Bits&Chips

Nokia Bell Labs en KU Leuven blazen koper nieuw leven in

Auteur: David Maes
25 mei 2018 

Onderzoekers van Nokia Bell Labs en de KU Leuven realiseerden een chip die twintig gigabit per seconde over een gewone coaxkabel kan verzenden. Het blijkt dus niet nodig om alle netwerkkabels door glasvezel te vervangen.

Dankzij de veel grotere bandbreedte verdringt glasvezel koper uit moderne datanetwerken. Maar koper geeft zich niet helemaal gewonnen. Vooral in de aansluiting van onze huizen op het netwerk in de straat blijven de oude telefoondraden en coaxkabels hun waarde bewijzen. Om deze verbinding from curb to customer een glasvezelachtige snelheid te geven, werkt Nokia Bell Labs in Antwerpen samen met de onderzoeksgroep Micas (Microelectronics and Sensors) van de KU Leuven.

Nokia Bell Labs is de erfgenaam van Alcatel-Lucents befaamde onderzoeksafdeling, die een vooraanstaande rol speelde in de ontwikkeling van onder meer adsl en vdsl. Digitale netwerkinfrastructuur over telefoondraden blijft ook onder nieuwe eigenaar Nokia een kernactiviteit van ‘den Bell’, zoals het bedrijf in de streek nog altijd wordt genoemd. Recentelijk hebben de Antwerpse onderzoekers met Leuvense collega’s een chip ontwikkeld die twintig gigabit per seconde over een coaxkabel kan sturen.

De Nokia-chip is 0,28 vierkante millimeter groot en bevat drie blokken: de line-driver geeft het signaal het gewenste vermogen, de hybrid zorgt ervoor dat er in twee richtingen kan worden gecommuniceerd en de receiver versterkt het ontvangen signaal met lage ruis en hoge bandbreedte.

Aanvaardbaar

De innovatie zit niet alleen in wat de chip kan en hoe snel hij dat doet, maar ook in hoe hij is gemaakt. De huidige chips om de koperlijnen aan te sturen, zijn gemaakt in III-V-technologie, die duur is, veel vermogen verbruikt en moeilijk te integreren is in het volledige communicatiesysteem. De onderzoekers van Nokia Bell Labs en de KU Leuven slaagden erin om een standaard cmos-proces te gebruiken. Daardoor kan hun chip worden gecombineerd met de andere elektronische circuits die nodig zijn om de bits en bytes op een betrouwbare manier op het kanaal te zetten. Het resultaat is een compacte, goedkope en energiezuinige alles-in-een-oplossing.

De uitdaging was om de op het eerste gezicht niet-compatibele vereisten van de toepassing en de mogelijkheden van de technologie met elkaar te verzoenen. De circuits moeten een spanning van tien volt op de lijn kunnen zetten, terwijl cmos-transistoren op ongeveer één volt werken. De onderzoekers van Micas zijn met een slimme oplossing naar voren gekomen: ze stapelden verschillende transistoren boven elkaar. Elke transistor werkt op zijn nominale spanning van een volt, maar samen kunnen ze een veel hogere spanning leveren. In dit geval stapelden de onderzoekers maar liefst zestien transistoren. Dankzij hun expertise op het vlak van ontwerp van analoge geïntegreerde schakelingen slaagden ze erin om voor elk van die transistoren een geschikt werkingspunt te vinden, terwijl ook het circuit in zijn geheel mooi binnen de aanvaardbare spanningen blijft.

Geen graafwerk

Het team demonstreerde de nieuwe techniek door de ontworpen chips te realiseren in een geavanceerde standaard cmos-technologie. Hiermee maakten ze een prototype dat aan allerlei tests en metingen werd onderworpen. De snelheid waarmee het systeem bits op het kopernetwerk zet, klokte af op twintig gigabit per seconde full-duplex, waarbij de twee zendontvangers tegelijk zenden en ontvangen. Dat is een verdubbeling in vergelijking met de state of the art.

Het gerealiseerde prototype zal de basis vormen voor toekomstige netwerkapparatuur die onze huizen verbindt met het glasvezelnetwerk. Er zal zich geen flessenhals vormen aan onze voordeur, en dit zonder dat de bestaande koperdraden vervangen moeten worden. Dus geen graafwerk, geen glasvezels en geen dure optische apparatuur nodig in en rond het huis.

Nokia Bell Labs gaat in de toekomst blijven samenwerken met Micas op het onderwerp. Zo gaan ze het huidige prototype nog verder verbeteren. Ze zullen ook aspecten van machine learning toepassen om de efficiëntie van de signaalverwerking te verhogen.

David Maes is manager onderzoeksvalorisatie bij Micas.

Redactie Paul van Gerven

Abonneer direct op onze nieuwsbrief

abonneren

Mechatronics system design – Part 1

8 oktober - 12 oktober

Eindhoven

Advanced feedforward control

10 oktober - 12 oktober

Eindhoven

Course on modern optics for optical designers - Part 1

14 september - 8 februari

Eindhoven

Embedded Linux

17 september - 21 september

Eindhoven

System architect(ing)

24 september - 28 september

Eindhoven