Sieć 6G jest za szybka dla obecnej elektroniki. Amerykanie znaleźli rozwiązanie
Wyobraźmy sobie sytuację: mamy najszybszy samochód na świecie, ale drogi są na to za wolne. To dokładnie ten problem, z którym zmaga się rozwój sieci 6G.
Teoretyczne możliwości tej technologii znacznie przewyższają to, co jest w stanie przetworzyć współczesna elektronika. Na szczęście naukowcy z MIT właśnie pokazali, jak można to zmienić.
Sieci 6G obiecują przepustowość rzędu terabitów na sekundę i opóźnienia na poziomie mikrosekund. To brzmi fantastycznie w teorii, ale w praktyce napotykamy fundamentalną przeszkodę. Tradycyjne elektroniczne procesory AI, które klasyfikują i przetwarzają sygnały bezprzewodowe, potrzebują mikrosekund na wykonanie podobnych zadań - to może nie wydawać się dużo, ale w świecie 6G każda nanosekunda ma znaczenie.
Problem leży w samej naturze elektronicznych obwodów cyfrowych. Muszą one najpierw przekonwertować sygnał bezprzewodowy na obraz cyfrowy, następnie przepuścić go przez głęboką sieć neuronową aby dokonać klasyfikacji. Ten proces, choć bardzo dokładny, jest obliczeniowo intensywny i za wolny dla aplikacji wymagających reakcji w czasie rzeczywistym.
Czytaj też:
Terahercowe wyzwanie
6G będzie działać w pasmach submilimetrowych, sięgając nawet do zakresu terahercowego. Te ultrawysokie częstotliwości oferują ogromną przepustowość, ale też stwarzają nowe problemy. Sygnały terahercowe są łatwo absorbowane przez atmosferę, prowadząc do szybkiego zaniku sygnału i są bardzo podatne na zakłócenia fizyczne jak budynki czy drzewa. To szczególnie problematyczne w gęstych środowiskach miejskich, gdzie utrzymanie stałej łączności jest kluczowe.
Zespół z MIT pod kierownictwem profesora Dirka Englunda zaprezentował przełomowe rozwiązanie - optyczny procesor AI, który wykonuje obliczenia uczenia maszynowego z prędkością światła. Ich chip fotoniczny klasyfikuje sygnały bezprzewodowe w ciągu nanosekund, osiągając około 100-krotnie większą szybkość niż najlepsze cyfrowe alternatywy.
Kluczem do sukcesu jest architektura MAFT-ONN (Multiplicative Analog Frequency Transform Optical Neural Network). W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, które wymagają jednego urządzenia na każdy neuron, MAFT-ONN potrzebuje tylko jednego urządzenia na warstwę sieci, co pozwala zmieścić 10 tys. neuronów na pojedynczym chipie.
Sekret leży w przetwarzaniu sygnałów bezpośrednio w domenie częstotliwościowej, jeszcze przed digitalizacją. Optyczna sieć neuronowa wykonuje wszystkie operacje liniowe i nieliniowe w jednej linii, wykorzystując technikę zwaną photoelectric multiplication. To dramatycznie zwiększa efektywność i pozwala na łatwe skalowanie bez dodatkowego narzutu sprzętowego.
W testach symulacyjnych MAFT-ONN osiągnął 85 proc. dokładności w pojedynczym pomiarze, szybko zwiększając do ponad 99 proc. dokładności przy użyciu wielu pomiarów - wszystko w ciągu zaledwie 120 nanosekund. To znacznie lepszy wynik niż najnowocześniejsze urządzenia radiowe, które potrzebują mikrosekund na podobne zadania.
Fotonic jako klucz do przyszłości 6G
Rozwój technologii fotonicznych dla komunikacji bezprzewodowej nie jest przypadkowy. Badania pokazują, że photonics-aided terahertz (THz) systems są kluczowe dla obsługi ultrawysokich szybkości transmisji danych w nadchodzących sieciach 6G. Systemy te mogą osiągnąć prędkości przekraczające 1 Tbit/s w zakresie powyżej 300 GHz.
Szczególnie obiecujące są zastosowania w cognitive radio - systemach, które automatycznie dostosowują formaty modulacji bezprzewodowej do zmieniającego się środowiska. To kluczowa funkcja dla sieci 6G, które muszą dynamicznie zarządzać ograniczonym spektrum bezprzewodowym.
Mikrowave photonics (MWP) objawia się tu jako technologia o znaczeniu niemalże transformacyjnym oferując unikalne zalety: takie jak wysoka częstotliwość, duża przepustowość, niska strata zależna od częstotliwości i szybkie analogowe przetwarzanie sygnałów. Te cechy sprawiają, że technologie fotoniczne przewyższają tradycyjne rozwiązania elektroniczne pod względem szybkości transmisji danych i rozdzielczości.
Rozwój optycznych procesorów AI przez MIT pokazuje, że problem zbyt szybkiej sieci 6G ma konkretne rozwiązanie. Choć technologia jest jeszcze w fazie rozwoju jej potencjał jest ogromny. Połączenie ultraszybkiego przetwarzania, niskiego zużycia energii i możliwości skalowania czyni z optycznych sieci neuronowych kluczowy element przyszłej infrastruktury 6G. Jednak droga do pełnej implementacji wymaga jeszcze rozwiązania wyzwań związanych z integracją, standaryzacją i skalowalnością. Mimo to pierwsze kroki już zostały postawione - i światło faktycznie może okazać się szybsze niż elektronika w wyścigu o przyszłość komunikacji bezprzewodowej.
