Thế giới đã phát triển mạnh mẽ trong suốt hai thập kỷ vừa qua nhờ sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ không dây. Khởi đầu từ sự ra đời của 2G với khả năng nghe gọi, nhắn tin đến công nghệ 3G và 4G đã giúp mở rộng kết nối Internet di động. Và cho đến công nghệ 5G đang tái định nghĩa mọi khía cạnh của cuộc sống kỹ thuật số nhờ sự phát triển vượt bậc. Tuy nhiên, trong khi 5G vẫn đang được triển khai trên toàn cầu thì giới công nghệ đã bắt đầu hướng đến tương lai 6G trên toàn thế giới. Để có thể tiến tới kỷ nguyên công nghệ 6G với tốc độ vượt trội, độ trễ cực thấp và khả năng kết nối hàng tỷ thiết bị trong cùng một thời điểm thì các nền tảng phần cứng như modem, RF (tần số vô tuyến) và ăng-ten cũng phải phát triển đồng thời. Bài viết này phân tích vai trò, thách thức và xu hướng phát triển của các thành phần phần cứng trong quá trình phát triển từ 5G sang 6G.

Modem 5G và bước chuyển mình sang công nghệ 6G

Ngày nay, thiết bị modem được xem là bộ não của mọi thiết bị di động có kết nối mạng. Đối với công nghệ 5G thì modem không chỉ xử lý tín hiệu dữ liệu mà còn tích hợp các công nghệ như chuyển mạch tần số, giao thức mạng, mã hóa, bảo mật và tối ưu hiệu suất năng lượng. Một trong những đặc điểm nổi bật của modem 5G hiện nay là hỗ trợ đa băng tần từ sub-6 GHz đến mmWave. Điều này nhằm cho phép thiết bị hoạt động linh hoạt trên nhiều vùng phủ sóng và các điều kiện mạng khác nhau. Bên cạnh đó, modem trong công nghệ 5G hiện nay cũng phải tương thích ngược với các công nghệ từ 2G đến 4G để đảm bảo kết nối liền mạch. Trong quá trình chuyển đổi sang 6G, modem sẽ cần xử lý tốc độ lên đến hàng chục Gbps, tích hợp khả năng trí tuệ nhân tạo để tối ưu giao tiếp mạng theo thời gian thực và đồng thời tiêu thụ ít điện năng hơn. Chính vì vậy, điều này sẽ đặt ra các yêu cầu phát triển các chip xử lý có kích thước nhỏ hơn, mạnh hơn và hiệu quả sử dụng năng lượng hơn.

Tần số vô tuyến (Radio Frequency - RF)

Tần số vô tuyến RF được xem là trái tim của mọi hệ thống truyền thông không dây. Trong công nghệ 5G thì các hệ thống RF được thiết kế nhằm hoạt động hiệu quả trên các băng tần cao hơn, đặc biệt là mmWave. Một số các thành phần RF trong điện thoại và trạm phát 5G bao gồm: bộ khuếch đại công suất, bộ lọc, công tắc RF và bộ điều chế pha. Tuy nhiên, việc tích hợp các thành phần này vào trong mô-đun không chỉ thu gọn không gian mà vẫn duy trì hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng được xem là một thách thức lớn.  Khi bước sang 6G thì công nghệ RF sẽ phải xử lý các tần số lên đến hàng trăm GHz hay thậm chí là THz, điều này sẽ vượt xa những gì đang được sử dụng hiện nay. Do đó, nó đòi hỏi phần vật liệu mới, kiến trúc mạch phải hoàn toàn khác biệt và công nghệ đóng gói vi mô cũng cần phải hiện đại 

Ăng-ten

Ăng-ten là thành phần dùng để thu và phát sóng, việc này tưởng chừng đơn giản nhưng lại là yếu tố then chốt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng kết nối không dây. Trong công nghệ 5G thì việc thiết kế ăng-ten đã có những bước tiến lớn nhờ vào công nghệ MIMO (Multiple Input Multiple Output) nhằm tăng cường băng thông và độ ổn định tín hiệu bằng cách sử dụng nhiều luồng dữ liệu song song. Cùng với đó, công nghệ beamforming là một kỹ thuật định hướng chùm sóng thông minh cũng đã được ứng dụng để tập trung tín hiệu tới người dùng nhằm giảm nhiễu và nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần. Đối với công nghệ 6G thì ăng-ten sẽ cần hỗ trợ băng thông rộng nhiều hơn, đồng thời tích hợp nhiều chức năng hơn như định vị chính xác, cảm biến môi trường và tương tác với các thiết bị IoT. Ngày nay, các kỹ sư đang nghiên cứu một số loại mới ăng-ten tái cấu trúc, ăng-ten metasurface, hoặc ăng-ten thông minh ứng dụng AI để thích nghi theo điều kiện mạng và môi trường thực tế.

Các thách thức trong việc phát triển công nghệ 6G

Hiện nay, việc phát triển phần cứng cho 6G không đơn thuần chỉ là mở rộng cho công nghệ 5G. Đối với tần số THz, các quy luật vật lý cũ sẽ không còn được áp dụng một cách hiệu quả do sóng dễ bị hấp thụ bởi điều kiện môi trường xung quanh. Vì vậy, các kỹ sư phần cứng sẽ cần phải phát minh ra những vật liệu mới dẫn sóng tốt hơn hoặc tạo ra các kiến trúc đa tầng để tăng độ bền và khả năng xuyên qua vật cản. Bên cạnh đó, vấn đề tiêu thụ năng lượng đang là một rào cản lớn. Nguyên nhân đến từ việc hàng tỷ thiết bị sẽ kết nối 6G trong tương lai, nếu mỗi thiết bị đều tiêu thụ nhiều năng lượng như hiện tại thì hệ thống sẽ không thể vận hành hiệu quả. Vì thế, việc thiết kế phần cứng siêu tiết kiệm năng lượng từ modem, RF đến ăng-ten là một ưu tiên hàng đầu. Một thách thức khác đến từ tính khả thi về kinh tế do việc sản xuất phần cứng hỗ trợ tần số cao với giá thành hợp lý sẽ đòi hỏi các nhà sản xuất phải tối ưu quy trình chế tạo, tăng cường tính tích hợp và phát triển các tiêu chuẩn công nghiệp đồng bộ.

Xu hướng tích hợp giữa các thiết bị phần cứng

Ngày nay, một xu hướng không thể bỏ qua là sự tích hợp ngày càng lớn giữa các thành phần phần cứng. Trong đó, các mô-đun RF front-end đang được tích hợp trực tiếp vào hệ thống nhằm giúp giảm độ trễ, tiết kiệm diện tích bo mạch và tiêu thụ ít điện hơn. Song song đó, công nghệ đóng gói 3D và hệ thống trên gói cũng đang được triển khai để tích hợp thêm nhiều chức năng hơn trong một không gian nhỏ hơn. Do đó, điều này đặc biệt quan trọng với các thiết bị đeo, thiết bị IoT và thiết bị gắn trong môi trường công nghiệp.

Kết luận

Nhìn chung, modem 5G, RF và ăng-ten không chỉ được xem là ba trụ cột công nghệ trong hiện tại mà còn là đang đặt nền móng cho sự phát triển của mạng 6G trong tương lai. Trong cuộc đua công nghệ toàn cầu thì bất kỳ quốc gia nào cũng sẽ muốn làm chủ được những nền tảng phần cứng này để chiếm ưu thế lớn trong xây dựng hạ tầng số thế hệ mới. Đến thời điểm hiện tại, Việt Nam cũng cần nhận diện sớm được cơ hội này, đầu tư vào nghiên cứu, phát triển phần cứng viễn thông đồng thời thúc đẩy hợp tác quốc tế để không chỉ là người tiêu dùng 6G mà còn trở thành người sáng tạo ra công nghệ 6G.