Razendsnelle chips bouwen wifi van de toekomst

Bijna 130 zettabytes, zoveel data genereerde de wereld in 2023. Dat is 130 miljard terabyte, of een 13 met 22 nullen! Tegen 2027 zal dit waarschijnlijk weer verdubbelen, mede door het toenemende gebruik van toepassingen met artificiële intelligentie (AI), zoals ChatGPT. Het huidige internet kan zo’n enorme hoeveelheid data niet ondersteunen. Niet alleen zou je favoriete Netflix-serie steeds blijven haperen of je betaalapp niet meer werken, het mobiele netwerk zou op belangrijke momenten - zoals een natuurramp - vaker kunnen uitvallen.

De covid-pandemie en nieuwe AI toepassingen zoals ChatGPT zorgden voor een exponentiële stijging van het wereldwijde dataverbruik.

Om zulke vertragingen te verminderen, onderzocht ik manieren om veel hogere frequenties - tot boven 100 gigahertz - te gebruiken. Huidige wifi-signalen gebruiken bijvoorbeeld een frequentie van slechts enkele gigahertz. Zo’n signaal beweegt dus miljarden keren per seconde op en neer terwijl het door de lucht vliegt. Een frequentieverhoging kan een enorme snelheidsboost opleveren, om twee redenen.

Ten eerste maken veel toepassingen gebruik van de lagere frequenties, zoals wifi-signalen, waardoor de datasnelheid per toepassing beperkt is. Je kunt deze frequenties vergelijken met de Brusselse ring tijdens de spits: door de vele auto’s zit je vaak in de file en neemt je snelheid enorm af. Stel je daarentegen je persoonlijke snelweg voor waar je ongestoord aan je maximale snelheid kunt rijden zonder andere auto’s. Dit is het geval op zeer hoge frequenties boven 100 gigahertz, aangezien weinig toepassingen deze gebruiken.

Op de toekomstige internetsnelweg met hoogfrequente signalen is minder verkeer én kan je met een Formule 1-wagen rijden in plaats van met een Fiat Panda.

Ten tweede heeft een laagfrequent wifi-signaal, zelfs zonder andere storende gebruikers, een beperkte datasnelheid. Je kunt zo’n signaal vergelijken met een Fiat Panda: een betrouwbare auto met een relatief lage topsnelheid. Zelfs buiten de spits zal de Fiat Panda nooit 300 km/u op de snelweg halen. Een hoogfrequent signaal gedraagt zich daarentegen als een Formule 1-wagen die aan een enorme snelheid kan rijden, mits het op een vrije weg is. Een hogere frequentie vergroot namelijk de maximale bandbreedte van het signaal, wat toelaat om sneller data door te sturen.

Goedkoop zand

Hoogfrequente signalen zijn dus niet alleen veel sneller, maar kunnen zich ook meer ongestoord voortbewegen dan laagfrequente signalen. We missen echter nog een belangrijk stuk van de puzzel: computerchips. Het is immers je modem, of meer specifiek, de computerchips in je modem die de wifi-signalen genereren. Deze chips zetten je data (bestaande uit talloze 1’en en 0’en, of bits) om in een wifi-signaal dat je modem uitstuurt. Omgekeerd kunnen deze chips ook inkomende signalen weer omzetten naar bruikbare data.

Veruit de meest succesvolle chiptechnologie is gebaseerd op silicium, beter bekend als zand. Hoewel siliciumchips zeer goedkoop en efficiënt zijn, hebben ze moeite met het genereren van hoogfrequente signalen, vooral boven 100 gigahertz. Andere chiptechnologieën kunnen deze signalen wel produceren, maar die gebruiken zeldzame materialen, wat de chips een pak duurder maakt, en hun productieprocessen zijn beduidend minder betrouwbaar.

Om supersnel internet betrouwbaar én betaalbaar te maken, moeten de nodige chips in de goedkoopste technologie worden geproduceerd. Het doel is om een Formule 1-auto te bouwen met de betrouwbaarheid en het prijskaartje van een Fiat Panda. Hiervoor zijn gespecialiseerde computerchips nodig.

Een toekomst boven 100 gigahertz

Ik bedacht een innovatieve manier om data razendsnel op een hoogfrequente golf te zetten. Traditioneel gebeurt dit op een analoge manier, met storende signaalvervorming als gevolg. Ik koos voor een digitale aanpak. Hiervoor ontwikkelde ik een verzenderchip op maat met een vernieuwde schakeling die deze techniek snel en zonder signaalvervorming kan uitvoeren.

Daarnaast werkte ik een verbeterde methode uit om de data in de ontvanger weer van de golf te halen. Door de digitale eigenschappen van het verzonden signaal optimaal te benutten, kon ik de data meer doelgericht detecteren. Mijn ontworpen chip werkt daardoor sneller en vooral efficiënter dan bestaande ontvangers.

Tot slot optimaliseerde ik de vorm van de antenne. Twee millimetergrote vleugels spreiden zich geleidelijk uit om een grotere bandbreedte te ondersteunen en een krachtige elektromagnetische golf op te wekken of te ontvangen. Deze antenne maakt het mogelijk om de ultrasnelle signalen draadloos van de verzender naar de ontvanger te sturen.

Mijn zelfgemaakte verzenderchip (1,5 mm x 1,5 mm) met antenne verstuurt honderdmaal sneller op 135 gigahertz dan de huidige wifi-netwerken.

Met de ontwikkelde computerchips en antennes bouwde ik een dataverbinding op 135 gigahertz die een datasnelheid van meer dan 30 gigabit per seconde ondersteunt. Dat is maar liefst 100 keer sneller dan het huidige wifi-netwerk en snel genoeg om een lange Netflix-film in hoge kwaliteit in slechts een paar seconden te downloaden!

Hoewel er nog werk aan de winkel is om dit soort chips in je smartphone of wifi-modem te krijgen, zijn de eerste stappen naar de toekomstige internetsnelweg succesvol gezet.

Maak je dus niet te veel zorgen over je haperende Netflix-serie: de volgende generatie internet is in aantocht!

Carl D’heer dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2024. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.