Más pequeños, más rápidos, mejores: procesadores 3D para sustentar las necesidades de transferencia de datos del mañana

Los investigadores de la Universidad de Florida están listos para transformar la comunicación inalámbrica con una nueva tecnología de semiconductores para la fabricación de procesadores, mejorando significativamente la eficiencia de la transferencia de datos a nivel global. Publicado en la revista Nature Electronics, esta innovación llega en un momento en que la demanda de transferencia de datos de alta velocidad está aumentando drásticamente. 

Ya, la expansión de Internet, con el número de usuarios de Internet aumentando significativamente y el tráfico global de Internet incrementándose varias veces, ha provocado que la demanda de centros de datos y transmisión de datos crezca a un ritmo extremadamente rápido.

Además, en los últimos años, Inteligencia Artificial (IA) ha impulsado aún más este aumento. La industria multimillonaria de la IA está cambiando nuestras vidas y creciendo a un ritmo rápido. Se está utilizando en todo, desde la educación, el arte y el entretenimiento hasta la salud, los automóviles y mucho más. 

Las aplicaciones de IA requieren una considerable potencia computacional para procesar y analizar enormes cantidades de datos, lo que impulsa la necesidad de hardware más potente y eficiente en los centros de datos. 

Además, hay una creciente demanda de transferencia de datos de alta velocidad dentro de los centros de datos y a través de redes, ya que los sistemas de IA a menudo dependen de grandes conjuntos de datos para el entrenamiento y el aprendizaje continuo. Y cuanto más complejos son estos sistemas de IA, mayor es la necesidad de mayor ancho de banda de red y mejoras en conmutadores, enrutadores y cables de fibra óptica de mayor capacidad para garantizar un movimiento eficiente de los datos.

El reciente auge de las aplicaciones de IA generativa, en particular, está llevando la IA a áreas nuevas e interesantes. A medida que se vuelven comunes, exigen procesamiento de datos en tiempo real para proporcionar una respuesta rápida y puntual. Por lo tanto, la infraestructura de datos actual necesita una revisión completa para satisfacer las crecientes demandas de la IA.

Así, en este contexto, los científicos han logrado pasar de procesadores planos a procesadores tridimensionales (3D). 

Hace menos de un mes, investigadores de la Universidad de Stuttgart, Alemania, junto con varias empresas, lograron \”Imágenes de circuitos en tres dimensiones\”. Según el estudio, los investigadores añadieron una placa de diamante con centros de vacantes de nitrógeno (NV) al área del circuito a estudiar. Luego colocaron todo el conjunto en un microscopio de fluorescencia de campo amplio, y los campos magnéticos generados afectaron los espines de los centros NV, los cuales fueron medidos mediante resonancia magnética detectada ópticamente. Fue capaz de detectar corrientes tan débiles como 10 μA μm−2 con una resolución espacial submicrométrica.

Así, ahora, el uso de la tecnología de semiconductores para impulsar la comunicación inalámbrica a una nueva dimensión está ayudando a inaugurar una nueva era de eficiencia en la transmisión de datos. La innovación fue creada por el equipo de Roozbeh Tabrizian, Ph.D., quien es profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computación de la Universidad de Florida.

El procesador 3D, según Tabrizian, marca un momento monumental en la evolución de la comunicación inalámbrica a medida que nos volvemos progresivamente dependientes del intercambio de datos en tiempo real. Él dijo:

“La capacidad de transmitir datos de manera más eficiente y fiable abrirá puertas a nuevas posibilidades, impulsando avances en áreas como ciudades inteligentes, atención médica remota y realidad aumentada.” 

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Evolución de la Comunicación Inalámbrica 

La transmisión de información de un emisor a un receptor sin ninguna conexión cableada se logró por primera vez a finales del siglo XIX cuando Heinrich Hertz demostró la transmisión de ondas electromagnéticas a través del espacio en la década de 1880. La unidad de frecuencia fue nombrada ‘hertz’ en su honor. Luego, muchos años después, Guglielmo Marconi transmitió señales a largas distancias usando ondas de radio en 1895. No fue hasta varias décadas más tarde, en la década de 1970, que se desarrolló el precursor de los teléfonos móviles modernos.

Así, cuando se trata de comunicación inalámbrica, se trata de la transmisión de información a distancia sin la ayuda de ningún tipo de conductor eléctrico como cables y alambres. Esta forma de comunicación consiste en conectar y comunicarse entre dos o más dispositivos usando una señal inalámbrica a través de dispositivos y tecnologías inalámbricas. Algunas formas de esta red de comunicación incluyen móvil, Bluetooth, radio de difusión, Wi‑Fi y comunicación por infrarrojos.

Esta forma de comunicación generalmente implica la transferencia de datos usando ondas electromagnéticas. Este mecanismo lleva señales desde unos pocos metros, como el control remoto de un televisor, hasta mil kilómetros, como la comunicación satelital. No hay un modo físico de comunicación aquí. 

Mientras tanto, las ondas electromagnéticas incluyen luz visible, rayos gamma, rayos X, rayos ultravioleta, rayos infrarrojos, ondas de radio y microondas, que transmiten la señal.

La comunicación inalámbrica ofrece varias ventajas, siendo la principal la flexibilidad y conveniencia. Esta forma de comunicación permite a las personas comunicarse sin importar su ubicación. Esta flexibilidad permite a las personas llevar sus dispositivos a cualquier lugar, sin necesidad de una conexión física, lo que nos permite conectar con cualquiera, en cualquier lugar, en cualquier momento.

Debido a que este método no implica el uso de cables de conexión, cables de red o la instalación de una infraestructura física elaborada, las conexiones inalámbricas son más efectivas que sus contrapartes cableadas.

También se observan mejoras en términos de velocidad y precisión aquí. Además, la tecnología inalámbrica ofrece mejor accesibilidad, especialmente en áreas remotas donde desplegar líneas terrestres es una tarea difícil y compleja. Esta fácil accesibilidad ofrece conectividad constante, permitiendo a las personas responder a emergencias de manera relativamente rápida.

Dado los numerosos beneficios de la comunicación inalámbrica, la tecnología inalámbrica ha evolucionado rápidamente para satisfacer los crecientes requisitos de los usuarios. Los avances tecnológicos han llevado a mayores tasas de transmisión de datos y a una mejor calidad de los servicios.

A medida que la conectividad a Internet se vuelve una parte esencial de nuestras vidas personales y profesionales, investigadores, científicos, empresas y gobiernos han estado desarrollando e invirtiendo en formas de hacer la transferencia de datos más rápida y eficiente. A principios de este año, científicos de la Universidad de Oxford en el Reino Unido desarrollaron remolinos magnéticos en membranas para permitir la transferencia de datos a kilómetros por segundo. Se espera que este avance abra el camino a una nueva generación de plataformas de computación ultrarrápidas.

Según Hariom Jani, quien está realizando un postdoctorado en el Departamento de Física de la Universidad de Oxford:

“La computación basada en silicio es mucho demasiado ineficiente energéticamente para la próxima generación de aplicaciones informáticas como IA a gran escala y dispositivos autónomos.” 

Los investigadores fabricaron membranas de hematita cristalina extremadamente delgadas, que combinan cualidades ventajosas tanto de materiales 2D como 3D y son fácilmente transferibles. Estas membranas flexibles pueden torcerse en diferentes formas sin romperse, una cualidad utilizada para dar forma a remolinos magnéticos en 3D. Se espera que la integración con esta tecnología permita que los futuros ordenadores funcionen como el cerebro humano.

Otro desarrollo interesante en el campo tuvo lugar hace dos años cuando investigadores de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Birmingham revelaron una nueva antena de direccionamiento de haz para mejorar la eficiencia de la transmisión de datos. Además, abre un rango de frecuencias para las comunicaciones móviles que han sido inaccesibles para las tecnologías actualmente usadas.

Un Procesador Revolucionario

En la actualidad, los datos en nuestros dispositivos móviles se convierten en ondas electromagnéticas que se comunican de ida y vuelta entre usuarios de todo el mundo. Aquí, los procesadores o filtros espectrales son responsables de mover los datos a través de diferentes frecuencias. El procesamiento espectral divide el audio en unidades diminutas y discretas, permitiendo enfocarlo a un nivel muy fino.

Una forma de entender esto es mediante los semáforos, que garantizan un flujo eficiente del tráfico a través de una ciudad. Sin embargo, solo hay un cierto nivel de tráfico que la infraestructura de una ciudad puede manejar. Si el volumen de autos sigue aumentando, se creará un problema.

Ahora, “estamos empezando a alcanzar la cantidad máxima de datos que podemos mover eficientemente,” declaró Tabrizian. Explicó que los procesadores planos, en los que tradicionalmente se ha basado la comunicación inalámbrica, “ya no son prácticos ya que nos limitan a un rango muy limitado de frecuencias.”

En la industria de semiconductores, planar es un proceso de fabricación utilizado para construir componentes individuales de un transistor y luego conectarlos entre sí. Es así como se construyen los chips de circuitos integrados de silicio. Un circuito integrado (IC), también conocido como microchip, es un pequeño dispositivo electrónico compuesto por múltiples componentes electrónicos interconectados como transistores, resistores y condensadores grabados en una pequeña pieza de semiconductor.

Los semiconductores son una parte integral de nuestro mundo hoy en día, ya que son los que han ayudado a revolucionar la tecnología. Son materiales con conductividad intermedia entre conductores e aislantes. Se utilizan en la fabricación de diodos, transistores y circuitos integrados por su bajo costo, eficiencia energética, compacidad y fiabilidad. Son los semiconductores los que nos proporcionan dispositivos electrónicos, desde radios y computadoras hasta equipos de diagnóstico médico y mucho más. 

Ahora, con los avances tecnológicos y la llegada de la IA, el aumento sustancial de la demanda requiere considerablemente más filtros en varias frecuencias para mover los datos. Tabrizian dijo:

“Piénsalo como luces en la carretera y en el aire. Se vuelve un caos. Un chip fabricado solo para una frecuencia ya no tiene sentido.”

Tabrizian y su equipo en el Herbert Wertheim College of Engineering utilizaron el proceso de fabricación de tecnología CMOS para construir el resonador nanomecánico tridimensional. CMOS o Semiconductor Complementario de Óxido Metálico comprende transistores NMOS que tienen regiones N++ en los terminales de fuente y drenaje y un sustrato tipo p, y transistores PMOS que tienen dos regiones P++ y un sustrato tipo n. CMOS se usa por su bajo consumo de energía y bajas corrientes de operación.

El mes pasado, señalamos en nuestro “Computación a la velocidad de la luz con fotónica de silicio” que investigadores de la Universidad de Pensilvania desarrollaron un chip que utiliza ondas de luz en lugar de electricidad para realizar los complejos cálculos requeridos para entrenar IA.

Este nuevo chip puede facilitar una velocidad de procesamiento mucho más rápida mientras reduce el consumo de energía de los dispositivos, allanando el camino para la nueva generación de desarrollo de IA. Esto muestra el creciente impacto y la demanda de la IA, lo que lleva a todos a tomar nota y trabajar para mejorarla aún más.

Volviendo a los procesadores 3D, pueden ofrecer un rendimiento mejorado ocupando menos espacio. También tienen escalabilidad indefinida, lo que los hace extremadamente poderosos para acomodar demandas crecientes. Al respecto, Tabrizian dijo:

“Al aprovechar las fortalezas de las tecnologías de semiconductores en integración, enrutamiento y empaquetado, podemos integrar diferentes procesadores dependientes de frecuencia en el mismo chip. Eso es un gran beneficio.”

Al integrar diversas frecuencias en un solo chip, este nuevo tipo de procesador espectral es “realmente un cambio de juego,” dijo David Arnold, presidente asociado de asuntos docentes en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computación de la Universidad de Florida. Este “nuevo enfoque para chipsets de radio multibanda y ágil en frecuencia,” señaló Arnold, resuelve un gran desafío de fabricación mientras permite a los diseñadores “imaginar estrategias de comunicación completamente nuevas en un mundo inalámbrico cada vez más congestionado.” 

Esta innovación es el resultado de cinco años de trabajo. El equipo de investigadores, incluidos Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski y Tabrizian, comenzó a trabajar en este nuevo enfoque del procesador en 2019.

El estudio recibió financiación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). Una agencia de investigación del Departamento de Defensa de EE. UU. (DOD), DARPA invierte y desarrolla tecnologías emergentes para la seguridad nacional militar. Arnold declaró:

“En términos más simples, nuestros dispositivos inalámbricos funcionarán mejor, más rápido y con mayor seguridad.”

Empresas 

Ahora, echemos un vistazo a las empresas que pueden beneficiarse de esta investigación:

#1. NVIDIA Corporation 

El fabricante de chips con sede en California es conocido por sus unidades de procesamiento gráfico (GPU). La tecnología de NVIDIA (NVDA ) se utiliza en centros de datos y aplicaciones de IA, que pueden beneficiarse de las mejoras en la eficiencia de la transferencia de datos. Recientemente, al responder a una pregunta sobre cuántas fábricas de chips (o fábricas de semiconductores, abreviado fab) se necesitan para apoyar la expansión de la industria de IA, el CEO de Nvidia, Jensen Huang, dijo:

“Vamos a necesitar más fábricas.”

Sin embargo, también están mejorando los algoritmos y el procesamiento de IA de manera tremenda.

Con una capitalización de mercado de 2,188 billones de dólares, las acciones de la compañía se cotizan a 869 dólares, con un aumento del 76,75% en lo que va del año (YTD). La empresa tiene unos ingresos (TTM) de 60,9 mil millones de dólares y un EPS (TTM) de 11,93, P/E (TTM) de 73,38 y ROE (TTM) de 91,46%. La compañía también paga un dividendo del 0,02%. En la llamada de resultados de febrero, el CEO Huang habló sobre colaboraciones con empresas de salud, biología, servicios financieros, robótica y vehículos autónomos, así como con desarrolladores de IA y LLM.

#2. Intel Corporation 

Otra empresa líder en la industria de semiconductores, Intel (INTC ), también podría beneficiarse de los avances en la tecnología de procesadores. La corporación espera obtener una enorme suma de 3,5 mil millones de dólares, que se distribuirá a lo largo de tres años, en financiación del gobierno de EE. UU. para fabricar semiconductores avanzados para los programas militares de la nación.

Intel ya tiene relaciones de larga data con el DOD y el Departamento de Energía (DOE), que involucraron la producción de chips y procesadores multi-die prototipo en el núcleo del superordenador Aurora del DOE.

Con una capitalización de mercado de 187,42 mil millones de dólares, las acciones de la compañía se cotizan a 44,33 dólares, con una caída del 12,44% YTD. La empresa tiene unos ingresos (TTM) de 54,22 mil millones de dólares y un EPS (TTM) de 0,38, P/E (TTM) de 116,92 y ROE (TTM) de 1,63%. La compañía también paga un dividendo del 1,13%.

#3. Samsung Electronics

El gigante tecnológico de Corea del Sur, Samsung, produce una gama de componentes para dispositivos de comunicación inalámbrica y tiene una capitalización de mercado de 368,9 mil millones. Las acciones de la compañía se cotizan a 1.375, con una caída del 8,28% YTD.

Según los resultados de la compañía para el año fiscal 2023, Samsung reportó 258,94 billones de KRW (más de 197 mil millones de dólares) en ingresos anuales y 6,57 billones de KRW (5 mil millones de dólares) en beneficio operativo.

Conclusión 

Como discutimos anteriormente, la necesidad de una transferencia de datos más rápida sigue aumentando cada día, especialmente cuando la IA está aquí y avanza como una locura. En un entorno así, es importante que la investigación continúe introduciendo mejoras en la transmisión de datos, permitiéndonos tener una experiencia más enriquecedora.