Kleiner, schneller, besser – 3D‑Prozessoren zur Unterstützung der Datenübertragungsbedürfnisse von morgen

Forscher der University of Florida stehen kurz davor, die drahtlose Kommunikation mit einer neuen Halbleitertechnologie zur Herstellung von Prozessoren zu revolutionieren, was die globale Datenübertragungseffizienz erheblich steigert. Veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Electronics kommt diese Innovation zu einem Zeitpunkt, an dem die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits‑Datenübertragung dramatisch steigt. 

Bereits hat die Expansion des Internets, mit einem signifikanten Anstieg der Internetnutzer und einem weltweit steigenden Internetverkehr, die Nachfrage nach Rechenzentren und Datenübertragung extrem schnell wachsen lassen.

Zusätzlich hat in den letzten Jahren die Künstliche Intelligenz (KI) diese Nachfrage weiter in die Höhe schnellen lassen. Die milliardenschwere KI‑Industrie verändert unser Leben und wächst rasant. Sie wird in allem eingesetzt, von Bildung, Kunst und Unterhaltung bis hin zu Gesundheitswesen, Automobilen und vielem mehr. 

KI‑Anwendungen erfordern erhebliche Rechenleistung, um riesige Datenmengen zu verarbeiten und zu analysieren, was den Bedarf an leistungsfähigeren und effizienteren Hardware in Rechenzentren antreibt. 

Zudem gibt es eine wachsende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits‑Datenübertragung innerhalb von Rechenzentren und über Netzwerke hinweg, da KI‑Systeme häufig große Datensätze für das Training und kontinuierliche Lernen benötigen. Je komplexer diese KI‑Systeme werden, desto größer ist der Bedarf an höherer Netzwerkbandbreite und Verbesserungen bei Hochkapazitäts‑Switches, Routern und Glasfaserkabeln, um einen effizienten Datenfluss zu gewährleisten.

Der jüngste Aufstieg generativer KI‑Anwendungen, insbesondere, führt KI in neue und interessante Bereiche. Da sie in den Mainstream vordringen, verlangen sie Echtzeit‑Datenverarbeitung, um schnelle, sofortige Reaktionsfähigkeit zu bieten. Daher muss die aktuelle Dateninfrastruktur vollständig überholt werden, um den steigenden KI‑Anforderungen gerecht zu werden.

Vor diesem Hintergrund haben Wissenschaftler erfolgreich den Übergang von planaren zu dreidimensionalen (3D) Prozessoren vollzogen. 

Vor weniger als einem Monat haben Forscher der Universität Stuttgart, Deutschland, zusammen mit vielen Unternehmen das Ergebnis “Imaging circuits in three dimensions” erzielt. Laut der Studie fügten die Forscher eine Diamantplatte mit Stickstoff‑Vakuum‑ (NV‑) Zentren zum zu untersuchenden Schaltkreis hinzu. Sie platzierten das gesamte Setup anschließend in einem Weitfeld‑Fluoreszenzmikroskop, und die erzeugten Magnetfelder beeinflussten die Spins der NV‑Zentren, die mittels optisch detektierter Magnetresonanz gemessen wurden. Damit konnten Ströme bereits bei einer Stärke von 10 μA μm−2 mit sub‑mikrometer räumlicher Auflösung detektiert werden.

Jetzt hilft die Nutzung von Halbleitertechnologie, die drahtlose Kommunikation in eine neue Dimension zu katapultieren und eine neue Ära der Effizienz in der Datenübertragung einzuleiten. Die Innovation wurde vom Team um Roozbeh Tabrizian, Ph.D., einem außerordentlichen Professor am Department of Electrical and Computer Engineering der University of Florida, entwickelt.

Der 3D‑Prozessor markiert laut Tabrizian einen monumentalen Moment in der Evolution der drahtlosen Kommunikation, da wir zunehmend in Echtzeit auf Datenaustausch angewiesen sind. Er sagte:

„Die Fähigkeit, Daten effizienter und zuverlässiger zu übertragen, wird Türen zu neuen Möglichkeiten öffnen und Fortschritte in Bereichen wie Smart Cities, Fernmedizin und Augmented Reality vorantreiben.“ 

Klicken Sie hier, um zu erfahren, warum das Jahr 2023 ein Durchbruchsjahr für Künstliche Intelligenz war.

Evolution der drahtlosen Kommunikation 

Die Übertragung von Informationen vom Sender zum Empfänger ohne jegliche Kabelverbindung wurde erstmals Ende des 19. Jahrhunderts erreicht, als Heinrich Hertz in den 1880er‑Jahren die Übertragung elektromagnetischer Wellen durch den Raum demonstrierte. Die Einheit der Frequenz wurde zu seinen Ehren „Hertz“ genannt. Jahre später übertrug Guglielmo Marconi 1895 Signale über große Entfernungen mittels Radiowellen. Erst in den 1970er‑Jahren wurde der Vorläufer der heutigen Mobiltelefone entwickelt.

Bei der drahtlosen Kommunikation geht es also um die Übertragung von Informationen über eine Distanz ohne Hilfe von elektrischen Leitern wie Drähten und Kabeln. Diese Form der Kommunikation verbindet und ermöglicht den Austausch zwischen zwei oder mehr Geräten mittels eines Funksignals über drahtlose Geräte und Technologien. Zu den Kommunikationsnetzen gehören Mobilfunk, Bluetooth, Rundfunk, Wi‑Fi und Infrarot.

Diese Kommunikationsform nutzt in der Regel die Übertragung von Daten mittels elektromagnetischer Wellen. Dieses Verfahren überträgt Signale von wenigen Metern, wie bei einer TV‑Fernbedienung, bis zu tausenden Kilometern, wie bei der Satellitenkommunikation. Es gibt hier keinen physischen Kommunikationsweg. 

Elektromagnetische Wellen umfassen sichtbares Licht, Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, Ultraviolettstrahlen, Infrarotstrahlen, Radiowellen und Mikrowellen, die das Signal weiterleiten.

Drahtlose Kommunikation bietet mehrere Vorteile, vor allem Flexibilität und Komfort. Diese Form ermöglicht es Menschen, unabhängig von ihrem Standort zu kommunizieren. Diese Flexibilität erlaubt es, Geräte überallhin mitzunehmen, ohne physische Verbindung, sodass wir jederzeit und überall mit jedem in Kontakt treten können.

Da diese Methode keine Anschlussdrähte, Netzwerkkabel oder den Aufbau einer aufwendigen physischen Infrastruktur erfordert, sind drahtlose Verbindungen effektiver als ihre kabelgebundenen Gegenstücke.

Verbesserungen zeigen sich zudem in Bezug auf Geschwindigkeit und Genauigkeit. Darüber hinaus bietet die drahtlose Technologie bessere Zugänglichkeit, insbesondere in abgelegenen Gebieten, wo das Verlegen von Leitungen schwierig und komplex ist. Diese einfache Zugänglichkeit ermöglicht konstante Konnektivität und erlaubt es Menschen, in Notfällen relativ schnell zu reagieren.

Angesichts der zahlreichen Vorteile hat sich die drahtlose Technologie rasant weiterentwickelt, um den steigenden Nutzeranforderungen gerecht zu werden. Technologische Fortschritte haben zu höheren Datenübertragungsraten und verbesserter Servicequalität geführt.

Da die Internetkonnektivität zu einem wesentlichen Bestandteil unseres privaten und beruflichen Lebens geworden ist, entwickeln Forscher, Wissenschaftler, Unternehmen und Regierungen Wege, um die Datenübertragung schneller und effizienter zu gestalten. Anfang dieses Jahres haben Wissenschaftler der University of Oxford im Vereinigten Königreich magnetische Wirbel in Membranen entwickelt, um Datenübertragungen mit Kilometern pro Sekunde zu ermöglichen. Dieser Fortschritt dürfte den Weg für eine neue Generation superschneller Rechenplattformen ebnen.

Laut Hariom Jani, der ein Postdoc am Department of Physics der University of Oxford macht:

„Siliziumbasierte Rechner sind für die nächste Generation von Rechenanwendungen, wie großflächige KI und autonome Geräte, viel zu energieineffizient.“ 

Forscher fertigten extrem dünne kristalline Hämatit‑Membranen, die vorteilhafte Eigenschaften sowohl von 2D‑ als auch von 3D‑Materialien kombinieren und leicht übertragbar sind. Diese flexiblen Membranen können in verschiedene Formen gebogen werden, ohne zu brechen, eine Eigenschaft, die genutzt wird, um magnetische Wirbel in 3D zu formen. Die Integration dieser Technologie dürfte zukünftige Computer wie das menschliche Gehirn arbeiten lassen.

Eine weitere interessante Entwicklung in diesem Bereich fand vor zwei Jahren statt, als Forscher der School of Engineering der University of Birmingham eine neue beam‑steering Antenne enthüllten, um die Effizienz der Datenübertragung zu steigern. Darüber hinaus eröffnet sie ein Frequenzspektrum für mobile Kommunikation, das mit derzeitigen Technologien nicht erreichbar war.

Ein bahnbrechender Prozessor

Derzeit werden die Daten in unseren Mobilgeräten in elektromagnetische Wellen umgewandelt, die weltweit zwischen den Nutzern hin‑ und herkommuniziert werden. Hier sind spektrale Prozessoren oder Filter dafür verantwortlich, die Daten über verschiedene Frequenzen zu transportieren. Die spektrale Verarbeitung zerlegt Audio in winzige, diskrete Einheiten, sodass sie sehr fein adressiert werden kann.

Ein anschauliches Beispiel dafür sind Ampeln, die für einen effizienten Verkehrsfluss in einer Stadt sorgen. Allerdings gibt es nur ein bestimmtes Verkehrsaufkommen, das die städtische Infrastruktur bewältigen kann. Steigt das Verkehrsvolumen weiter, entsteht ein Problem.

Jetzt: „Wir erreichen allmählich die maximale Datenmenge, die wir effizient bewegen können“, sagte Tabrizian. Er erklärte, dass planare Prozessoren, auf die die drahtlose Kommunikation traditionell angewiesen war, „nicht mehr praktikabel sind, da sie uns auf einen sehr begrenzten Frequenzbereich beschränken.“

In der Halbleiterindustrie ist „planar“ ein Fertigungsverfahren, bei dem einzelne Komponenten eines Transistors hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden. So werden Silizium‑integrierte Schaltkreise (ICs) gebaut. Ein integrierter Schaltkreis, auch Mikrochip genannt, ist ein kleines elektronisches Bauteil, das aus mehreren miteinander verbundenen elektronischen Bauteilen wie Transistoren, Widerständen und Kondensatoren besteht, die auf einem kleinen Stück Halbleitermaterial geätzt sind.

Halbleiter sind heute ein integraler Bestandteil unserer Welt, da sie die Technologie revolutioniert haben. Es handelt sich um Materialien mit einer Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Isolatoren. Sie werden für die Herstellung von Dioden, Transistoren und ICs wegen ihrer geringen Kosten, Energieeffizienz, Kompaktheit und Zuverlässigkeit verwendet. Halbleiter ermöglichen uns elektronische Geräte, von Radios und Computern bis hin zu medizinischen Diagnosegeräten und vielem mehr.

Mit den technologischen Fortschritten und dem Aufkommen von KI erfordert die stark steigende Nachfrage deutlich mehr Filter bei verschiedenen Frequenzen, um Daten zu transportieren. Tabrizian sagte:

„Stellen Sie sich das vor wie Lichter auf der Straße und in der Luft. Es wird ein Chaos. Ein Chip, der nur für eine Frequenz hergestellt wird, ergibt keinen Sinn mehr.“ 

Tabrizian und sein Team am Herbert Wertheim College of Engineering nutzten den CMOS‑Fertigungsprozess, um den dreidimensionalen nanomechanischen Resonator zu bauen. CMOS oder Complementary Metal Oxide Semiconductor umfasst NMOS‑Transistoren mit N++‑Regionen an Source‑ und Drain‑Terminalen sowie einem p‑Typ‑Substrat und PMOS‑Transistoren mit zwei P++‑Regionen und einem n‑Typ‑Substrat. CMOS wird wegen seiner geringen Leistungsdissipation und niedrigen Betriebströme eingesetzt.

Letzten Monat haben wir in unserem “Computing at the Speed of Light with Silicon-Photonics“-Artikel darauf hingewiesen, dass Forscher der University of Pennsylvania einen Chip entwickelt haben, der Lichtwellen anstelle von Elektrizität nutzt, um die komplexen Berechnungen durchzuführen, die zum Training von KI erforderlich sind. 

Dieser neue Chip kann eine viel schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeit ermöglichen und gleichzeitig den Energieverbrauch von Geräten reduzieren, was den Weg für die nächste Generation der KI‑Entwicklung ebnet. Dies zeigt den wachsenden Einfluss und die Nachfrage nach KI, wodurch alle aufmerksam werden und daran arbeiten, sie noch besser zu machen.

Zurück zu 3D‑Prozessoren: Sie können eine verbesserte Leistung bei geringerem Platzbedarf liefern. Sie besitzen zudem unbegrenzte Skalierbarkeit, was sie extrem leistungsfähig macht, um wachsende Anforderungen zu bewältigen. Dazu sagte Tabrizian:

„Durch die Nutzung der Stärken von Halbleitertechnologien in Integration, Routing und Packaging können wir verschiedene frequenzabhängige Prozessoren auf demselben Chip integrieren. Das ist ein riesiger Vorteil.“

Durch die Integration verschiedener Frequenzen auf einem einzigen Chip ist dieser neue Typ spektraler Prozessor „wirklich ein Game‑Changer“, sagte David Arnold, Associate Chair for Faculty Affairs an der Department of Electrical and Computer Engineering der Florida University. Dieser „neue Ansatz für Multi‑Band, frequenzagile Funk‑Chipsätze“, bemerkte Arnold, löst ein großes Fertigungsproblem und ermöglicht es Designern, „ganz neue Kommunikationsstrategien in einer zunehmend überlasteten Funkwelt zu imaginieren.“ 

Diese Innovation ist das Ergebnis von fünf Jahren Arbeit. Das Forscherteam, zu dem Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski und Tabrizian gehören, begann 2019 mit der Arbeit an diesem neuen Prozessoransatz. 

Die Studie erhielt Fördermittel von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Eine Forschungsagentur des US‑Verteidigungsministeriums (DOD), die in aufkommende Technologien für die nationale Sicherheit des Militärs investiert und diese entwickelt. Arnold erklärte:

„Einfach ausgedrückt, werden unsere drahtlosen Geräte besser, schneller und sicherer funktionieren.“ 

Unternehmen 

Betrachten wir nun die Unternehmen, die von dieser Forschung profitieren können:

#1. NVIDIA Corporation 

Der in Kalifornien ansässige Chip‑Hersteller ist bekannt für seine Grafikprozessoren (GPUs). NVIDIAs Technologie wird in Rechenzentren und KI‑Anwendungen eingesetzt, die von Verbesserungen bei der Datenübertragungseffizienz profitieren können. Auf die Frage, wie viele weitere Chip‑Fabriken (oder Halbleiter‑Fabs, kurz für Fertigung) nötig seien, um das Wachstum der KI‑Industrie zu unterstützen, sagte Nvidia (NVDA ) ‑CEO Jensen Huang:

„Wir werden mehr Fabs benötigen.“

Allerdings verbessern sie auch Algorithmen und die KI‑Verarbeitung enorm.

Mit einer Marktkapitalisierung von 2,188 Billionen $, handeln die Aktien des Unternehmens bei 869 $, ein Anstieg von 76,75 % im Jahresverlauf (YTD). Das Unternehmen hat einen Umsatz (TTM) von 60,9 Mrd. $ und ein EPS (TTM) von 11,93, ein KGV (TTM) von 73,38 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 91,46 %. Das Unternehmen zahlt zudem eine Dividende von 0,02 %. In der Gewinnkonferenz im Februar sprach CEO Huang über Kooperationen mit Unternehmen aus den Bereichen Gesundheitswesen, Biologie, Finanzdienstleistungen, Robotik und autonome Fahrzeuge sowie über KI‑ und LLM‑Entwickler.

#2. Intel Corporation 

Ein weiteres führendes Unternehmen in der Halbleiterindustrie, Intel (INTC ), könnte ebenfalls von Fortschritten in der Prozessor‑Technologie profitieren. Das Unternehmen hofft derzeit, 3,5 Mrd. $ über einen Zeitraum von drei Jahren von der US‑Regierung zu erhalten, um fortschrittliche Halbleiter für militärische Programme des Landes herzustellen.

Intel pflegt bereits langjährige Beziehungen zum DOD und zum Department of Energy (DOE), die die Produktion von Prototyp‑Multi‑Die‑Chips und Prozessoren im Kern des DOE‑Supercomputers Aurora umfassten.

Mit einer Marktkapitalisierung von 187,42 Mrd. $, handeln die Aktien des Unternehmens bei 44,33 $, ein Rückgang von 12,44 % YTD. Das Unternehmen hat einen Umsatz (TTM) von 54,22 Mrd. $ und ein EPS (TTM) von 0,38, ein KGV (TTM) von 116,92 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 1,63 %. Das Unternehmen zahlt zudem eine Dividende von 1,13 %.

#3. Samsung Electronics

Der südkoreanische Technologieriese Samsung produziert eine Reihe von Komponenten für drahtlose Kommunikationsgeräte und hat eine Marktkapitalisierung von 368,9 Mrd. $. Die Aktien des Unternehmens handeln bei 1 375, ein Rückgang von 8,28 % YTD.

Laut den Ergebnissen des Unternehmens für das Geschäftsjahr 2023 erzielte Samsung einen Jahresumsatz von 258,94 Billionen KRW (über 197 Mrd. $) und einen Betriebsgewinn von 6,57 Billionen KRW (5 Mrd. $).

Fazit 

Wie oben erläutert, steigt der Bedarf an schnelleren Datenübertragungen täglich, insbesondere da KI hier ist und sich wie verrückt weiterentwickelt. In einem solchen Umfeld ist es wichtig, dass die Forschung weiterhin Verbesserungen bei der Datenübertragung einführt, damit wir ein bereichernderes Erlebnis haben.