الحوسبة
رؤى جديدة في الفونونيكس قد تعيد تعريف أجهزة الاتصالات من الجيل التالي
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
مع انتشار الإنترنت بأجنحته في جميع أنحاء العالم، قد يشعر البعض أن أيام ازدهار الاتصالات قد انتهت. قد يعتقد البعض أيضًا أنه لا يوجد ما يمكن تحقيقه أكثر في مجال أجهزة الاتصالات والحلول والخدمات.
من الصحيح أنه إذا حكمنا على الصناعة فقط بناءً على نسبة النمو المقدرة، فإنها قد تبدو ضئيلة. لكن ذلك فقط لأن حجم السوق الأساسي، الذي نحسب منه النمو، مرتفع بشكل هائل. وفقًا للتوقعات، سينمو سوق خدمات الاتصالات العالمي من US$1.5 trillion to US$1.6 trillion بين عامي 2024 و2028.
يمكن تحقيق النمو في سوق متعدد التريليونات دولار فقط من خلال الابتكارات الثورية المتواصلة في هذا المجال. أحد هذه الحلول يستخدم الفونونيكس لإنشاء أجهزة اتصالات أصغر وأكثر قوة. أدناه نناقش هذا الابتكار، الذي جاء من الباحثين في جامعة أريزونا، كلية واينت للعلوم البصرية، ومختبرات سانديا الوطنية.
الثورة التالية في الاتصالات اللاسلكية باستخدام الفونونيكس
قبل أن نناقش الابتكار وتفاصيله بالتفصيل، دعونا نحاول فهم الفونونيكس. يعرّف المجتمع العلمي الفونونيكس بأنه scientific community defines phononics as “مجال ناشئ يسعى لتوضيح طبيعة الحركة الميكانيكية الجوهرية في كل من المواد التقليدية والمصممة اصطناعيًا واستخدام هذه المعرفة لتوسيع حدود الاستجابة الفيزيائية إما على مستوى المادة أو على مستوى الهيكل/الجهاز أو كليهما.”
بينما قد يبدو التعريف العلمي الأساسي صعب الفهم، فإن التشبيه بالفوتونيات سيجعل الأمر أبسط. تستغل الفوتونيات الفوتونات لتطوير تكنولوجيا البصريات. وبنفس الطريقة، يستغل الفونونيكس الفونونات، وهي جسيمات فيزيائية تنقل الاهتزازات الميكانيكية عبر المادة بتردد عالٍ يكاد يكون غير مسموع.
في البحث الذي نناقشه، تمكن العلماء من دمج مواد شبه موصلية متخصصة للغاية ومواد بيزوكهربائية لإنتاج تفاعلات غير خطية هائلة بين الفونونات. بعد ذلك، استخدموا مضخمات للفونونات—مصنوعة من نفس المادة—لإنشاء أجهزة لاسلكية أكثر كفاءة وقوة وصغرًا، بما في ذلك الهواتف الذكية وأجهزة إرسال البيانات.
وفقًا للمؤلف الرئيسي للدراسة، مات إيتشنفيلد، الذي يشغل منصبًا مشتركًا في كلية أريزونا للعلوم البصرية ومختبرات سانديا الوطنية في ألبوكيركي، نيو مكسيكو:
“من المحتمل أن يتفاجأ معظم الناس عندما يسمعون أن هناك ما يقرب من 30 مرشحًا داخل هواتفهم المحمولة، وظيفتهم الوحيدة هي تحويل الموجات الراديوية إلى موجات صوتية والعكس.”
الآن، مع استخدام مواد الفونونيكس الأصغر بكثير، يمكن تقليل الحاجة إلى هذه المرشحات العديدة، حيث يمكن لحزمة واحدة من الفونونات تغيير تردد حزمة أخرى.
يتماشى هذا الإنجاز مع رؤية الباحثين لإنتاج جميع المكونات اللازمة لمعالجة إشارات التردد الراديوي من تقنيات الموجات الصوتية بدلاً من الإلكترونيات القائمة على الترانزستورات. النتيجة ستكون كل شيء مدمجًا في شريحة واحدة، متوافقًا مع طريقة تصنيع المعالجات الدقيقة are manufactured.
مُوضحًا أكثر عن الأثر الذي قد تُحدثه ابتكاراتهم، قال إيتشنفيلد:
“الآن، يمكنك الإشارة إلى كل مكون في مخطط معالج الواجهة الأمامية للتردد الراديوي والقول، ‘نعم، يمكنني صنع كل هذه المكونات على شريحة واحدة باستخدام الموجات الصوتية. نحن جاهزون للانتقال إلى صنع كل شيء في المجال الصوتي’.”
إن الحصول على شريحة واحدة وتضمين كل شيء فيها قد يقلص أجهزة الاتصالات والأدوات بمقدار 100 مرة، حسب تقدير إيتشنفيلد.
أُجري بحث مشابه العام الماضي من قبل فريق من الباحثين في جامعة ميتشغان، حيث صمموا نوعًا جديدًا من الترانزستورات القابلة لإعادة التكوين باستخدام شبه موصل فَرُويكْتريكي بسُمك نانومتري.
الترانزستور عالي حركة الإلكترونات الفَرُويكْتريكي (FeHEMT) لتقليص أجهزة الاتصالات على الهواتف الذكية
الخاصية الأساسية للـ FeHEMT التي تجعله أفضل من الـ HEMTs هي قدرته على الحفاظ على استقطاب كهربائي، مشابه للنسخة الكهربائية للمغناطيسية. بإضافة مرونة سلوكية للترانزستور، يمكن لهذه الأنصاف موصلات التبديل بين الطرفين الموجب والسالب.
نظرًا لأن الـ FeHEMT قابل لإعادة التكوين، يمكنه أن يعمل كعدة أجهزة. يمكن لمضخم واحد أن يؤدي وظيفة عدة مضخمات، كل منها جاهز للتحكم الديناميكي. تسمح هذه الخاصية للباحثين بتقليل مساحة دائرة الجهاز وخفض التكلفة واستهلاك الطاقة.
التحول من FeHEMT إلى HEMT شمل استكشافات علمية متعمقة والعديد من التجارب والاختبارات. تم صنع شبه الموصل من نيتريد الألمنيوم المدعم بالسكنديم. أصبح أول شبه موصل فَرُويكْتريكي قائم على النيتريد، مما مكنه من الاندماج بسلاسة مع شبه الموصل الجيل التالي، نيتريد الغاليوم. يمكن للمخرجات تحقيق سرعات تصل إلى 100 مرة أسرع من السيليكون. لم يكن سريعًا فحسب، بل كان أيضًا عالي الكفاءة ومنخفض التكلفة.
قال Ping Wang، عالم أبحاث في الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب وأحد المؤلفين المشارك للبحث:
“بإضافة الفَرُويكْتريكية إلى الـ HEMT، يمكننا جعل التبديل أكثر حدة. هذا يمكن أن يتيح استهلاك طاقة أقل بالإضافة إلى كسب عالي، مما ينتج عنه أجهزة أكثر كفاءة بكثير.”
في مثال آخر لبناء أجهزة اتصالات دقيقة ذات إمكانات تحويلية، تمكن فريق من باحثي الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب في جامعة ميتشغان من بناء أول جهاز إرسال وهوائي بمقاس مليمتر يمكنه ‘التحدث عبر Bluetooth Low Energy بسهولة.‘
انقر هنا لتعرف كيف يمكن للخلايا الكهروضوئية الميكرو مترية أن تمهد الطريق لتصغير الأجهزة.
بناء أول جهاز إرسال وهوائي بمقاس مليمتر
قاد البروفيسور ديفيد وينتسلوف الفريق والبحث للوصول أخيرًا إلى أول جهاز بمقاس مليمتر يمكنه التواصل بدقة مع Bluetooth Low Energy. استهلك جهاز الإرسال والهوائي فقط 606 ميكروواط، أي 0.6 مليواط معًا، أثناء الإرسال. تمكن النظام من تحقيق هذا الحجم من خلال جعل المضخم غير ضروري أو زائداً عن الحاجة عبر إنشاء تركيبة فريدة من المذبذب والهوائي.
أثناء شرح إمكانات الاختراع، قال البروفيسور وينتسلوف:
“أنا متحمس لاتجاهات البحث المستقبلية التي سيفتحها إزالة حاجز الاتصال اللاسلكي!”
سيفتح هذا الإنجاز آفاقًا جديدة في مجال إنترنت الأشياء ويعزز بشكل كبير قدرته على الاعتماد.
كان الاختراع أيضًا حاسمًا لابتكار الجامعة الرائد، Michigan Micro Mote (M3)، أول كمبيوتر بمقاس مليمتر في العالم. مع دمج هذا الجهاز الإرسال في M3، سيصبح التواصل مع هاتف ذكي عادي أكثر كفاءة.
عند شرح قابلية استخدامه، قال وينتسلوف:
“يضيف هذا الراديو أول اتصال متوافق مع المعايير إلى مجموعة M3. هذا يمكننا من نشر أجهزة M3 بسرعة أكبر وتوصيل البيانات المستشعرة إلى السحابة بسهولة أكبر عبر الاتصال مباشرةً بهاتف ذكي.”
سوف تُحدث مثل هذه الأبحاث الرائعة ثورة في معايير الاتصالات للجيل القادم. تستثمر الشركات العالمية الأبحاث والموارد لجعل أجهزة الاتصالات جاهزة للمستقبل. يمكن لهذه الشركات أن تستفيد بشكل كبير من هذه الدراسات والتجارب. في الفقرات أدناه، نناقش بعض هذه الشركات.
#1. Nokia
تقدم نوكيا مجموعة واسعة من أجهزة الاتصالات. عندما يتعلق الأمر بتحسين استغلال المساحة بشكل متميز، فإن مجموعة منتجات واحدة تبرز وهي AirScale Small Cells.
تمتلك نوكيا أوسع مجموعة من خلايا صغيرة في الصناعة، مع راديوهات مُحسّنة لدعم مشغلي الشبكات المحمولة والمؤسسات في جميع سيناريوهات النشر. تُعرف أيضًا باسم راديوهات AirScale Shikra، وتتوفر على شكل راديوهات موجة مليمترية وراديوهات بيكو للحلول الداخلية.
راديوهات Shikra صغيرة وسهلة النشر سواءً كجهاز مستقل أو مرتبط، مع وحدات القاعدة المُحسّنة للخلايا الصغيرة التي تساعد على تسريع نشر الشبكة. بفضل طبيعتها المدمجة، فإن راديوهات mmWave جاهزة للنشر في مجموعة متنوعة من المواقع، بما في ذلك المناطق الحضرية الكثيفة، ومناطق التسوق، والساحات الرياضية، وغيرها من الأماكن العامة الكبيرة حيث السعة القصوى متطلب أساسي.
راديوهات Pico هي حل داخلي يلبي مجموعة من حالات الاستخدام المؤسسية، يدعم تقنيات وصول راديو متعددة وتكوينات شبكة مرنة. تمتلك نوكيا أيضًا حلول خلايا صغيرة شاملة لا تحتاج إلى وحدة قاعدة منفصلة وتتيح تثبيتًا بسيطًا بنظام التوصيل والتشغيل ومرونة النشر لكل من الأماكن الداخلية والخارجية.
في السنة المالية 2023، Nokia reported an annual revenue of EUR 22.258 billion, a considerable decline from the previous fiscal year’s EUR 24.91 billion. Operating profit also witnessed a decline to EUR 2.375 billion from EUR 3.109 billion between FY 23 and FY 22.
#2. Motorola Solutions
كانت موتورولا رائدة في تقديم أجهزة اتصالات مستقبلية ومتطورة ومتقدمة إلى العالم. أحد الأجهزة التي قد تستفيد بشكل خاص من هذا البحث وتدفع الحدود أبعد هو جهاز التواصل القابل للارتداء TLK 25 من موتورولا. يزن فقط 73 جرامًا ويقاس بـ 3.2X1.9X0.7.
في جوهره، يُعد TLK 25 جهازًا قابلًا للارتداء من نوع WAVE PTX يتجاوز قدرات الضغط للتحدث في جهاز اللاسلكي. هذه الأجهزة مدمجة، متينة، ومزودة بمساعد صوتي بديهي. يحتوي الجهاز على اتصال Wi‑Fi ويستخدم أيضًا شبكة LTE الوطنية عندما لا يتوفر Wi‑Fi. يتيح المساعد الصوتي البديهي وصولًا بدون استخدام اليدين إلى الاتصالات وإعدادات الجهاز وميزات الأمان والحالات والإشعارات والتنبيهات.
تستفيد مجموعة منتجات TLK 25 من موتورولا من صغر حجمها وقصر ميزاتها. ستستفيد هذه الأجهزة بشكل كبير من الأبحاث وحلول الإرسال التي تجعلها أكثر أناقة وكفاءة.
MSI مخطط السعر
في الربع الرابع من عام 2023، Motorola Solutions reported (MSI ) net sales of US$2.85 billion, while the full-year revenue for 2023 was almost US$10 billion. Operating earnings for the year 2023 increased to US$2.784 billion from US$2.368 billion in 2022.
دور أجهزة الاتصالات في عالمنا الحديث
سيكون من الصعب على الحضارة البشرية البقاء دون وسائلها وأدواتها للاتصال الفعال التي تعمل بشكل صحيح. سيتعين على أجهزة الاتصالات للجيل القادم تطوير العديد من الخصائص لتكون أكثر جاهزية للتبني في المستقبل.
هذه الأجهزة، على سبيل المثال، يجب أن تكون جاهزة لتحمل أقسى الظروف. يجب أن تكون كافية من حيث الكفاءة لاستيعاب كل الابتكارات التي تم تحقيقها حتى الآن في هذا المجال، خاصةً في معالجة الصوت والفيديو وتدفقات البيانات في آن واحد.
أثناء تقديم جميع هذه الخدمات، يجب ألا تضع هذه الأجهزة سلامتها على المحك. مع أنظمة أمان متطورة تستفيد من تحليلات الذكاء الاصطناعي المبنية بمسؤولية، لم يعد هذا تحديًا.
مع ذلك، يجب ألا تؤدي كل هذه الخصائص والميزات إلى شيء يشغل مساحة كبيرة، أو يسخن بسرعة، أو يكون مكلفًا في التصنيع.
ستتطور أجهزة الاتصالات من الجيل التالي مع مراعاة هذه الجوانب. ظهرت بالفعل نماذج تكنولوجية جديدة قد تسرّع هذه التطورات. على سبيل المثال، هناك حديث واسع حول تقنيات مثل الاتصال بالضوء المرئي (VLC)/Li‑Fi، حيث يتم نقل البيانات عبر الضوء بدلاً من الموجات الراديوية بسرعات عالية من خلال تعديلات صغيرة في الشدة.
توفر هذه الحلول سرعات عالية جدًا، متجاوزة قدرات النطاق الترددي للاتصالات التقليدية. وبما أنها تتجاوز الوضع التقليدي، يمكن تحقيق معايير محسنة للأمان والموثوقية. يعتقد الباحثون أن مثل هذه الحلول ستكون مثالية للاستخدام العسكري.
بعيدًا عن أجهزة نقل البيانات، تم تحقيق تقدم كبير في مجال تقنيات المستشعرات. ستساعد هذه التقنيات في تحديث بنية إنترنت الأشياء والبنية التحتية الداعمة للأتمتة الحالية.
وفقًا للبيانات التي قدمتها شركة data presented by ASSIA Inc.، فإن الزيادة في حركة تحميل البيانات من الحواسيب والهواتف منذ بداية مارس 2024 قد تصل إلى 80٪ في الولايات المتحدة فقط. أصبح العالم أكثر افتراضية مما كان عليه قبل جائحة كوفيد‑19. تعمل الكاميرات الويب وأجهزة الحاسوب واللابتوبات على بث الفيديو طوال الوقت. أصبحت تقديم الخدمات الصحية والتعليمية وغيرها من الخدمات الطارئة أكثر افتراضية. سيتطلب التعامل مع هذه الحالات أجهزة أكثر تحسينًا للمساحة وكفاءة. كما يجب أن تكون جاهزة لتقنية 5G.
يجب على المؤسسات والشركات الاستمرار في استثمار الموارد والبحوث لجعل الاتصالات من الجيل القادم أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.
انقر هنا لتعرف كيف يمكن للفوتونيات المتقدمة أن تساعد في بناء هاتف ذكي أفضل.
