Mindre, hurtigere, bedre – 3D-processorer til at understøtte morgendagens dataoverførselsbehov

University of Florida researchers are set to transform wireless communication with a ny semiconductor-teknologi til fremstilling af processorer, significantly enhancing global data transfer efficiency. Publiceret i tidsskriftet Nature Electronics kommer denne innovation på et tidspunkt, hvor efterspørgslen efter højhastighedsdataoverførsel stiger dramatisk. 

Allerede har udvidelsen af internettet, med antallet af internetbrugere, der stiger betydeligt, og den globale internettrafik, der er steget flere gange, forårsaget en efterspørgsel efter datacentre og dataoverførsel, der vokser i et ekstremt hurtigt tempo.

På toppen af dette har kunstig intelligens (AI) i de sidste par år yderligere fået denne efterspørgsel til at skyde i vejret. Den milliard-dollar‑store AI‑industri ændrer vores liv og vokser i et hurtigt tempo. Den bruges i alt fra uddannelse, kunst og underholdning til sundhedspleje, biler og meget mere. 

AI‑applikationer kræver betydelig beregningskraft for at behandle og analysere enorme datamængder, hvilket driver behovet for mere kraftfuld og effektiv hardware i datacentre. 

Derudover er der en stigende efterspørgsel efter højhastighedsdataoverførsel inden for datacentre og på tværs af netværk, da AI‑systemer ofte er afhængige af store datasæt til træning og kontinuerlig læring. Jo mere komplekse disse AI‑systemer er, jo større er behovet for højere netværksbåndbredde og forbedringer i højkapacitets‑switches, routere og fiberoptiske kabler for at sikre effektiv databevægelse.

Den seneste stigning i generativ AI‑applikationer, i særdeleshed, tager AI ind i nye og interessante områder. Efterhånden som de træder ind i mainstream, kræver de realtidsdatabehandling for at levere hurtig, øjeblikkelig respons. Som følge heraf har den nuværende datainfrastruktur brug for en komplet overhaling for at imødekomme de stigende AI‑krav.

Så, mod denne baggrund har forskere med succes overgået fra planære til tredimensionale (3D) processorer. 

For mindre end en måned siden opnåede forskere fra University of Stuttgart, Tyskland, sammen med mange virksomheder, “Imaging circuits in three dimensions.” Ifølge studiet tilføjede forskerne en diamantplade med nitrogen‑vacancy (NV)‑centre til området af kredsløbet, der skulle studeres. De placerede derefter hele opsætningen i et bredfelt‑fluorescensmikroskop, og de magnetiske felter, der blev genereret, påvirkede spinsene i NV‑centrene, som blev målt ved hjælp af optisk detekteret magnetisk resonans. Det var i stand til at opdage strømme så svage som 10 μA μm⁻² med sub‑mikrometer rumlig opløsning.

Så nu hjælper brugen af semiconductor‑teknologi til at drive trådløs kommunikation ind i en ny dimension med at bringe en ny æra af effektivitet i dataoverførsel. Innovationen er lavet af teamet ledet af Roozbeh Tabrizian, Ph.D., som er lektor ved Department of Electrical and Computer Engineering på University of Florida.

3D‑processoren, ifølge Tabrizian, markerer et monumentalt øjeblik i evolutionen af trådløs kommunikation, efterhånden som vi bliver mere og mere afhængige af dataudveksling i realtid. Han sagde:

“Evnen til at overføre data mere effektivt og pålideligt vil åbne døre til nye muligheder og fremme fremskridt inden for områder som smarte byer, fjernsygepleje og udvidet virkelighed.” 

Klik her for at lære, hvorfor 2023 var et gennembrudsjahr for kunstig intelligens.

Evolution of Wireless Communication 

Transmission of information from a sender to the receiver without any wired connection was first achieved in the late 19th century when Heinrich Hertz demonstrated the transmission of electromagnetic waves through space in the 1880s. The unit of frequency was named ‘hertz’ in his honor. Then, many years later, Guglielmo Marconi transmitted signals over long distances using radio waves in 1895. It wasn’t until many decades later, in the 1970s, that the precursor to modern-day mobile phones was developed.

Så, når det kommer til trådløs kommunikation, handler det om overførsel af information over en afstand uden hjælp fra elektriske ledere som ledninger og kabler. Denne form for kommunikation handler om at forbinde og kommunikere mellem to eller flere enheder ved hjælp af et trådløst signal gennem trådløse enheder og teknologier. Nogle former for dette kommunikationsnetværk involverer mobil, Bluetooth, broadcast‑radio, Wi‑Fi og infrarød kommunikation.

Denne form for kommunikation involverer typisk overførsel af data ved hjælp af elektromagnetiske bølger. Denne mekanisme bærer signaler fra et par meter, som en fjernbetjening, til tusindvis af kilometer, som satellitkommunikation. Der er ingen fysisk kommunikationsmetode her. 

Samtidig omfatter elektromagnetiske bølger synligt lys, gammastråler, røntgenstråler, ultravioletstråler, infrarøde stråler, radiobølger og mikrobølger, som overfører signalet.

Trådløs kommunikation tilbyder flere fordele, primært fleksibilitet og bekvemmelighed. Denne form for kommunikation gør det muligt for folk at kommunikere uanset deres placering. Denne fleksibilitet gør det muligt for folk at have deres enheder med sig overalt, uden behov for fysisk forbindelse, så vi kan forbinde med hvem som helst, hvor som helst, når som helst.

Fordi denne metode ikke involverer brug af forbindelsesledninger, netværkskabler eller opsætning af omfattende fysisk infrastruktur, er trådløse forbindelser mere effektive end deres kablede modparter.

Der ses også forbedringer i hastighed og nøjagtighed her. Desuden tilbyder trådløs teknologi bedre tilgængelighed, især i fjerntliggende områder, hvor udlægning af jordkabler er en vanskelig og kompleks opgave. Denne nemme tilgængelighed giver konstant forbindelse, så folk kan reagere på nødsituationer relativt hurtigt.

Givet de mange fordele ved trådløs kommunikation, har trådløs teknologi udviklet sig hurtigt for at imødekomme de stigende brugerkrav. Fremskridt inden for teknologi har ført til højere dataoverførselshastigheder og forbedret servicekvalitet.

Efterhånden som internetforbindelse bliver en essentiel del af vores personlige og professionelle liv, har forskere, videnskabsfolk, virksomheder og regeringer udviklet og investeret i måder at gøre dataoverførsel hurtigere og mere effektiv på. Tidligere i år udviklede forskere ved University of Oxford i Storbritannien magnetiske hvirvler i membraner for at muliggøre dataoverførsel med kilometer per sekund. Denne fremskridt forventes at bane vejen for en ny generation af superhurtige computerplatforme.

Ifølge Hariom Jani, som er postdoc ved Oxford University’s Department of Physics:

“Silicon‑baseret computing er alt for energikrævende for næste generation af computerapplikationer såsom fuldskala AI og autonome enheder.” 

Forskerne fremstillede ekstremt tynde krystallinske hematit‑membraner, som kombinerer fordelene ved både 2D‑ og 3D‑materialer og er let overførbare. Disse fleksible membraner kan drejes i forskellige former uden at gå i stykker, en egenskab der udnyttes til at forme magnetiske hvirvler i 3D. Integration med denne teknologi forventes at gøre det muligt for fremtidige computere at fungere som den menneskelige hjerne.

En anden interessant udvikling inden for feltet fandt sted for to år siden, da forskere ved University of Birmingham’s School of Engineering afslørede en ny stråle‑styret antenne for at forbedre effektiviteten af dataoverførsel. Desuden åbner den op for et udvalg af frekvenser for mobilkommunikation, som hidtil har været utilgængelige for de nuværende teknologier.

A Game-Changing Processor

På nuværende tidspunkt omdannes data i vores mobile enheder til elektromagnetiske bølger, som kommunikeres frem og tilbage blandt brugere verden over. Her er spektrale processorer eller filtre ansvarlige for at flytte data på tværs af forskellige frekvenser. Spektral behandling opdeler lyd i små, diskrete enheder, så den kan målrettes på et meget fint niveau.

Man kan forstå dette gennem trafiklys, som sikrer en effektiv trafikstrøm gennem en by. Men der er kun et vist niveau af trafik, som byens infrastruktur kan håndtere. Hvis antallet af biler fortsætter med at stige, vil det skabe et problem.

Nu, “vi begynder at nå den maksimale mængde data, vi kan flytte effektivt,” udtalte Tabrizian. Han forklarede, at planære processorer, som trådløs kommunikation traditionelt har været afhængig af, “ikke længere er praktiske, da de begrænser os til et meget begrænset frekvensområde.”

I halvlederindustrien er planær en fremstillingsproces, der bruges til at bygge enkelte komponenter af en transistor og derefter forbinde dem sammen. Det er sådan, silicium‑integrerede kredsløbschips bygges. En integreret kredsløb (IC), også kendt som en mikrochip, er en lille elektronisk enhed bestående af flere sammenkoblede elektroniske komponenter som transistorer, modstande og kondensatorer, der er ætset på et lille stykke semiconductor-materiale.

Halvledere er en integreret del af vores verden i dag, da de har hjulpet med at revolutionere teknologien. Disse er materialer med ledningsevne mellem ledere og isolatorer. De bruges i fremstillingen af dioder, transistorer og IC’er på grund af deres lave omkostninger, energieffektivitet, kompakthed og pålidelighed. Det er halvledere, der giver os elektroniske enheder, fra radioer og computere til medicinsk diagnostisk udstyr og meget mere. 

Nu, med de teknologiske fremskridt og fremkomsten af AI, kræver den betydelige stigning i efterspørgslen væsentligt flere filtre på forskellige frekvenser for at flytte data. Tabrizian sagde:

“Tænk på det som lys på vejen og i luften. Det bliver et rod. En chip fremstillet kun til én frekvens giver ikke længere mening.” 

Tabrizian og hans hold på Herbert Wertheim College of Engineering brugte CMOS‑teknologiens fremstillingsproces til at bygge den tredimensionale nanomekaniske resonator. CMOS eller Complementary Metal Oxide Semiconductor omfatter NMOS‑transistorer, der har N++‑regioner ved kilde‑ og dræneterminalerne samt en p‑type substrat, og PMOS‑transistorer, der har to P++‑regioner og et n‑type substrat. CMOS anvendes for sin lave strømforbrug og lave driftsstrømme.

Sidste måned bemærkede vi i vores “Computing at the Speed of Light with Silicon‑Photonics” artikel, at forskere ved University of Pennsylvania udviklede en chip, der bruger lysbølger i stedet for elektricitet til at udføre den indviklede matematik, der kræves for at træne AI. 

Denne nye chip kan muliggøre meget hurtigere behandlingshastighed, samtidig med at energiforbruget i enheder reduceres, hvilket baner vejen for den nye generation af AI‑udvikling. Dette viser den stigende indflydelse og efterspørgsel efter AI, som får alle til at lægge mærke til og arbejde på at gøre den endnu bedre.

Tilbage til 3D‑processorer: de kan levere forbedret ydeevne, mens de optager mindre plads. De har også ubegrænset skalerbarhed, hvilket gør dem ekstremt kraftfulde til at imødekomme voksende krav. På dette sagde Tabrizian:

“Ved at udnytte styrkerne ved semiconductor‑teknologier inden for integration, routing og pakning kan vi integrere forskellige frekvens‑afhængige processorer på samme chip. Det er en enorm fordel.”

Ved at integrere diverse frekvenser på en enkelt chip er denne nye type spektral processor “virkeligt en game changer,” sagde David Arnold, associate chair for faculty affairs i Florida University’s Department of Electrical and Computer Engineering. Denne “nye tilgang til multi‑band, frekvens‑agile radio‑chipsets,” bemærkede Arnold, løser en enorm produktionsudfordring, mens den giver designere mulighed for at “forestille sig helt nye kommunikationsstrategier i en stadig mere overfyldt trådløs verden.” 

Denne innovation er resultatet af fem års arbejde. Forskerteamet, herunder Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski og Tabrizian, begyndte at arbejde på denne nye tilgang til processoren i 2019. 

Studiet modtog finansiering fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). En forskningsagentur under US Department of Defense (DOD), DARPA investerer i og udvikler nye teknologier til militærens nationale sikkerhed. Arnold udtalte:

“Kort sagt vil vores trådløse enheder fungere bedre, hurtigere og mere sikkert.” 

Companies 

Nu, lad os se på de virksomheder, der kan drage fordel af denne forskning:

#1. NVIDIA Corporation 

Den Californien‑baserede chipproducent er kendt for sine grafiske behandlingsenheder (GPU’er). NVIDIAs teknologi bruges i datacentre og AI‑applikationer, som kan drage fordel af forbedringer i dataoverførselseffektivitet. For nylig, da han svarede på et spørgsmål om, hvor mange flere chip‑fabrikker (eller semiconductor‑fab, forkortet for fremstilling) der er nødvendige for at understøtte udvidelsen af AI‑industrien, sagde Nvidia‑CEO Jensen Huang:

“Vi kommer til at få brug for flere fabrikker.” 

Dog forbedrer de også algoritmer og AI‑behandling enormt.

Med en markedsværdi på $2.188 billioner har virksomhedens aktier handlet til $869, op 76.75 % år‑til‑dato (YTD). Virksomheden har en omsætning (TTM) på $60.9 milliarder og en EPS (TTM) på 11.93, P/E (TTM) på 73.38, og ROE (TTM) på 91.46 %. Virksomheden betaler også et udbytte på 0.02 %. I februar‑resultatopkaldet talte CEO Huang om samarbejder med sundheds‑, biologi‑, finans‑, robotik‑ og autonome køretøjsvirksomheder samt AI‑ og LLM‑udviklere.

#2. Intel Corporation 

En anden førende virksomhed i semiconductor‑industrien, Intel, kan også drage fordel af fremskridt inden for processor‑teknologi. Koncernen håber i øjeblikket på at opnå massive $3.5 milliarder, som skal fordeles over en periode på tre år, i finansiering fra den amerikanske regering til fremstilling af avancerede halvledere til nationens militære programmer. 

Intel har allerede mangeårige relationer til DOD og Department of Energy (DOE), som involverede produktion af prototype‑multi‑die‑chips og processorer i hjertet af DOE’s Aurora‑supercomputer.

Med en markedsværdi på $187.42 milliarder har virksomhedens aktier handlet til $44.33, ned 12.44 % YTD. Virksomheden har en omsætning (TTM) på $54.22 milliarder og en EPS (TTM) på 0.38, P/E (TTM) på 116.92, og ROE (TTM) på 1.63 %. Virksomheden betaler også et udbytte på 1.13 %.

#3. Samsung Electronics

Sydkoreas teknologigigant, Samsung, producerer en række komponenter til trådløse kommunikationsenheder og har en markedsværdi på 368.9 milliarder. Virksomhedens aktier har handlet til 1375, ned 8.28 % YTD.

Ifølge virksomhedens resultater for regnskabsåret 2023 rapporterede Samsung en årlig omsætning på KRW 258.94 billioner (over $197 milliarder) og en driftsprofit på KRW 6.57 billioner ($5 milliarder).

Conclusion 

Som vi har diskuteret ovenfor, fortsætter behovet for hurtigere dataoverførsel med at stige hver dag, især når AI er her og udvikler sig som sindssygt. I et sådant miljø er det vigtigt, at forskningen fortsætter med at introducere forbedringer i dataoverførsel, så vi kan få en mere berigende oplevelse.