德國科研團隊開發矽鍺晶片 單通道達 500 Gbps 世界採樣頻寬紀錄

德國科學家開發出一款新型矽鍺晶片，在軌跡與保持電路（track-and-hold circuit）中實現全球最高的綜合取樣率與頻寬，這是超高速訊號處理的關鍵組件。此進展有望改善通訊系統、人工智慧及雲端基礎設施的資料處理方式。該研究來自帕德博恩大學（Paderborn University）的海因茨·尼克斯多夫研究所（Heinz Nixdorf Institute），屬於 PACE 計劃的一部分。

研究人員表示，這款新晶片在軌跡與保持電路中達到了有史以來最高的取樣率與頻寬組合，該電路是將類比訊號轉換為數位資料的核心組件。簡單來說，這款晶片能捕捉極速變化的訊號，並轉換為數位形式以供處理。此功能在現代電子產品中至關重要，因為系統需即時處理海量資料。

更快的資料、更低的能耗

團隊報告指出，該系統在單通道中使用正交振幅調變（quadrature amplitude modulation）時，可處理超過 500 Gbit/s 的資料速率；在多通道配置下，資料速率可超過 100 Tbit/s，這對長距離通訊網路極具意義。新設計採用矽鍺技術，能實現更快的切換速度，同時降低能耗。此組合對下一代應用如 5G 及 6G 網路、自動駕駛車輛及高速感測器至關重要。

矽基類比數位轉換器（analog-to-digital converters）已能運作於極高速度，但同時提升頻寬與取樣率一直是技術挑戰。研究人員專注優化這兩項參數，以提升整體系統效能。「收發器可說是類比與數位之間的『大使』，它結合兩項功能：發送數位資料及接收外部資料，」參與計劃的研究助理 Maxim Weizel 解釋道。更高的頻寬能讓更多資料在更短時間內傳輸，直接影響伺服器、雲端系統及資料中心的效能，例如具更高頻寬的網卡可大幅提升系統效率。

團隊亦面對在如此高頻下測量效能的挑戰。即使微小誤差也會引入相位噪聲（phase noise）或訊號失真，令準確測試變得困難。「我們處理極高頻率，這反過來要求極高精度，」Weizel 表示。「即使是最小的誤差，也會造成破壞性反射或所謂的相位噪聲。」為解決此問題，研究人員依賴先進模擬及高效能運算資源來驗證設計。這款晶片的效能強勁到足以將現有測量系統推至極限。「尤其在人工智慧領域，高速度成為競爭優勢，」Weizel 補充，大型資料集及即時通訊需求更快處理。

此開發亦突顯先進半導體材料在推動運算極限上的角色。矽鍺結合矽的製造性與優異電子效能，使其成為下一代晶片的吸引選擇。隨著更快資料處理需求上升，此類混合材料可在擴展未來通訊及運算系統中扮演核心角色。該計劃涉及多機構合作，包括亞琛工業大學（RWTH Aachen University）、卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）及 DESY。

成果記錄於開放存取書籍《Electronic-Photonic Integrated Systems for Ultrafast Signal Processing》。