أصغر، أسرع، أفضل – معالجات ثلاثية الأبعاد تدعم احتياجات نقل البيانات المستقبلية

يستعد باحثو جامعة فلوريدا لتحويل الاتصالات اللاسلكية باستخدام تقنية أشباه الموصلات الجديدة لتصنيع المعالجات، مما يعزز بشكل كبير كفاءة نقل البيانات على مستوى العالم. نُشرت هذه الابتكار في مجلة Nature Electronics، وتأتي في وقت يزداد فيه الطلب على نقل البيانات عالي السرعة بشكل كبير. 

في الواقع، أدى توسع الإنترنت، مع الزيادة الكبيرة في عدد مستخدمي الإنترنت وارتفاع حركة المرور العالمية على الإنترنت عدة مرات، إلى زيادة الطلب على مراكز البيانات ونقل البيانات بوتيرة سريعة للغاية.

وعلاوة على ذلك، خلال السنوات القليلة الماضية، أدت الذكاء الاصطناعي (AI) إلى ارتفاع هذا الطلب إلى مستويات هائلة. تُغيّر صناعة الذكاء الاصطناعي متعددة المليارات من الدولارات حياتنا وتنمو بسرعة. يُستخدم في كل شيء من التعليم والفن والترفيه إلى الرعاية الصحية والسيارات وأكثر من ذلك. 

تتطلب تطبيقات الذكاء الاصطناعي قدرة حوسبة كبيرة لمعالجة وتحليل كميات هائلة من البيانات، مما يدفع الحاجة إلى أجهزة أكثر قوة وكفاءة في مراكز البيانات. 

علاوة على ذلك، هناك طلب متزايد على نقل البيانات عالي السرعة داخل مراكز البيانات وعبر الشبكات، حيث تعتمد أنظمة الذكاء الاصطناعي غالبًا على مجموعات بيانات ضخمة للتدريب والتعلم المستمر. وكلما زادت تعقيدات هذه الأنظمة، زادت الحاجة إلى نطاق ترددي أعلى للشبكة وتحسينات في المفاتيح، الموجهات، وكابلات الألياف الضوئية ذات السعة الأكبر لضمان حركة بيانات فعّالة.

الارتفاع الأخير لتطبيقات الذكاء الاصطناعي التوليدي، على وجه الخصوص، ينقل الذكاء الاصطناعي إلى مجالات جديدة ومثيرة. ومع دخولها إلى التيار الرئيسي، تتطلب معالجة بيانات في الوقت الحقيقي لتوفير استجابة سريعة وفورية. وبالتالي، تحتاج البنية التحتية الحالية للبيانات إلى تجديد كامل لتلبية الطلب المتزايد للذكاء الاصطناعي.

لذلك، في ظل هذا السياق، نجح العلماء في الانتقال من المعالجات المستوية إلى المعالجات ثلاثية الأبعاد (3D). 

قبل أقل من شهر، حقق باحثون من جامعة شتوتغارت بألمانيا، بالتعاون مع العديد من الشركات، إنجازًا بعنوان “تصوير الدوائر في ثلاثة أبعاد“. وفقًا للدراسة، أضاف الباحثون لوحة ماسية تحتوي على مراكز نقص النيتروجين (NV) إلى منطقة الدائرة التي ستُدرس. ثم وضعوا التجربة بالكامل في مجهر فلوريسنس واسع المجال، وتأثرت الحقول المغناطيسية المتولدة بدورات مراكز NV، التي قُست باستخدام الرنين المغناطيسي البصري المكتشف. تمكنت التقنية من اكتشاف التيارات الضعيفة حتى 10 ميكرو أمبير لكل ميكرومتر مربع بدقة مكانية دون الميكرو متر.

الآن، يساعد استخدام تقنية أشباه الموصلات لدفع الاتصالات اللاسلكية إلى بُعد جديد في إحداث عصر جديد من الكفاءة في نقل البيانات. تم تطوير الابتكار بواسطة فريق رووزبه تبريزيان، دكتوراه، وهو أستاذ مشارك في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب بجامعة فلوريدا.

وفقًا لتابريزيان، تُعد المعالج ثلاثي الأبعاد لحظة تاريخية في تطور الاتصالات اللاسلكية مع اعتمادنا المتزايد على تبادل البيانات في الوقت الحقيقي. قال:

“إن القدرة على نقل البيانات بشكل أكثر كفاءة وموثوقية سيفتح أبوابًا لإمكانات جديدة، ويعزز التقدم في مجالات مثل المدن الذكية، والرعاية الصحية عن بُعد، والواقع المعزز.” 

انقر هنا لتعرف لماذا كان عام 2023 عامًا مميزًا للذكاء الاصطناعي.

تطور الاتصالات اللاسلكية 

تم تحقيق نقل المعلومات من المرسل إلى المستقبل دون أي اتصال سلكي لأول مرة في أواخر القرن التاسع عشر عندما أظهر هاينريش هرتز نقل الموجات الكهرومغناطيسية عبر الفضاء في الثمانينيات من القرن التاسع عشر. سُمي وحدة التردد بـ ‘هرتز’ تكريمًا له. ثم، بعد سنوات عديدة، نقل جولييلمو ماركوني الإشارات على مسافات طويلة باستخدام الموجات الراديوية في عام 1895. لم يحدث ذلك إلا بعد عدة عقود، في السبعينيات، تم تطوير السلف لتقنيات الهواتف المحمولة الحديثة.

إذًا، عندما نتحدث عن الاتصالات اللاسلكية، فإنها تتعلق بنقل المعلومات عبر مسافة دون الاعتماد على أي شكل من أشكال الموصلات الكهربائية مثل الأسلاك والكابلات. هذا الشكل من الاتصالات يهدف إلى ربط والتواصل بين جهازين أو أكثر باستخدام إشارة لاسلكية عبر الأجهزة والتقنيات اللاسلكية. تشمل بعض أشكال هذه الشبكة اللاسلكية المحمول، البلوتوث، الراديو البث، الواي فاي، والاتصالات تحت الحمراء.

عادةً ما يتضمن هذا الشكل من الاتصالات نقل البيانات باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية. تنقل هذه الآلية الإشارات من بضع أمتار، مثل جهاز التحكم عن بُعد للتلفاز، إلى ألف كيلومتر، مثل الاتصالات عبر الأقمار الصناعية. لا يوجد هنا وضع مادي للاتصال.

في الوقت نفسه، تشمل الموجات الكهرومغناطيسية الضوء المرئي، أشعة غاما، أشعة إكس، الأشعة فوق البنفسجية، الأشعة تحت الحمراء، الموجات الراديوية، وموجات الميكروويف، التي تنقل الإشارة.

توفر الاتصالات اللاسلكية عدة مزايا، أبرزها المرونة والراحة. يتيح هذا الشكل من الاتصالات للناس التواصل بغض النظر عن موقعهم. تسمح هذه المرونة للناس بحمل أجهزتهم معهم إلى أي مكان، دون الحاجة إلى اتصال مادي، مما يمكننا من التواصل مع أي شخص، في أي مكان، وفي أي وقت.

نظرًا لأن هذه الطريقة لا تتضمن استخدام أسلاك الاتصال أو كابلات الشبكة أو إنشاء بنية تحتية مادية معقدة، فإن الاتصالات اللاسلكية أكثر فعالية من نظيراتها السلكية.

كما تُلاحظ تحسينات في السرعة والدقة هنا. علاوة على ذلك، توفر التكنولوجيا اللاسلكية وصولًا أفضل، خاصة في المناطق النائية حيث يكون وضع خطوط الأرض صعبًا ومعقدًا. توفر هذه السهولة في الوصول اتصالًا مستمرًا، مما يسمح للناس بالاستجابة للطوارئ بسرعة نسبية.

نظرًا للعديد من فوائد الاتصالات اللاسلكية، تطورت التكنولوجيا اللاسلكية بسرعة لتلبية المتطلبات المتزايدة للمستخدمين. أدت التطورات التقنية إلى معدلات نقل بيانات أعلى وتحسين جودة الخدمات.

في وقت سابق من هذا العام، العلماء في جامعة أكسفورد بالمملكة المتحدةطوروا دوامات مغناطيسية في الأغشية لتمكين نقل البيانات بسرعة كيلومترات في الثانية. من المتوقع أن يمهد هذا التقدم الطريق لجيل جديد من منصات الحوسبة فائقة السرعة.

وفقًا لهاريوم جاني، الذي يقوم بدراسة ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد:

“الحوسبة القائمة على السيليكون غير فعّالة من حيث الطاقة للجيل القادم من تطبيقات الحوسبة مثل الذكاء الاصطناعي على نطاق كامل والأجهزة الذاتية.”

صنّع الباحثون أغشية هيماتيت بلورية رقيقة للغاية، تجمع بين مزايا كل من المواد ثنائية وثلاثية الأبعاد وتُنقل بسهولة. يمكن لهذه الأغشية المرنة أن تُلف بأشكال مختلفة دون أن تنكسر، وهي خاصية استُخدمت لتشكيل دوامات مغناطيسية ثلاثية الأبعاد. من المتوقع أن يتيح دمج هذه التقنية للكمبيوترات المستقبلية العمل مثل الدماغ البشري.

حدث تطور مثير آخر في المجال قبل عامين عندما قام باحثون من كلية الهندسة بجامعة برمنغهامكشفوا عن هوائي جديد لتوجيه الحزمة لتحسين كفاءة نقل البيانات. علاوة على ذلك، يفتح نطاقًا من الترددات للاتصالات المتنقلة التي كانت غير متاحة للتقنيات المستخدمة حاليًا.

معالج يغيّر قواعد اللعبة

في الوقت الحالي، يتم تحويل البيانات في أجهزتنا المحمولة إلى موجات كهرومغناطيسية يتم تبادلها بين المستخدمين حول العالم. هنا، تكون المعالجات الطيفية أو المرشحات مسؤولة عن نقل البيانات عبر ترددات مختلفة. تقوم المعالجة الطيفية بتقسيم الصوت إلى وحدات صغيرة منفصلة، مما يسمح باستهدافه على مستوى دقيق للغاية.

يمكن فهم ذلك من خلال إشارات المرور، التي تضمن تدفقًا فعالًا لحركة المرور عبر المدينة. ومع ذلك، هناك حد معين من حركة المرور يمكن للبنية التحتية للمدينة التعامل معه. إذا استمر عدد السيارات في الزيادة، سيتسبب ذلك في مشكلة.

الآن، “نحن نبدأ في الوصول إلى الحد الأقصى للبيانات التي يمكننا نقلها بكفاءة”، صرح تبريزيان. أوضح أن المعالجات المستوية، التي اعتمدت عليها الاتصالات اللاسلكية تقليديًا، “لم تعد عملية لأنها تقيدنا بمجال ترددات محدود جدًا”.

في صناعة أشباه الموصلات، تُعد التقنية المستوية عملية تصنيع تُستخدم لبناء مكونات منفردة للترانزستور ثم ربطها معًا. وهي الطريقة التي تُبنى بها شرائح الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون. الدائرة المتكاملة (IC)، المعروفة أيضًا باسم الرقاقة الدقيقة، هي جهاز إلكتروني صغير يتكون من مكونات إلكترونية متعددة مترابطة مثل الترانزستورات، المقاومات، والمكثفات المنقوشة على قطعة صغيرة من مادة أشباه الموصلات.

تُعد أشباه الموصلات جزءًا أساسيًا من عالمنا اليوم لأنها ساهمت في ثورة التكنولوجيا. هذه مواد ذات توصيلية بين الموصلات والعوازل. تُستخدم في تصنيع الثنائيات، الترانزستورات، والدوائر المتكاملة بفضل تكلفتها المنخفضة، كفاءتها في استهلاك الطاقة، صغر حجمها، وموثوقيتها. تُوفر أشباه الموصلات أجهزتنا الإلكترونية، من الراديوهات وأجهزة الكمبيوتر إلى معدات التشخيص الطبي وغيرها الكثير.

الآن، مع التقدم التكنولوجي وظهور الذكاء الاصطناعي، يتطلب الارتفاع الكبير في الطلب مزيدًا من المرشحات عند ترددات مختلفة لنقل البيانات. قال تبريزيان:

“تخيلها كالأضواء على الطريق وفي الهواء. يصبح الوضع فوضويًا. لا معنى لتصنيع رقاقة واحدة لتردد واحد فقط بعد الآن.”

استخدم تبريزيان وزملاؤه في كلية الهندسة هيربرت ويرثيم تقنية تصنيع CMOS لبناء الرنان النانوميكانيكي ثلاثي الأبعاد. CMOS أو شبه الموصلات المعدنية المكملة تتضمن ترانزستورات NMOS التي تحتوي على مناطق N++ عند الطرفين المصدر والمصرف، وركيزة من النوع p، وترانزستورات PMOS التي تحتوي على منطقتين P++ وركيزة من النوع n. تُستخدم CMOS بفضل انخفاض استهلاك الطاقة وانخفاض التيارات التشغيلية.

في الشهر الماضي، أشرنا في مقالتنا “الحوسبة بسرعة الضوء باستخدام الفوتونيات السيليكونية” إلى أن باحثين في جامعة بنسلفانيا طوروا رقاقة تستخدم موجات الضوء بدلاً من الكهرباء لأداء العمليات الحسابية المعقدة المطلوبة لتدريب الذكاء الاصطناعي.

يمكن لهذه الرقاقة الجديدة تسهيل سرعة معالجة أعلى بكثير مع تقليل استهلاك الطاقة للأجهزة، مما يمهد الطريق للجيل الجديد من تطوير الذكاء الاصطناعي. يُظهر هذا التأثير المتزايد للذكاء الاصطناعي والطلب المتزايد عليه، مما يدفع الجميع إلى الانتباه والعمل على تحسينه.

بالعودة إلى المعالجات ثلاثية الأبعاد، يمكنها تقديم أداء محسّن مع احتلال مساحة أقل. كما أنها تتمتع بقابلية توسع غير محدودة، مما يجعلها قوية جدًا في تلبية الطلب المتزايد. في هذا الصدد، قال تبريزيان:

“من خلال الاستفادة من مزايا تقنيات أشباه الموصلات في التكامل، التوجيه، والتعبئة، يمكننا دمج معالجات مختلفة تعتمد على ترددات متعددة على نفس الشريحة. وهذا فائدة هائلة.”

من خلال دمج ترددات متنوعة على شريحة واحدة، يُعد هذا النوع الجديد من المعالجات الطيفية “مغيّرًا للعبة” حقًا، حسب ديفيد أرنولد، نائب رئيس شؤون هيئة التدريس في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب بجامعة فلوريدا. يوضح أرنولد أن “هذا النهج الجديد للرقاقات الراديوية متعددة النطاقات والقابلة لتغيير التردد” يحل تحديًا كبيرًا في التصنيع بينما يسمح للمصممين “بتخيل استراتيجيات اتصال جديدة تمامًا في عالم لاسلكي يزداد ازدحامًا”.

هذا الابتكار هو نتيجة لخمسة أعوام من العمل. بدأ فريق الباحثين، بما في ذلك فايصل حكيم، تروي ثارب، نيكولاس رودوسكي، وتابريزيان، العمل على هذا النهج الجديد للمعالج في عام 2019.

حصلت الدراسة على تمويل من وكالة مشاريع البحث المتقدمة للدفاع (DARPA). وهي وكالة أبحاث تابعة لوزارة الدفاع الأمريكية (DOD)، تستثمر DARPA وتطور تقنيات ناشئة لأمن الدولة العسكري. صرح أرنولد:

“بعبارة أبسط، ستعمل أجهزتنا اللاسلكية بشكل أفضل، أسرع، وأكثر أمانًا.”

الشركات 

الآن، دعونا نلقي نظرة على الشركات التي يمكن أن تستفيد من هذا البحث:

#1. NVIDIA Corporation 

تُعرف شركة تصنيع الرقائق التي تتخذ من كاليفورنيا مقرًا لها بوحداتها معالجة الرسوميات (GPUs). تُستخدم تقنية NVIDIA (NVDA ) في مراكز البيانات وتطبيقات الذكاء الاصطناعي، والتي يمكن أن تستفيد من التحسينات التي تحدث في كفاءة نقل البيانات. مؤخرًا، عندما تم طرح سؤال حول عدد مصانع الرقائق (أو المصانع شبه الموصلة، اختصارًا للتصنيع) الإضافية المطلوبة لدعم توسع صناعة الذكاء الاصطناعي، صرح الرئيس التنفيذي لشركة Nvidia، جينسن هوانغ:

“سنحتاج إلى المزيد من المصانع.”

ومع ذلك، فإنهم أيضًا يحسنون الخوارزميات ومعالجة الذكاء الاصطناعي بشكل هائل.

بقيمة سوقية تبلغ 2.188 تريليون دولار، يتم تداول أسهم الشركة عند 869 دولارًا، بارتفاع قدره 76.75٪ منذ بداية العام (YTD). تمتلك الشركة إيرادات (TTM) قدرها 60.9 مليار دولار وربحية السهم (EPS) (TTM) 11.93، نسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 73.38، والعائد على حقوق الملكية (ROE) (TTM) 91.46٪. كما تدفع الشركة توزيعات بنسبة 0.02٪. في مكالمة الأرباح في فبراير، تحدث الرئيس التنفيذي هوانغ عن التعاون مع شركات الرعاية الصحية، والبيولوجيا، والخدمات المالية، والروبوتات، وشركات المركبات الذاتية، بالإضافة إلى مطوري الذكاء الاصطناعي ونماذج اللغة الكبيرة (LLM).

#2. Intel Corporation 

شركة رائدة أخرى في صناعة أشباه الموصلات، إنتل، يمكنها أيضًا الاستفادة من التقدم في تكنولوجيا المعالجات. تتطلع الشركة حاليًا للحصول على تمويل ضخم قدره 3.5 مليار دولار، يُوزع على مدى ثلاث سنوات، من الحكومة الأمريكية لتصنيع أشباه الموصلات المتقدمة لبرامج الجيش الوطنية. (INTC )

تمتلك إنتل بالفعل علاقات طويلة الأمد مع وزارة الدفاع (DOD) ووزارة الطاقة (DOE)، والتي شملت إنتاج شرائح متعددة الرقائق ونوى المعالجات في صميم الحاسوب الفائق Aurora الخاص بوزارة الطاقة.

بقيمة سوقية تبلغ 187.42 مليار دولار، يتم تداول أسهم الشركة عند 44.33 دولارًا، بانخفاض قدره 12.44٪ منذ بداية العام (YTD). تمتلك الشركة إيرادات (TTM) قدرها 54.22 مليار دولار وربحية السهم (EPS) (TTM) 0.38، نسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 116.92، والعائد على حقوق الملكية (ROE) (TTM) 1.63٪. كما تدفع الشركة توزيعات بنسبة 1.13٪.

#3. Samsung Electronics

عملاق التكنولوجيا في كوريا الجنوبية، سامسونج، ينتج مجموعة من المكونات لأجهزة الاتصالات اللاسلكية وتبلغ قيمتها السوقية 368.9 مليار. يتم تداول أسهم الشركة عند 1375، بانخفاض 8.28٪ منذ بداية العام (YTD).

وفقًا لنتائج الشركة للسنة المالية 2023، سجلت سامسونج إيرادات سنوية قدرها 258.94 تريليون وون كوري (أكثر من 197 مليار دولار) وربحًا تشغيليًا قدره 6.57 تريليون وون كوري (5 مليارات دولار).

الخلاصة 

كما ناقشنا أعلاه، يستمر الطلب على نقل البيانات الأسرع في الارتفاع يوميًا، خاصةً مع وجود الذكاء الاصطناعي وتطوره بشكل هائل. في مثل هذا البيئة، من المهم أن تستمر الأبحاث في تقديم تحسينات في نقل البيانات، مما يتيح لنا تجربة أكثر إثراءً.