Uudet oivallukset fononiikasta voivat määritellä uudelleen seuraavan sukupolven viestintälaitteet

Kun internet on levittänyt siipensä maailmanlaajuisesti, jotkut saattavat tuntea, että päivät, jolloin viestintä kukoisti, ovat ohi. Jotkut saattavat jopa ajatella, ettei alalla ole enää mitään saavutettavaa viestintälaitteiden, -ratkaisujen ja -palveluiden osalta. 

On totta, että jos arvioimme alaa vain sen arvioidun kasvuprosentin perusteella, se vaikuttaisi vähäiseltä. Mutta se johtuu vain siitä, että perusmarkkinakoko, jonka perusteella laskemme kasvua, on poikkeuksellisen suuri. Ennusteiden mukaan globaali viestintäpalvelumarkkina kasvaa US$1.5 trillion to US$1.6 trillion vuosina 2024–2028. 

Kasvu monitriljoonan dollarin markkinoilla voidaan saavuttaa vain jatkuvasti tapahtuvilla läpimurtainnovaatioilla tällä alalla. Yksi tällainen ratkaisu hyödyntää fononiikkaa luodakseen pienempiä, tehokkaampia viestintälaitteita. Alla käsittelemme tätä innovaatiota, joka on peräisin Arizonan yliopiston, Wyant College of Optical Sciencesin ja Sandian kansallisen laboratoriotutkimuksen tekijöiltä. 

Seuraava vallankumous langattomassa viestinnässä hyödyntäen fononiikkaa

Ennen kuin keskustelemme innovaatiosta ja sen yksityiskohdista tarkemmin, yritetään ymmärtää fononiikkaa. tieteellinen yhteisö määrittelee fononiikan seuraavasti: “nouseva ala, joka pyrkii selventämään sisäisen mekaanisen liikkeen luonnetta sekä perinteisissä että keinotekoisesti rakennetussa materiaalissa ja käyttämään tätä tietoa laajentaakseen fyysisen vasteen rajoja joko materiaalitasolla, rakenteen/laitteen tasolla tai molemmilla.” 

Vaikka ydintieteellinen määritelmä saattaa kuulostaa vaikealta ymmärtää, analogia fotoniikkaan tekee sen helpommaksi. Fotoniikka hyödyntää fotoneja edistääkseen optisen teknologian kehitystä. Samoin fononiikka hyödyntää fononeja, fyysisiä hiukkasia, jotka siirtävät mekaanisia värähtelyjä materiaalin läpi lähes kuulemattomalla korkealla taajuudella. 

Käsittelemässämme tutkimuksessa tutkijat pystyivät sekoittamaan erittäin erikoistuneita puolijohde- ja piezoelektrisiä materiaaleja tuottaakseen valtavia epälineaarisia vuorovaikutuksia fononien välillä. Tämän jälkeen he asensivat fononivahvistimia – samasta materiaalista valmistettuja – luodakseen tehokkaampia, voimakkaampia ja pienempiä langattomia laitteita, kuten älypuhelimia ja datansiirttimiä. 

Tutkimuksen vanhimman kirjoittajan, Matt Eichenfieldin, mukaan, joka toimii yhteistehtävissä Arizonan College of Optical Sciencesissa ja Sandian kansallisessa laboratoriossa Albuquerque, New Mexicossa:

“Useimmat ihmiset todennäköisesti yllättyisivät kuullessaan, että heidän matkapuhelimessaan on noin 30 suodatinta, joiden ainoa tehtävä on muuntaa radiotaajuuksia äänitaajuuksiksi ja takaisin.”

Nyt, kun paljon pienemmät fononiikkamateriaalit otetaan käyttöön, olisi mahdollista vähentää näiden suodattimien tarvetta, sillä yksi fononisäde voi muuttaa toisen säteen taajuutta. 

Tämä saavutus on linjassa tutkijoiden vision kanssa tuottaa kaikki radiotaajuus-signalinkäsittelyyn tarvittavat komponentit akustisista aaltoteknologioista transistoripohjaisten elektroniikkalaitteiden sijaan. Tuloksena kaikki olisi sijoitettu yhteen siruun, yhteensopivana tavallisten mikroprosessoreiden valmistustavan kanssa. 

Kuvaten tarkemmin innovaation mahdollisia vaikutuksia, Eichenfield sanoi:

“Nyt voit osoittaa jokaisen komponentin radiotaajuus-eteenprosessorin kaaviossa ja sanoa: ‘Joo, voin tehdä kaikki nämä yhteen siruun akustisten aaltojen avulla. Olemme valmiita siirtymään koko kokonaisuuden tekemiseen akustisessa ympäristössä.'”

Yhden sirun saaminen ja kaiken sen sisälle sovittaminen voisi kutistaa viestintälaitteet ja -välineet sadankertaisesti, arvioi Eichenfield. 

Vastaava tutkimus toteutettiin viime vuonna Michiganin yliopiston tutkijaryhmän toimesta, jossa he kehittivät uudenlaisen uudelleenkonfiguroitavan transistorin käyttäen ferroelectric-puolijohdetta nanoskaalaisessa paksuudessa. 

Ferroelectric High Electron Mobility Transistor (FeHEMT) viestintälaitteiden kutistamiseksi älypuhelimissa

FeHEMT:n tärkein ominaisuus, joka tekee siitä paremman kuin HEMT:t, on se, että se voi ylläpitää sähköistä polarisaatiota, samankaltaista kuin magnetismin sähköinen versio. Lisäämällä käyttäytymisjoustavuutta transistoriin, nämä puolijohteet voivat vaihtaa positiivisen ja negatiivisen puolen välillä. 

Koska FeHEMT on uudelleenkonfiguroitavissa, se voi toimia useina laitteina. Yksi vahvistin voi korvata useita vahvistimia, jokainen valmiina dynaamiseen ohjaukseen. Tämä ominaisuus mahdollistaa tutkijoille laitteen piirikoon pienentämisen sekä kustannusten ja energiankulutuksen vähentämisen. 

The siirtyminen FeHEMT:stä HEMT:iin sisälsi syvällisiä tieteellisiä tutkimuksia ja monia kokeita, testejä ja kokeiluja. Puolijohde valmistettiin alumiini-nitridistä, johon oli lisätty skandiumia. Ensimmäiseksi nitriittipohjaiseksi ferroelectric-puolijohteeksi se mahdollisti saumattoman integroinnin seuraavan sukupolven puolijohteeseen, gallium-nitridiin. Tuloste saattoi saavuttaa nopeuksia jopa 100 kertaa nopeammin kuin pii. Se ei ollut vain nopea, vaan myös erittäin tehokas ja edullinen. 

Ping Wang, sähkö- ja tietokoneinsinöörin tutkimusvetäjä ja myös tutkimuksen yhteisvastuullinen tekijä, sanoi:

“Lisäämällä ferroelectriciteettia HEMT:iin, voimme tehdä kytkennästä terävämmän. Tämä voisi mahdollistaa paljon alhaisempi energian kulutus lisäksi korkean vahvistuksen, mikä tekee laitteista paljon tehokkaampia.”

Toisessa tapauksessa, jossa rakennettiin tarkkaa viestintälaitteistoa mullistavalla potentiaalilla, Michiganin yliopiston sähkö- ja tietokoneinsinöörien tutkijaryhmä pystyi rakentamaan ensimmäisen millimetrimittakaavan lähettimen ja antennin, joka pystyi ‘puhua Bluetooth Low Energy -tekniikalla vaivattomasti.‘

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten mikrometriset fotovoltaisot solut voivat raivata tietä laitteiden miniaturisaatiolle.

Ensimmäisen millimetrimittakaavan lähettimen ja antennin rakentaminen

Professori David Wentzloff johti tiimiä ja tutkimusta, jotka lopulta loivat ensimmäisen millimetrimittakaavan laitteen, joka pystyi tarkasti viestimään Bluetooth Low Energy -tekniikalla. Lähetin ja antenni kuluttivat yhteensä vain 606 mikrowattia, eli 0,6 milliwattia, lähetyksen aikana. Järjestelmä saavutti tämän mittakaavan tekemällä vahvistimesta tarpeettoman tai redundanssin luomalla ainutlaatuisen yhdistelmän oskillaattoria ja antennia. 

Selittäessään keksinnön potentiaalia, professori Wentzloff sanoi: 

“Olen innoissani tulevista tutkimussuunnista, jotka avautuvat poistamalla langattoman yhteyden esteen!”

Tämä saavutus luo uusia mahdollisuuksia IoT-alueella ja merkittävästi parantaa sen omaksumiskykyä. 

Keksintö oli myös ratkaiseva yliopiston lippulaivainnovaatiossa, Michigan Micro Mote (M3), maailman ensimmäisessä millimetrimittakaavan tietokoneessa. Kun tällainen lähetin sisällytetään M3:een, viestintä tavallisen älypuhelimen kanssa tulee tehokkaammaksi. 

Selittäessään sen käyttökelpoisuutta, Wentzloff sanoi: 

“Tämä radio lisää ensimmäisen standardin mukaisen viestinnän M3-pinoon. Tämä mahdollistaa M3-laitteiden nopeamman käyttöönoton ja helpomman sensoridatan siirtämisen pilveen yhdistämällä suoraan älypuhelimeen.”

Tämä loistava tutkimus mullistaa seuraavan sukupolven viestintästandardit. Globaalit yritykset investoivat tutkimukseen ja resursseihin tehdäkseen viestintälaitteista valmiita tulevaisuutta varten. Nämä yritykset voivat hyötyä merkittävästi näistä tutkimuksista ja kokeiluista. Alla olevissa osioissa käsittelemme muutamia tällaisia yrityksiä. 

#1. Nokia

Nokia tarjoaa laajan valikoiman viestintälaitteita. Kun puhutaan poikkeuksellisesta tilan optimoinnista, yksi erottuva tuotealue on AirScale Small Cells. 

Nokialla on alan laajin pienois-solujen valikoima, jossa radiot on optimoitu tukemaan mobiiliverkko-operaattoreita ja yrityksiä kaikissa käyttöönotto-tilanteissa. Myös tunnettu nimellä AirScale Shikra -radiot, ne tulevat millimetriaalto- ja pico-radion muodossa sisäisiin ratkaisuihin.  

Shikra-radiot ovat pieniä ja helppoja asentaa joko itsenäisesti tai yhdistettynä, ja niiden pienois-soluihin optimoidut baseband-yksiköt auttavat nopeuttamaan verkon käyttöönottoa. Tiiviin rakenteensa ansiosta mmWave-radiot ovat käyttövalmiita monenlaisissa paikoissa, mukaan lukien tiheät kaupunkialueet, ostoskeskukset, urheiluhallit ja muut suuret julkiset tilat, joissa äärimmäinen kapasiteetti on keskeinen vaatimus. 

Pico-radiot ovat sisäisiä ratkaisuja, jotka palvelevat erilaisia yrityskäyttötapauksia, tukevat useita radiopääsytapoja ja joustavia verkkoasennuksia. Nokia tarjoaa myös kaikki-yhdessä pienois-soluratkaisuja, jotka eivät vaadi erillistä baseband-yksikköä ja mahdollistavat yksinkertaisen plug-and-play-asennuksen sekä käyttöönoton joustavuuden sekä sisätiloissa että ulkona. 

Vuodelle 2023, Nokia ilmoitti vuotuisen liikevaihdon EUR 22,258 miljardia, merkittävä lasku edellisvuoden EUR 24,91 miljardiin verrattuna. Myös liiketulos laski EUR 2,375 miljardiin EUR 3,109 miljardista FY 23 ja FY 22 välillä. 

#2. Motorola Solutions

Motorola on ollut edelläkävijä futurististen, hienostuneiden ja huippuluokan viestintälaitteiden esittelemisessä maailmalle. Yksi laite, joka voi erityisesti hyötyä tästä tutkimuksesta ja viedä rajoja pidemmälle, on Motorolan TLK 25 -kannettava viestintälaite. Se painaa vain 73 grammaa ja sen mitat ovat 3,2×1,9×0,7. 

Sen ytimessä TLK 25 on kannettava WAVE PTX -laite, joka ylittää kävely-puhelinkeittimen push-to-talk -ominaisuudet. Nämä laitteet ovat kompakteja, kestäviä ja varustettu intuitiivisella ääniohjaimella. Laitteessa on Wi‑Fi-yhteys ja se käyttää myös kansallista LTE:tä, kun Wi‑Fi ei ole saatavilla. Intuitiivinen ääniohjain mahdollistaa kädenvapaiden pääsyn viestintään, laitteen asetuksiin, turvallisuusominaisuuksiin, tiloihin, ilmoituksiin ja hälytyksiin. 

Motorolan TLK 25 -tuotevalikoima kukoistaa niiden kompaktisuuden ja ominaisuuksien tiiviyden ansiosta. Nämä laitteet hyötyvät valtavasti tutkimuksesta ja lähetysratkaisuista, jotka tekevät niistä sulavampia ja tehokkaampia. 

Vuoden 2023 neljännessä neljänneksessä, Motorola Solutions ilmoitti (MSI ) nettomyynnin US$2,85 miljardia, kun vuoden 2023 kokonaistulot olivat lähes US$10 miljardia. Vuoden 2023 liiketulos kasvoi US$2,784 miljardiin US$2,368 miljardista vuonna 2022. 

Viestintälaitteiden rooli nykyaikaisessa maailmassamme

Olisi vaikeaa ihmiskunnan selviytyä ilman toimivia ja tehokkaita viestintämenetelmiä ja -välineitä. Seuraavan sukupolven viestintälaitteiden on kehitettävä monia ominaisuuksia ollakseen paremmin valmiita tulevaisuuden omaksumiseen. 

Nämä laitteet, esimerkiksi, täytyy olla valmiita kestämään ankarimpia olosuhteita. Ne tulevat olla riittävän tehokkaita sisällyttämään kaikki tähän mennessä saavutetut innovaatiot, erityisesti äänen, videon ja datavirtojen samanaikaisen käsittelyn.

Tarjoten kaikki nämä palvelut, laitteiden ei tule vaarantaa eheyttään. Kehittyneiden turvallisuusjärjestelmien, jotka hyödyntävät vastuullisesti rakennettua AI-analytiikkaa, avulla tämä ei enää ole haaste. 

Kuitenkin kaikkien näiden ominaisuuksien ja piirteiden ei tule johtaa laitteeseen, joka vie paljon tilaa, kuumenee nopeasti tai on kallista valmistaa. 

Seuraavan sukupolven viestintälaitteet kehittyvät ottaen nämä näkökohdat huomioon. Jo uusia teknologiaparadigmoja on ilmestynyt, jotka nopeuttavat tätä kehitystä. Esimerkiksi keskustellaan paljon Visible Light Communication (VLC)/Li‑Fi -teknologioista, joissa tiedonsiirto tapahtuu valon avulla radiotaajuuksien sijaan, korkeilla nopeuksilla pienillä intensiteetin säätöillä. 

Nämä ratkaisut tarjoavat erittäin korkean nopeuden, ylittäen perinteisten viestintäjärjestelmien kaistanleveyden. Koska ne ylittävät perinteisen tilan, voidaan saavuttaa parannettuja turvallisuus- ja luotettavuusstandardeja. Tutkijat uskovat, että tällaiset ratkaisut olisivat täydellisiä sotilaskäyttöön.

Tietonsiirto-laitteiston lisäksi on saavutettu paljon edistystä anturiteknologioiden alalla. Nämä teknologiat auttavat päivittämään olemassa olevaa IoT- ja automaatiotukea infrastruktuuria. 

ASSIA Inc.:n esittämien tietojen mukaan PC/puhelimen lähetysliikenteen kasvu maaliskuun 2024 alusta on Yhdysvalloissa jopa 80 %. Maailma on tullut paljon virtuaalisemmaksi kuin ennen COVID-19-pandemiaa. Web‑kamerat, PC:t ja kannettavat tietokoneet suorittavat videovirtoja jatkuvasti. Terveyspalveluiden, koulutuksen ja muiden hätäpalveluiden toimitus on muuttunut paljon virtuaalisemmaksi. Näiden tilanteiden käsittely vaatii paljon tilaa säästävämpiä ja tehokkaampia laitteita. Niiden on myös oltava 5G‑valmiita. 

Organisaatioiden ja yritysten on jatkettava resurssien ja tutkimuksen investoimista seuraavan sukupolven viestinnän tehostamiseksi ja kustannustehokkuuden parantamiseksi.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten edistynyt fotoniikka voi auttaa rakentamaan paremman älypuhelimen.