计。

“无线光纤跳线”：在 F 波段实现超大带宽

NCIC 实验室主任、UCI 校长教授 Payam Heydari 表示：“我们称这项技术为‘无线光纤跳线’，因为它能提供类似光纤的极高速率，却不需要任何物理电缆。”

他指出，团队选择在 F 波段工作——这一频段远高于当前 5G 标准所使用的频率范围——从而获得极大的可用带宽。“这将彻底改变机器、机器人以及数据中心之间的通信方式。”

Heydari 强调，这一突破源自团队多年的战略规划。早在 2020 年，他们就开始构思“比特到天线”的概念，并意识到传统依赖高功耗数据转换器的混合信号芯片架构终将遭遇性能瓶颈。

重新思考电路拓扑：从数字转向模拟

“我们很清楚，要在不让芯片过热的前提下实现 100 吉比特每秒（Gb/s）这一几乎难以企及的目标——约为当前无线设备速度的 100 倍——就必须从根本上重构电路拓扑，”Heydari 解释道。

团队提出了一种全新的全模拟架构，以突破高速设计中功耗与性能之间的严苛权衡。随着传输速率不断提升，数字与模拟处理的边界也不得不重新划分。通过将大量计算任务转移到模拟域，他们绕开了限制标准 5G 芯片效率的关键瓶颈。

长期以来，学界和工程界都面临同一难题：无线速率越高，数据处理所需功率往往呈指数级上升。

“如果继续沿用传统方案，下一代设备的电池可能在几分钟内就会耗尽，”他说。“我们的做法是设计一种收发器，把复杂计算放在模拟域完成，而不是依赖高功耗的数字域，从而跨越现有技术的限制。”

最终，这套端到端新型收发器实现了最高 120Gb/s 的传输速度，理论上可以在眨眼间传输多部 4K 电影。

发射端：绕开 DAC 瓶颈的“比特到天线”

前 UCI 电气工程与计算机科学博士研究员、现任 Marvell Technology Inc. 工程师 Zisong Wang 是“比特到天线”论文的第一作者。他指出：“联邦通信委员会（FCC）和 6G 标准制定机构正把 100GHz 以上频谱视为下一代通信的关键前沿。”

但在如此高的速率下，传统依赖数模转换器（DAC）生成信号的发射器不仅结构复杂，而且极其耗电，形成所谓的“DAC 瓶颈”。

团队提出的新型发射器架构彻底取消了 DAC，而是通过三个同步工作的子发射器，直接在射频（RF）域构建信号。

Wang 打了个比方：“这就像是出门前就把行李打包整理好，而不是在奔向机场的路上边跑边收拾。”

这种被称为“射频域 64QAM”的方法，使得芯片在高频下仍能保持极高效率，在不引发过热的情况下传输更多数据。能够在如此高频下稳定工作的发射器与接收器，被视为支撑未来互联网连接设备、自动驾驶汽车以及边缘人工智能计算的重要基础——后者允许 AI 和机器学习应用直接在本地设备上运行。

接收端：分层模拟解调化解采样瓶颈

“天线到比特”论文第一作者、前 UCI 博士研究员、现任高通公司工程师 Youssef Hassan 指出，尽管业界对超高速无线通信的追求已持续数十年，但在接收端仍存在关键障碍。

“传统接收器若要捕获如此高速的数据，往往需要体积庞大、功耗极高的模数转换器（ADC），”他说。“摩尔定律似乎暗示我们可以通过缩小晶体管来提升速度，但在极端速率下，我们会遭遇所谓的‘采样瓶颈’这一物理极限。要对 120Gb/s 信号进行数字化，通常需要功耗达数瓦的巨大 ADC，这对智能手机等设备来说完全不可接受。”

为此，团队没有一味提高电子元件的工作强度，而是从架构层面设计了更“聪明”的接收器。

Hassan 介绍：“我们开发了一种名为‘分层模拟解调’的技术。通过在模拟域对信号进行分层分解，在进入数字化之前逐步剥离复杂数据层，只用传统方案一小部分的功率就能完成数据提取。”

该接收器芯片采用 22 纳米全耗尽绝缘体上硅（FD-SOI）工艺制造，整机功耗仅 230 毫瓦，足以满足便携式设备的能耗要求。

面向 6G 与数据中心的潜在应用

Heydari 表示，这款收发器不仅支持在 140GHz 频段进行传输，其“比特到天线”架构还具备良好的可制造性和成本优势，有利于大规模量产和广泛部署。

“我们的创新可以消除数据中心内部数英里长的复杂铜线，”他说。“数据中心运营商可以在服务器机架之间采用超高速无线连接，从而节省大量布线、散热和电力成本。”

他补充指出，本项目所使用的都是常规的半导体制造服务，这也从侧面证明，这类高性能芯片完全可以通过标准工艺进行生产，为未来 6G 与 FutureG 网络的商业化铺平道路。