石墨烯是由碳原子組成的單層石墨——最早的石墨烯就是用膠帶一層一層地把石墨變薄而獲得的,是只有一個碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的導熱性、電導性、透光性,而且具有高強度、超輕薄、超大比表面積等特性,因而被譽為「超級材料」。
(原標題:國家為何如此重視石墨烯?)
石墨烯材料對5G通信的意義
相對於上述用途,在無線通信領域石墨烯晶片的大規模應用很有可能會先行一步。
目前主流的4G系統基站雖然已經採用了負責基帶處理的BBU+負責射頻的RRU通過光纖拉遠的架構,但由於機房站址資源日益稀缺和高成本,將BBU集中設置以節省機房的需求越來越強烈,同時也要求對基帶資源共享、集中調度等功能的實現。
由於基帶信號對帶寬和各項處理資源的消耗很大,現有晶片和背板處理速度根本無法實現更大規模的基帶資源集中調度和共享,同時在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰。
若採用石墨烯材料,不但晶片處理能力、數據交換速率能得到大幅提升,石墨烯良好的導熱、導電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低,進而實現處理能力達到上萬載頻的集中式基帶資源池。未來無線通信技術無疑以滿足高速數據業務為主,而傳統的宏蜂窩技術已經無法滿足應用,必然走向宏微結合的異構網絡架構,引入大量smellcell網元以滿足室內以及熱點場景的覆蓋和容量需求。
但隨著這些網元的引入,改變了原有宏站的網絡拓撲結構,產生大量新的幹擾場景,必須通過引入各種站間、宏微協同等技術予以消除。
比如採用協同多點傳送和接收技術,但會帶來各種協同算法加載後的大量複雜計算對資源的消耗,而基於石墨烯材料的基帶晶片大量應用,其強悍的運算能力將使這些原本需要海量運算能力的技術和算法具有可操作性。
5G通信的特性就是「萬物互聯」,具有熱點高容量、低功耗大連接、低時延高可靠等特點——在人口密集區為用戶提供1Gbps用戶體驗速率和10Gbps峰值速率;具備超千億網絡連接的支持能力,滿足100萬/km2連接數密度指標要求;在車聯網、工業控制等垂直行業的特殊應用需求,為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性保證。
因此,大規模天線陣列、超密集組網、新型多址技術和全頻譜接入等技術就成為5G無線技術的發展方向,而這些技術很有可能需要倚重石墨烯材料的廣泛應用。相信這也是任正非在數次講話中無比重視石墨烯技術,華為不遠千裡和曼切斯特大學合作開發石墨烯技術的原因。