Chip War: The Fight for the World's Most Critical Technology - Chris Miller

Глава 47. Будущее 5

G

Когда Рен Чжэнфэй начал импортировать телефонные коммутаторы из Гонконга, сетевое оборудование не позволяло не только соединять один телефон с другим. На заре развития телефонной связи коммутация осуществлялась вручную: ряды женщин, сидящих перед стеной штекеров, соединяли их в различных комбинациях в зависимости от того, кто звонил. К 1980-м годам на смену людям пришли электронные переключатели, в основе которых часто лежат полупроводниковые приборы. Но даже тогда для управления телефонными линиями одного здания требовалось коммутационное оборудование размером со шкаф. Сегодня телекоммуникационные провайдеры как никогда полагаются на кремний, но для обработки звонков, текстов и видео, которые теперь часто передаются по радиосетям, а не по стационарным телефонам, достаточно и шкафа.

Компания Huawei освоила новейшее поколение оборудования для передачи звонков и данных по сотовым сетям, получившее название 5G. Однако 5G - это не столько телефоны, сколько будущее вычислительной техники, а значит, и полупроводников. Буква "G" в слове 5G означает поколение. Мы уже пережили четыре поколения стандартов мобильных сетей, каждое из которых требовало нового оборудования в телефонах и на сотовых вышках. Подобно тому, как закон Мура позволяет нам устанавливать все больше транзисторов в микросхемы, постоянно увеличивается количество 1 и 0, передаваемых по радиоволнам на мобильные телефоны и обратно. Телефоны 2G могли отправлять текстовые сообщения с картинками, телефоны 3G открывали веб-сайты, а 4G позволил передавать потоковое видео практически из любого места. 5G обеспечит аналогичный скачок вперед.

Сегодня большинство людей воспринимают свой смартфон как нечто само собой разумеющееся, но только благодаря все более мощным полупроводникам мы уже не восхищаемся текстами с картинками, а расстраиваемся из-за секундных задержек при передаче видеопотока. Модемные микросхемы, управляющие связью телефона с сотовыми сетями, позволяют передавать гораздо больше 1 и 0 в радиоволнах, проходящих через антенну телефона.

Сопоставимые изменения произошли и в микросхемах, скрытых внутри сотовой сети и на вышках сотовой связи. Передача 1 и 0 по воздуху с минимизацией обрывов связи или задержек при передаче видеопотока - задача неимоверно сложная. Количество свободного места в соответствующей части радиоволнового спектра ограничено. Существует только большое количество радиочастот, многие из которых не подходят для передачи большого количества данных или передачи на большие расстояния. Поэтому телекоммуникационные компании делают ставку на полупроводники, чтобы вместить все больше данных в существующее пространство спектра. "Спектр гораздо дороже кремния, - объясняет Дэйв Робертсон, эксперт по микросхемам компании Analog Devices, специализирующейся на полупроводниках для управления радиопередачей. Поэтому полупроводники стали основой возможности передавать больше данных по беспроводной связи. Разработчики микросхем, такие как Qualcomm, нашли новые способы оптимизации передачи данных через радиочастотный спектр, а производители микросхем, такие как Analog Devices, создали полупроводники, называемые радиочастотными приемопередатчиками, которые могут отправлять и принимать радиоволны с большей точностью, потребляя при этом меньше энергии.

Следующее поколение сетевых технологий, 5G, сделает возможной беспроводную передачу еще большего объема данных. Отчасти это произойдет благодаря еще более сложным методам разделения спектрального пространства, которые требуют более сложных алгоритмов и больших вычислительных мощностей на телефонах и вышках сотовой связи, чтобы 1 и 0 можно было разместить даже в самом крошечном свободном пространстве беспроводного спектра. Отчасти сети 5G будут передавать больше данных за счет использования нового, пустого радиочастотного спектра, заполнение которого ранее считалось нецелесообразным. Усовершенствованные полупроводники позволяют не только упаковывать больше единиц и нулей в заданную частоту радиоволн, но и посылать радиоволны на большие расстояния и направлять их с беспрецедентной точностью. Сети сотовой связи определяют местоположение телефона и направляют радиоволны непосредственно на него, используя метод, называемый beamforming. Обычная радиоволна, например, та, что передает музыку на автомобильное радио, посылает сигналы во все стороны, поскольку не знает, где находится ваш автомобиль. При этом тратится энергия, создаются дополнительные волны и помехи. При использовании технологии beamforming сотовая вышка определяет местоположение устройства и посылает необходимый сигнал только в этом направлении. Результат: меньше помех и более сильный сигнал для всех.

Более быстрые сети, способные передавать больше данных, не просто позволят существующим телефонам работать быстрее - они изменят наше представление о мобильных вычислениях. В эпоху сетей 1G сотовые телефоны были слишком дорогими для большинства людей. С появлением сетей 2G мы стали считать, что телефоны могут передавать не только голосовые, но и текстовые сообщения. Сегодня мы ожидаем, что телефоны и планшеты будут обладать практически всеми возможностями ПК. По мере того как становится возможным передавать еще больше данных по сотовым сетям, мы будем подключать к ним все больше устройств. Чем больше будет устройств, тем больше данных они будут производить, а для их обработки потребуется все больше вычислительной мощности.

Обещание подключить к сетям сотовой связи гораздо больше устройств и собирать с них данные, возможно, не кажется революционным. Возможно, вы не думаете, что сеть 5G может сварить лучший кофе, но пройдет совсем немного времени, и ваша кофеварка будет собирать и обрабатывать данные о температуре и качестве каждой приготовленной ею чашки. В бизнесе и промышленности существует бесчисленное множество способов, с помощью которых больше данных и больше возможностей подключения позволят повысить качество обслуживания и снизить затраты: от оптимизации движения тракторов по полям до координации роботов на сборочных линиях. Медицинские приборы и датчики будут отслеживать и диагностировать больше заболеваний. В мире существует гораздо больше сенсорной информации, чем наши нынешние возможности по ее оцифровке, передаче и обработке.

Нет лучшего примера, чем Tesla, автомобильная компания Элона Маска, демонстрирующего, как возможности подключения и вычислительные мощности превратят старые продукты в оцифрованные машины. Культ Tesla и стремительно растущая цена акций привлекли к себе много внимания, но менее заметно, что Tesla является также ведущим разработчиком микросхем. Компания наняла таких звездных полупроводниковых дизайнеров, как Джим Келлер, для создания специализированного чипа для автоматизированного вождения, который изготавливается с использованием передовых технологий. Еще в 2014 году некоторые аналитики отмечали, что автомобили Tesla " напоминают смартфон". Компанию часто сравнивают с Apple, которая также разрабатывает собственные полупроводники. Как и в случае с продукцией Apple, тонкая настройка пользовательского интерфейса Tesla и кажущаяся легкость интеграции передовых вычислений в продукт XX века - автомобиль - возможны только благодаря использованию микросхем, разработанных на заказ. В автомобилях простые микросхемы используются с 1970-х годов. Однако распространение электромобилей, требующих специализированных полупроводников для управления электропитанием, а также рост спроса на функции автономного управления предвещают значительное увеличение количества и стоимости микросхем в типичном автомобиле.

Автомобили - лишь самый яркий пример того, как возможность отправлять и получать больше данных приведет