Computing
Nye indsigter i fononik kan omdefinere næste generations kommunikationsenheder
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
Med internettet, der har spredt sine vinger over hele verden, kan nogle føle, at kommunikationsboomens dage er forbi. Nogle kan endda mene, at der ikke er mere at opnå inden for industrien for kommunikationsenheder, -løsninger og -tjenester.
Det er sandt, at hvis vi kun vurderer industrien ud fra dens anslåede vækstprocent, vil den synes minimal. Men det skyldes kun, at den grundlæggende markedsstørrelse, som vi beregner væksten på, er enormt høj. Ifølge prognoser vil det globale marked for kommunikationstjenester vokse fra US$1.5 trillion to US$1.6 trillion mellem 2024 og 2028.
Vækst i et marked på flere billioner dollars kan kun opnås gennem konsekvent forekommende banebrydende innovationer inden for dette område. En sådan løsning udnytter fononik til at skabe mindre, kraftfulde kommunikationsenheder. Nedenfor diskuterer vi den innovation, som stammer fra forskerne ved University of Arizona, Wyant College of Optical Sciences og Sandia National Laboratories.
Næste revolution inden for trådløs kommunikation ved brug af fononik
Før vi diskuterer innovationen og dens detaljer, lad os prøve at forstå fononik, den videnskabelige fællesskab definerer fononik som “et fremvoksende felt, der søger at belyse naturen af intrinsisk mekanisk bevægelse i både konventionelle og kunstigt strukturerede materialer og bruge denne viden til at udvide grænserne for fysisk respons på enten materialet eller strukturelt/enhedsniveau eller begge dele.”
Selvom den grundlæggende videnskabelige definition kan lyde svær at forstå, vil en analogi med fotonik gøre det enklere. Fotonik udnytter fotoner til at fremme den optiske teknologi. På samme måde udnytter fononik fononer, fysiske partikler der overfører mekaniske vibrationer gennem et materiale ved næsten uhørlig høj frekvens.
I den forskning, vi diskuterer, kunne forskerne blande højt specialiserede halvleder- og piezoelektriske materialer for at producere enorme ikke-lineære interaktioner mellem fononer. Efterfølgende implementerede de forstærkere til fononer – fremstillet af samme materiale – for at skabe mere effektive, kraftfulde og mindre trådløse enheder, herunder smartphones og datatransmittere.
Ifølge studiets seniorforfatter, Matt Eichenfield, som har en fælles stilling ved Arizona College of Optical Sciences og Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico:
“De fleste ville sandsynligvis blive overrasket over at høre, at der er omkring 30 filtre inde i deres mobiltelefon, hvis eneste opgave er at omdanne radiobølger til lydbølger og tilbage.”
Nu, med de meget mindre fononikmaterialer i brug, vil det være muligt at reducere behovet for så mange filtre, da en stråle af fononer kan ændre frekvensen af en anden stråle.
Denne præstation er i overensstemmelse med forskernes vision om at producere alle komponenterne, der er nødvendige for radiobølgesignalbehandling, fra akustiske bølgeteknologier i stedet for transistorbaseret elektronik. Resultatet ville være, at alt er integreret på en enkelt chip, kompatibel med den måde, standard mikroprocessorer fremstilles.
Når man uddyber den indvirkning, deres innovation kan skabe, sagde Eichenfield:
“Nu kan du pege på hver komponent i et diagram af en radiobølge front‑end processor og sige: ‘Ja, jeg kan lave alle disse på én chip med akustiske bølger. Vi er klar til at gå videre med at lave hele systemet i den akustiske domæne.'”
At få en enkelt chip, hvor alt er integreret, kunne formindske kommunikationsenheder og gadgets med en faktor på 100, estimerer Eichenfield.
En lignende forskning blev udført sidste år af et team af forskere ved University of Michigan, hvor de udviklede en ny type omkonfigurerbar transistor ved brug af en ferroelectric halvleder i nanoskalat tykkelse.
Ferroelectric High Electron Mobility Transistor (FeHEMT) for at formindske kommunikationsenheder på smartphones
Den fremtrædende egenskab ved FeHEMT, som gør den bedre end HEMT’erne, er, at den kan opretholde en elektrisk polarisation, svarende til den elektriske version af magnetisme. Ved at tilføje adfærdsmæssig fleksibilitet til transistoren kan disse halvledere skifte mellem de positive og negative ender.
Da FeHEMT er omkonfigurerbar, kan den fungere som flere enheder. En enkelt forstærker kan udføre funktionen af flere forstærkere, hver klar til dynamisk kontrol. Denne egenskab gør det muligt for forskerne at reducere enhedens kredsløbsareal og sænke omkostningerne og energiforbruget.
Overgangen fra FeHEMT til HEMT involverede dybdegående videnskabelige udforskninger samt mange forsøg, tests og eksperimenter. Halvlederen var lavet af aluminium nitrid med tilsætning af scandium. At blive den første nitratbaserede ferroelectric halvleder gjorde det muligt at integrere problemfrit med næste generations halvleder, gallium nitrid. Outputtet kunne nå hastigheder op til 100 gange hurtigere end silicium. Det var ikke kun højhastighed, men også meget effektivt og billigt.
Ping Wang, forskningsforsker inden for elektroteknik og datalogi samt medforfatter til forskningen, sagde:
“Ved at tilføje ferroelectricitet til en HEMT kan vi gøre skiftet skarpere. Dette kunne muliggøre meget lavere strømforbrug ud over høj forstærkning, hvilket giver meget mere effektive enheder.”
I et andet tilfælde af at bygge præcis kommunikationshardware med transformerende potentiale, kunne et team af forskere inden for elektroteknik og datalogi ved University of Michigan bygge den første millimeter-skala transmitter og antenne, der kunne ‘tale Bluetooth Low Energy med lethed.‘
Bygning af den første millimeter-skala transmitter og antenne
Prof. David Wentzloff ledede teamet og forskningen til endelig at udvikle den første millimeter-skala enhed, der kunne kommunikere præcist med Bluetooth Low Energy. Transmitteren og antennen forbrugte kun 606 mikrowatt, eller 0,6 milliwatt samlet, under transmission. Systemet kunne opnå denne skala ved at gøre forstærkeren overflødig ved at skabe en unik kombination af oscillator og antenne.
Mens han forklarede potentialet i opfindelsen, sagde Prof. Wentzloff:
“Jeg er begejstret for de fremtidige forskningsretninger, der vil blive åbnet ved at fjerne den trådløse forbindelsesbarriere!”
Denne præstation vil skabe nye veje inden for IoT og betydeligt forbedre dens adoptionskapacitet.
Opfindelsen var også afgørende for universitetets flaggskibsinnovation, Michigan Micro Mote (M3), verdens første millimeter-skala computer. Med en sådan transmitter indarbejdet i M3 vil kommunikationen med en almindelig smartphone blive mere effektiv.
Når han forklarede dens anvendelighed, sagde Wentzloff:
“Denne radio tilføjer den første standardkompatible kommunikation til M3-stakken. Dette gør det muligt for os at implementere M3-enheder hurtigere og lettere få indsamlede data til skyen ved at forbinde direkte til en smartphone.”
Sådan fremragende forskning vil revolutionere kommunikationsstandarderne for næste generation. Globale virksomheder investerer i forskning og ressourcer for at gøre kommunikationsenheder klar til fremtiden. Disse virksomheder kan drage enorm fordel af disse studier og eksperimenter. I afsnittene nedenfor diskuterer vi et par af sådanne virksomheder.
#1. Nokia
Nokia har en omfattende portefølje af kommunikationsenheder. Når det gælder fremragende pladsoptimering, er en produktlinje, der skiller sig ud, AirScale Small Cells.
Nokia har branchens mest omfattende small‑cell‑portefølje, med radioer optimeret til at understøtte mobilnetværksoperatører og virksomheder i alle implementeringsscenarier. Også kendt som AirScale Shikra Radioer, findes de som millimeterbølge‑radioer og pico‑radioer til indendørs løsninger.
Shikra‑radioerne er små og nemme at implementere enten som enkeltstående eller i forbindelse, med deres small‑cell‑optimerede baseband‑enheder, der hjælper med at accelerere netværksudrulning. På grund af deres kompakte karakter er mmWave‑radioerne klar til implementering på en række steder, herunder tætte byområder, shoppingområder, sportsarenaer og andre store offentlige steder, hvor ekstrem kapacitet er et nøglekrav.
Pico‑radioerne er en indendørs løsning, der dækker en række virksomhedsanvendelser, understøtter flere radioadgangsteknologier og fleksible netværkskonfigurationer. Nokia har også alt‑i‑en small‑cell‑løsninger, der ikke kræver en separat baseband‑enhed og muliggør enkel plug‑and‑play installation og implementeringsfleksibilitet både indendørs og udendørs.
For regnskabsåret 2023, rapporterede Nokia en årlig omsætning på EUR 22.258 milliarder, et betydeligt fald fra det foregående regnskabsårs EUR 24.91 milliarder. Driftsresultatet faldt også til EUR 2.375 milliarder fra EUR 3.109 milliarder mellem FY 23 og FY 22.
#2. Motorola Solutions
Motorola har været en pioner i at introducere futuristiske, sofistikerede og banebrydende kommunikationsenheder til verden. En enhed, der især kan drage fordel af denne forskning og skubbe grænserne yderligere, er Motorolas TLK 25 bærbare kommunikationsenhed. Den vejer kun 73 gram og måler 3.2X1.9X0.7.
I sin kerne er TLK 25 en bærbar WAVE PTX‑enhed, der går ud over en walkie‑talkies push‑to‑talk‑funktioner. Disse enheder er kompakte, robuste og udstyret med en intuitiv stemmeassistent. Enheden har Wi‑Fi‑forbindelse og bruger også landsdækkende LTE, når Wi‑Fi ikke er tilgængeligt. Dens intuitive stemmeassistent muliggør håndfri adgang til kommunikation, enhedsindstillinger, sikkerhedsfunktioner, status, meddelelser og advarsler.
TLK 25‑produktsortimentet fra Motorola trives på deres kompakthed og korthed i funktioner. Disse enheder vil drage enorm fordel af forskning og transmissionsløsninger, der gør dem mere slanke og effektive.
MSI Prisdiagram
I fjerde kvartal af 2023, rapporterede Motorola Solutions (MSI ) nettoomsætning på US$2.85 milliarder, mens den samlede årsomsætning for 2023 var næsten US$10 milliarder. Driftsindtægterne for året 2023 steg til US$2.784 milliarder fra US$2.368 milliarder i 2022.
Kommunikationsenheders rolle i vores moderne verden
Det ville være svært for den menneskelige civilisation at overleve uden sine metoder og værktøjer til effektiv kommunikation, der fungerer korrekt. Kommunikationsenhederne for næste generation skal udvikle mange egenskaber for at være mere klar til adoption i fremtiden.
Disse enheder skal for eksempel kunne modstå de hårdeste forhold. De skal være effektive nok til at rumme alle de innovationer, der hidtil er opnået inden for dette område, især i håndtering af stemme, video og datafeeds samtidigt.
Mens de leverer alle disse tjenester, må enhederne ikke gå på kompromis med deres integritet. Med sofistikerede sikkerhedssystemer, der udnytter ansvarligt bygget AI‑analyse, er dette ikke længere en udfordring.
Dog må alle disse egenskaber og funktioner ikke resultere i noget, der optager meget plads, bliver hurtigt varmt eller er dyrt at fremstille.
Næste generations kommunikationsenheder vil udvikle sig med disse aspekter i tankerne. Allerede er nye teknologiparadigmer opstået, som vil fremskynde denne udvikling. For eksempel er der allerede meget snak om teknologier som Visible Light Communication (VLC)/Li‑Fi, hvor dataoverførsel sker via lys i stedet for radiobølger med høj hastighed gennem små justeringer i intensiteten.
Disse løsninger tilbyder meget høj hastighed, der overstiger båndbreddekapaciteten i konventionel kommunikation. Da de går ud over den traditionelle metode, kan forbedrede sikkerheds- og pålidelighedsstandarder opnås. Forskere mener, at sådanne løsninger ville være perfekte til militæret.
Udover hardware til dataoverførsel er der gjort store fremskridt inden for sensorteknologier. Disse teknologier vil hjælpe med at opdatere den eksisterende IoT- og automatiseringsinfrastruktur.
Ifølge data præsenteret af ASSIA Inc. vil stigningen i PC/telefon upload‑trafik siden begyndelsen af marts 2024 være så høj som 80 % kun i USA. Verden er blevet meget mere virtuel end før COVID‑19‑pandemien. Webcams, PC’er og laptops kører video‑streams hele tiden. Levering af sundhedsydelser, uddannelse og andre nødtjenester er blevet meget mere virtuel. Håndtering af disse situationer vil kræve meget mere pladsoptimerede og effektive enheder. De skal også være 5G‑klar.
Organisationer og virksomheder skal fortsætte med at investere ressourcer og forskning i at gøre næste generations kommunikation mere effektiv og omkostningseffektiv.
Klik her for at lære, hvordan avanceret fotonik kan hjælpe med at bygge en bedre smartphone.
