Aalloista mikropiireiksi: Han Zhou kehittää energiatehokkaita ja tekoälyohjattuja radiotaajuuspiirejä tulevaisuuden langattomaan viestintään ja kvanttilaitteistoihin

Kaikki nykyaikaiset viestintäverkot nojaavat näkymättömään korkeataajuuksisen elektroniikan perustaan. Videokuvan suoratoisto, ajoneuvojen tutkat, lentokenttien matkatavaroita läpivalaisevat skannerit ja lääketieteen monimutkaiset kuvantamislaitteistot toimivat korkeataajuuksisten eli erittäin nopeasti värähtelevien sähkömagneettisten signaalien varassa. Siirryttäessä kohti tulevia 6G-standardeja laitteisto törmää kuitenkin suoraan fysiikan lakeihin: senttimetri- ja millimetriaaltojen taajuuksilla saavutetaan valtava tiedonsiirtokyky, mutta signaali vaimenee ilmassa jyrkästi ja hukkalämmön poistaminen muodostuu kriittiseksi ongelmaksi.  

Tampereen yliopiston nopeiden puolijohdepiirien apulaisprofessori Han Zhou tutkii työssään näiden fysikaalisten pullonkaulojen ratkaisemista. TIMES-tutkimusryhmänsä (Tampere Integrated Microelectronics and Systems) johtajana hän kehittää huipputehokkaita radiotaajuusintegroituja piirejä (RF-piirejä) sekä koneoppimista hyödyntäviä piirisuunnittelumenetelmiä. Zhoun tutkimuskirjo ulottuu langattomasta tietoliikenteestä aina äärimmäisen kylmissä oloissa toimivaan kryoelektroniikkaan, jota hyödynnetään kvanttitietokoneiden mittaus- ja lukuoperaatioissa. 

– Tämä sähkömagneettisten aaltojen ja arjen välinen näkymätön yhteys oli yksi syistä, joiden vuoksi kiinnostuin nopeista puolijohdepiireistä. Tällä tutkimusalalla minua kiehtovat erityisesti lähettimet ja radiotaajuiset etupään piirit, sillä ne muodostavat ratkaisevan rajapinnan digitaalisen datan ja sitä ilmassa eteenpäin kuljettavien sähkömagneettisten aaltojen välille.

Lähettimen tehopullonkaula 

Langattoman laitteiston toiminnan määrittää RF-etupää. Se koostuu komponenteista, joiden tehtävänä on muokata, suodattaa ja vahvistaa korkeataajuussignaalia ennen sen ohjaamista antennille. Signaaliketjun suurin yksittäinen energiasyöppö on tehovahvistin, joka antaa signaalille sen lopullisen sähköisen sysäyksen, jotta radioaalto kantaa avoimessa tilassa vastaanottimeen. 

Puutteellinen hyötysuhde näkyy välittömästi suorituskyvyssä ja lämmöntuotannossa: 

– Jos tehovahvistimen hyötysuhde on heikko, valtaosa syötetystä sähkötehosta muuttuu käyttökelpoisen radioenergian sijasta lämmöksi. Tämä kasvattaa sähkönkulutusta, vaikeuttaa laitteiden jäähdytystä ja syö kannettavien laitteiden akunkestoa.

Komponenttien suunnittelu onkin herkkää kompromissien hakemista. Suunnittelijan on sovitettava yhteen neljä keskenään ristiriitaista ominaisuutta: taajuuskaistan leveys (kuinka laajalla taajuusalueella tietoa voidaan siirtää), puhdas lähtöteho, energiatehokkuus sekä signaalin lineaarisuus. Lineaarisuudella mitataan sitä, kuinka puhtaasti ja vääristymättömänä vahvistin säilyttää signaalin alkuperäisen aaltomuodon tehon kasvaessa.  

– 6G-verkkojen ja tulevaisuuden viestintäjärjestelmien tavoitteena ei ole ainoastaan nopeampi tiedonsiirto. Uusien verkkojen on oltava toimintavarmoja, kestäviä ja arkikäyttöön soveltuvia. Jos kasvatamme datamääriä ja verkkoon kytkettyjen laitteiden määrää merkittävästi ilman, että taustalla oleva laitteisto muuttuu energiatehokkaammaksi, jyrkästi kasvava virrankulutus muodostuu vakavaksi pullonkaulaksi koko kehitykselle." 

Piirisuunnittelun logiikan mullistaminen tekoälyllä 

Radiotaajuuksilla piirin fyysinen asettelu ei enää toimi perinteisen virtapiirikaavion tavoin. Kun taajuus nousee ja aallonpituus kutistuu, komponenttien ja liitäntöjen geometrinen muoto alkaa hallita sähköistä käyttäytymistä. Pienimmätkin mikrosirun piipinnalla kulkevat metallijohtimet alkavat toimia siirtolinjoina, magneettikenttiä varastoivina induktansseina tai tahattomina pienoissantenneina. Tämä aiheuttaa loiskytkentöjä eli häiriöitä, joissa energiaa karkaa ei-toivotusti sirun osasta toiseen. 

– Korkeilla taajuuksilla lyhyistäkin metallijohtimista tulee aktiivisia piirielementtejä, jotka vaikuttavat laitteen toimintaan ratkaisevasti. Pieni muutos fyysisessä asettelussa voi heilauttaa impedanssisovitusta eli liitäntöjen sovitusta heijastusten ehkäisemiseksi, signaalihäviöitä, toimintataajuutta, lähtötehoa, hyötysuhdetta ja lineaarisuutta sekä useita muita suorituskykyarvoja. Suunnittelijan on siis hallittava paitsi yksittäisiä komponentteja myös niiden välisiä monimutkaisia sähkömagneettisia vuorovaikutuksia. Tämä synnyttää valtavan suunnitteluavaruuden, jonka manuaalinen läpikäynti on hidasta ja työlästä." 

Monimutkaisten muuttujien hallitsemiseksi Zhou valjastaa koneoppimisalgoritmit piirien synteesiin. Työkalut eivät korvaa ihmistä, vaan ne seulovat laskennallisesti läpi valtavia parametriyhdistelmiä ja löytävät uusia piirirakenteita, joiden keksiminen puhtaasti inhimillisellä intuitiolla olisi lähes mahdotonta. 

– Tekoälyllä on edellytykset mullistaa RF- ja millimetriaaltopiirien suunnittelu. Tavanomaisten suunnittelusääntöjen ja käsin tehtävän optimoinnin sijaan tekoäly pystyy oppimaan suoraan simulaatioaineistoista, tunnistamaan monimutkaisia syy-seuraussuhteita ja ohjaamaan tutkimusta kohti aiempaa huomattavasti laajempaa ratkaisuvalikoimaa." 

Tekoäly nähdäänkin laskennallisena työparina eikä itsenäisenä toimijana: 

– Tekoäly ei tee piirisuunnittelijoista tai fysiikan syvällisestä ymmärryksestä tarpeetonta. Ongelman määrittely ja reunaehdot ovat edelleen insinöörin vastuulla. Tekoäly toimii sen rinnalla tehokkaana apuvoimana."  

Yhteiset lainalaisuudet langattomasta viestinnästä kvanttimittauksiin 

Samojen mikroaaltoja ohjaavien fysiikan periaatteiden on havaittu soveltuvan suoraan myös täysin uudenlaisiin laskenta-alustoihin. Zhoun ryhmä soveltaakin piiriosaamistaan kvanttitietokoneiden kryogeenisiin mittaus- ja lukuoperaatioihin. 

Kvanttiprosessorit vaativat toimiakseen lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötilan. Tässä äärimmäisessä pakkasessa prosessorin heikot sähköiset signaalit on kyettävä havaitsemaan ja lukemaan ilman, että lukuelektroniikka tuottaa lämpökohinaa tai lämpöä, joka tuhoaisi herkästi rikkoutuvat kvanttitilat. 

– Vaikka langaton viestintä ja kvanttilaskenta vaikuttavat erillisiltä tieteenaloilta, niiden taustalla vaikuttavat tekniset perusperiaatteet ovat pitkälti samat. Molemmissa tapauksissa tehtävänä on tuottaa, siirtää, vahvistaa ja havaita korkeataajuisia signaaleja samalla, kun kohinaa, signaalin vaimenemista, häiriökytkentöjä ja tehonkulutusta pidetään tarkasti kurissa." 

Tarkastelemalla signaalin siirtoa ja lukemista yhtenäisenä ketjuna Zhoun tavoitteena on suunnitella integroituja puolijohdepiirejä, joilla raskaat, kookkaat ja erillisistä komponenteista kootut mikroaaltolaitteet korvataan kompakteilla mikrosiruilla. 

Käytännön osaajia pohjoismaiseen puolijohdekeskittymään 

Tampereen yliopistossa tutkimus kytkeytyy suoraan opetukseen. TIMES-ryhmän opiskelijat osallistuvat integroitujen piirien koko elinkaareen. He työskentelevät sekä perinteisen piipohjaisen CMOS-tekniikan että erikoisnopeiden III-V-yhdistepuolijohteiden parissa ja vievät tekoälyllä optimoidut kytkennät fyysisiksi mikrosiruiksi saakka. 

– Käytännön kokemus on mikroelektroniikassa korvaamattoman tärkeää. Piiriteoriaa voi omaksua luentosaleissa ja oppikirjoista, mutta toimivan integroidun piirin toteuttaminen vaatii monen eri osa-alueen tietojen ja taitojen yhteensovittamista. Kun opiskelijat lopulta pääsevät mittaamaan konkreettisesti sirua, jonka suunnittelussa he ovat olleet mukana, he näkevät selkeästi, miten teoriatieto muuttuu toimivaksi laitteeksi." 

Koulutusta tukevat Tampereen yliopiston korkeatasoiset mittauslaboratoriot sekä kytkös laajaan eurooppalaiseen siruohjelmaan (European Chips Joint Undertaking) ja sen laajan energia-aukon tehopuolijohteiden SiPFAB-pilottilinjaan. 

Uusille tutkijoille ja opiskelijoille suunta on selvä: tulevaisuuden laiteratkaisut syntyvät fysiikan ymmärryksen ja modernin laskentatehon liitosta. 

– Tulevien 6G-verkkojen todellinen haaste ei ole yksittäisen suorituskykyarvon virittäminen huippuunsa. Ratkaisevaa on kyetä yhdistämään samanaikaisesti suuri tiedonsiirtonopeus, laaja kaistanleveys, riittävä lähtöteho, erinomainen signaalinlaatu, energiatehokkuus, luotettavuus sekä järkevät valmistuskustannukset. Tämän vuoksi toimivien laitteiden kehittäminen vaatii saumatonta yhteistyötä piirisuunnittelun, viestintäjärjestelmien, antennitekniikan, puolijohdekomponenttien, mikropiirien koteloinnin, signaalinkäsittelyn ja tekoälyn asiantuntijoiden välillä.