Pienempi, Nopeampi, Parempi – 3D-prosessorit tukemaan huomisen tiedonsiirron tarpeita

University of Florida -tutkijat ovat valmiita mullistamaan langattoman viestinnän uudella puolijohdeteknologialla prosessoreiden valmistukseen, merkittävästi parantaen globaalin tiedonsiirron tehokkuutta. Julkaistu Nature Electronics -lehdessä, tämä innovaatio tulee aikaan, kun korkean nopeuden tiedonsiirron kysyntä kasvaa dramaattisesti. 

Jo nyt Internetin laajentuminen, jonka käyttäjämäärä on kasvanut merkittävästi ja maailmanlaajuinen Internet-liikenne on noussut useita kertoja, on aiheuttanut datakeskusten ja tiedonsiirron kysynnän kasvavan äärimmäisen nopeasti.

Lisäksi viimeisten vuosien aikana tekoäly (AI) on vienyt tämän kysynnän taivuttamaan. Monimiljardinen AI-teollisuus muuttaa elämäämme ja kasvaa nopeasti. Sitä käytetään kaikessa koulutuksesta, taiteesta ja viihteestä terveydenhuoltoon, autoihin ja paljon muuhun.

AI-sovellukset vaativat merkittävää laskentatehoa valtavien tietomäärien käsittelemiseen ja analysointiin, mikä lisää tarvetta tehokkaammalle ja energiatehokkaammalle laitteistolle datakeskuksissa.

Lisäksi datakeskusten sisällä ja verkkojen yli on kasvava tarve nopealle tiedonsiirrolle, koska AI-järjestelmät usein perustuvat suuriin tietoaineistoihin koulutuksessa ja jatkuvassa oppimisessa. Mitä monimutkaisempia nämä AI-järjestelmät ovat, sitä suurempi tarve on suuremmalle verkko‑kaistaleveydelle sekä parannuksille korkeamman kapasiteetin kytkimissä, reitittimissä ja kuituoptisissa kaapeleissa, jotta tiedonsiirto olisi tehokasta.

Viimeaikainen generatiivisen AI:n nousu vie AI:n uusille ja mielenkiintoisille alueille. Kun ne siirtyvät massamarkkinoille, ne vaativat reaaliaikaista tiedon käsittelyä nopean, paikan päällä tapahtuvan reagoinnin mahdollistamiseksi. Tämän vuoksi nykyinen tiedoinfrastruktuuri tarvitsee täydellisen uudistuksen vastatakseen kasvaviin AI-vaatimuksiin.

Näin ollen tutkijat ovat onnistuneesti siirtyneet tasomaisista (planaarisista) prosessoreista kolmiulotteisiin (3D) prosessoreihin.

Alle kuukausi sitten tutkijat Stuttgartsin yliopistosta, Saksasta, yhdessä monien yritysten kanssa, saavuttivat “Imaging circuits in three dimensions“. Tutkimuksen mukaan tutkijat lisäsivät timanttilevyn, jossa oli typpi‑tyhjiö (NV) -keskuksia, tutkittavan piirin alueelle. He asettivat koko asetelman laajakenttäisen fluoresenssimikroskoopin alle, ja syntyneet magneettikentät vaikuttivat NV‑keskusten spiniin, jotka mitattiin optisesti havaituilla magneettiresonaatioilla. Tämä mahdollisti virtojen havaitsemisen niin heikkoina kuin 10 μA μm−2 alhaisella mikrometrin alaisella tarkkuudella.

Nyt puolijohdeteknologian hyödyntäminen langattoman viestinnän viemiseksi uuteen ulottuvuuteen auttaa tuomaan uuden aikakauden tehokkuutta tiedonsiirrossa. Innovaatio on syntynyt Roozbeh Tabrizian, tohtorin, Florida-yliopiston sähkö‑ ja tietokonetekniikan laitoksen apulaisprofessorin, johdolla.

3D-prosessori, Tabrizianin mukaan, merkitsee merkittävää hetkeä langattoman viestinnän kehityksessä, kun tulemme yhä riippuvaisemmiksi reaaliaikaisesta tiedonvaihdosta. Hän sanoi:

“Kyky siirtää dataa tehokkaammin ja luotettavammin avaa ovia uusiin mahdollisuuksiin, edistäen kehitystä alueilla kuten älykkäät kaupungit, etäterveydenhuolto ja lisätty todellisuus.” 

Klikkaa tästä oppiaksesi, miksi vuosi 2023 oli läpimurto vuosi tekoälyssä.

Langattoman viestinnän evoluutio 

Tiedon siirto lähettäjältä vastaanottajalle ilman johtoja saavutettiin ensimmäisen kerran 1800‑luvun lopulla, kun Heinrich Hertz osoitti sähkömagneettisten aaltojen siirron avaruudessa 1880‑luvun aikana. Hänen kunniakseen taajuusyksikkö nimettiin hertseksi. Vuosikymmeniä myöhemmin Guglielmo Marconi siirsi signaaleja pitkiä matkoja radioaaltojen avulla vuonna 1895. Vasta 1970‑luvun aikana kehitettiin modernin matkapuhelimen edeltäjä.

Kun puhutaan langattomasta viestinnästä, kyse on tiedon siirtämisestä etäisyyden yli ilman sähköjohtojen tai kaapeleiden apua. Tämä viestintämuoto yhdistää ja mahdollistaa kommunikoinnin kahden tai useamman laitteen välillä käyttäen langatonta signaalia langattomien laitteiden ja teknologioiden kautta. Tähän verkkoon kuuluvat esimerkiksi mobiili, Bluetooth, broadcast‑radio, Wi‑Fi ja infrapuna‑viestintä.

Tämä viestintämuoto käyttää yleensä tiedonsiirtoon sähkömagneettisia aaltoja. Mekanismi kuljettaa signaaleja muutamasta metristä, kuten TV‑kaukosäätimestä, tuhansiin kilometreihin, kuten satelliittiviestintään. Tässä ei ole fyysistä viestintämenetelmää.

Sähkömagneettiset aallot sisältävät näkyvän valon, gammasäteet, röntgensäteet, ultraviolettisäteet, infrapunasäteet, radiotaajuudet ja mikrosäteilyn, jotka välittävät signaalin.

Langaton viestintä tarjoaa useita etuja, joista tärkein on joustavuus ja kätevyys. Tämä viestintämuoto mahdollistaa ihmisten kommunikoida sijainnista riippumatta. Joustavuus sallii laitteiden kuljettamisen minne tahansa ilman fyysistä yhteyttä, jolloin voimme olla yhteydessä kehen tahansa, missä tahansa, milloin tahansa.

Koska tämä menetelmä ei sisällä johtojen, verkkokaapelien tai monimutkaisen fyysisen infrastruktuurin käyttöä, langattomat yhteydet ovat tehokkaampia kuin niiden johdotetut vastineet.

Parannuksia havaitaan myös nopeuden ja tarkkuuden osalta. Lisäksi langaton teknologia tarjoaa paremman saavutettavuuden, erityisesti syrjäisillä alueilla, joilla maakaapeleiden asentaminen on vaikeaa ja monimutkaista. Tämä helppo saavutettavuus takaa jatkuvan yhteyden, jolloin ihmiset voivat reagoida hätätilanteisiin melko nopeasti.

Ottaen huomioon langattoman viestinnän monia etuja, langaton teknologia on kehittynyt nopeasti vastatakseen kasvaviin käyttäjävaatimuksiin. Teknologian edistysaskeleet ovat johtaneet korkeampiin tiedonsiirtonopeuksiin ja parantuneeseen palvelun laatuun.

Kun internet-yhteys on muodostunut olennaiseksi osaksi henkilökohtaista ja ammatillista elämäämme, tutkijat, tiedemiehet, yritykset ja hallitukset ovat kehittäneet ja investoineet keinoja tehdä tiedonsiirrosta nopeampaa ja tehokkaampaa. Tänä vuonna Oxfordin yliopiston tutkijat Isossa‑Britanniassa kehittivät magneettisia pyörteitä kalvoissa mahdollistamaan tiedonsiirron kilometrejä sekunnissa. Tämä edistys odotetaan avaavan tien uudelle sukupolvelle supernopeita laskentaplatformeja.

Oxfordin yliopiston fysiikan laitoksessa postdoc‑tutkintaa tekevä Hariom Jani totesi:

“Piirilevyihin perustuva laskenta on paljon liian energiatehotonta seuraavan sukupolven laskentasovelluksille, kuten täysimittaiselle tekoälylle ja autonomisille laitteille.”

Tutkijat valmistivat äärimmäisen ohuita kiteisiä hematite‑kalvoja, jotka yhdistävät sekä 2D- että 3D-materiaalien edulliset ominaisuudet ja ovat helposti siirrettäviä. Nämä joustavat kalvot voidaan kiertää eri muodoissa ilman rikkoutumista, mikä mahdollistaa magneettisten pyörteiden muotoilun kolmiulotteisesti. Integrointi tähän teknologiaan odotetaan antavan tuleville tietokoneille kyvyn toimia kuin ihmisaivot.

Toinen mielenkiintoinen kehitys alalla tapahtui kaksi vuotta sitten, kun Birminghamin yliopiston tekniikan koulun tutkijat esittelivät uuden säteenohjausantenni tiedonsiirron tehokkuuden parantamiseksi. Lisäksi se avaa mobiiliviestinnälle taajuusalueen, joka on ollut nykyisille teknologioille saavuttamattomissa.

Mullistava prosessori

Tällä hetkellä mobiililaitteidemme data muunnetaan sähkömagneettisiksi aalloiksi, jotka välittyvät käyttäjien välillä maailmanlaajuisesti. Tässä spektriprosessorit tai suodattimet vastaavat datan siirtämisestä eri taajuuksilla. Spektriprosessointi hajottaa äänen pieniksi, erillisiksi yksiköiksi, mahdollistaen kohdistamisen erittäin tarkalle tasolle.

Tämän ymmärtämiseen voidaan käyttää liikennevaloja, jotka varmistavat sujuvan liikenteen kaupungissa. Kuitenkin kaupungin infrastruktuuri pystyy käsittelemään vain tietyn määrän liikennettä. Jos autojen määrä jatkaa kasvuaan, syntyy ongelma.

Nyt, “aloitamme lähestyä maksimaalista määrää dataa, jonka voimme siirtää tehokkaasti,” Tabrizian totesi. Hän selitti, että perinteisesti langattomassa viestinnässä käytetyt tasomaiset prosessorit ovat “ei enää käytännöllisiä, koska ne rajoittavat meitä hyvin kapeaan taajuusalueeseen.”

Puolijohdeteollisuudessa planar viittaa valmistusprosessiin, jossa rakennetaan transistorin yksittäisiä komponentteja ja liitetään ne sitten yhteen. Näin rakennetaan piisirun integroituja piirikomponentteja. Integroitu piiri (IC), eli mikropiiri, on pieni elektroninen laite, joka koostuu useista toisiinsa kytketyistä elektronisista komponenteista, kuten transistoreista, vastuksista ja kondensaattoreista, jotka on kaiverrettu pienelle puolijohdemateriaalin kappaleelle.

Puolijohteet ovat olennainen osa nykymaailmaamme, sillä ne ovat mahdollistaneet teknologian mullistuksen. Ne ovat materiaaleja, joiden johtavuus on johtimien ja eristeiden välillä. Niitä käytetään diodien, transistorien ja IC-piirien valmistuksessa niiden alhaisen kustannuksen, energiatehokkuuden, kompaktisuuden ja luotettavuuden vuoksi. Puolijohteet tarjoavat meille elektronisia laitteita, radiosta ja tietokoneista lääketieteellisiin diagnostiikkalaitteisiin ja paljon muuhun.

Nyt, teknologisten edistysaskelten ja AI:n myötä, merkittävä kysynnän kasvu vaatii huomattavasti enemmän suodattimia eri taajuuksilla datan siirtämiseksi. Tabrizian sanoi:

“Ajattele sitä kuin valoja tiellä ja ilmassa. Se muuttuu sekasotkuksi. Yksi siru, joka on valmistettu vain yhteen taajuuteen, ei enää ole järkevää.”

Tabrizian ja hänen tiiminsä Herbert Wertheim -insinööriopistossa käyttivät CMOS-teknologiaa kolmiulotteisen nanomekaanisen resonanssin rakentamiseen. CMOS, eli Complementary Metal Oxide Semiconductor, koostuu NMOS-transistoreista, joilla on N++-alueet lähde- ja nieluterminaaleissa sekä p‑tyyppinen alusta, sekä PMOS-transistoreista, joilla on kaksi P++-aluetta ja n‑tyyppinen alusta. CMOSia käytetään sen alhaisen tehonkulutuksen ja pienten käyttövirtojen vuoksi.

Viime kuussa mainitsimme artikkelissamme “Computing at the Speed of Light with Silicon-Photonics” että Pennsylvanian yliopiston tutkijat kehittivät sirun, joka käyttää valoa sähkövirran sijaan suorittaakseen monimutkaisen matemaattisen laskennan, jota AI:n kouluttaminen vaatii.

Tämä uusi siru mahdollistaa paljon nopeamman prosessointinopeuden samalla kun se vähentää laitteiden energiankulutusta, raivaa tietä AI:n uuden sukupolven kehitykselle. Tämä osoittaa AI:n kasvavan vaikutuksen ja kysynnän, mikä saa kaikki huomaamaan sen ja pyrkimään parantamaan sitä entisestään.

Palatessamme 3D-prosessoreihin, ne voivat tarjota parannettua suorituskykyä ottaen vähemmän tilaa. Niillä on myös rajaton skaalautuvuus, mikä tekee niistä erittäin tehokkaita kasvavien vaatimusten täyttämisessä. Tästä Tabrizian sanoi:

“Hyödyntämällä puolijohdeteknologioiden vahvuuksia integroinnissa, reitityksessä ja pakkaamisessa, voimme yhdistää erilaiset taajuusriippuvaiset prosessorit samalle sirulle. Se on valtava etu.”

Yhdistämällä erilaiset taajuudet yhteen siruun, tämä uusi spektriprosessorityyppi on “todellakin mullistava”, sanoi David Arnold, Florida Universityn sähkö‑ ja tietokonetekniikan laitoksen tiedekunnan asioiden apulaispuheenjohtaja. Tämä “uusi lähestymistapa monitaajuisiin, taajuusketteriin radio‑siruihin,” Arnold totesi, ratkaisee suuren valmistushaasteen samalla kun suunnittelijoille antaa mahdollisuuden “kuvitella täysin uusia viestintästrategioita yhä ruuhkaisemmassa langattomassa maailmassa.”

Tämä innovaatio on viiden vuoden työn tulos. Tutkijatiimi, johon kuuluvat Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski ja Tabrizian, aloitti tämän uuden prosessorilähestymistavan kehittämisen vuonna 2019.

Tutkimus sai rahoitusta Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) -virastolta. Yhdysvaltain puolustusministeriön (DOD) tutkimusvirasto, DARPA, sijoittaa ja kehittää nousevia teknologioita sotilasvaltion kansalliseen turvallisuuteen. Arnold totesi:

“Yksinkertaisemmin sanottuna, langattomat laitteemme toimivat paremmin, nopeammin ja turvallisemmin.”

Yritykset 

Tarkastellaan nyt yrityksiä, jotka voivat hyötyä tästä tutkimuksesta:

#1. NVIDIA Corporation 

Kalifornialainen sirujen valmistaja tunnetaan grafiikkasuorittimistaan (GPU). NVIDIA (NVDA ):n teknologiaa käytetään datakeskuksissa ja AI-sovelluksissa, jotka voivat hyötyä tiedonsiirron tehokkuuden parannuksista. Vastatessaan äskettäin kysymykseen siitä, kuinka monta lisää sirutehdasta (tai puolijohdevalmistamoa, lyhennettynä fab) tarvitaan AI-teollisuuden laajentumisen tukemiseksi, Nvidia‑CEO Jensen Huang sanoi:

“Tarvitsemme lisää fab‑tehtaita.”

Kuitenkin he parantavat myös algoritmeja ja AI‑prosessointia merkittävästi.

Yrityksen markkina-arvo on 2,188 triljoonaa dollaria, ja sen osakkeet käyvät kauppaa hintaan 869 dollaria, mikä on 76,75 % nousua kuluvan vuoden alusta (YTD). Yrityksen liikevaihto (TTM) on 60,9 miljardia dollaria ja osakekohtainen tulos (EPS, TTM) 11,93, P/E (TTM) 73,38 ja ROE (TTM) 91,46 %. Yritys maksaa myös osinkoa 0,02 %. Helmikuun tulospuhelussa CEO Huang puhui yhteistyöstä terveydenhuollon, biologian, rahoituspalveluiden, robotiikan ja autonomisten ajoneuvojen yritysten sekä AI- ja LLM‑kehittäjien kanssa.

#2. Intel Corporation 

Toinen johtava puolijohdeteollisuuden yritys, Intel (INTC ), voisi myös hyötyä prosessoriteknologian edistymisestä. Yhtiö toivoo tällä hetkellä saavansa Yhdysvaltain hallitukselta 3,5 miljardia dollaria, joka jaetaan kolmen vuoden aikana, kehittyneiden puolijohteiden valmistamiseen kansallisten sotilasohjelmien tarpeisiin.

Intelillä on jo pitkään kestäviä suhteita DOD:iin ja Yhdysvaltain energiaministeriöön (DOE), jotka ovat sisältäneet prototyyppien monipiirisarjojen ja prosessorien tuotantoa DOE:n Aurora‑supertietokoneen ytimessä.

Yrityksen markkina-arvo on 187,42 miljardia dollaria, ja sen osakkeet käyvät kauppaa hintaan 44,33 dollaria, mikä on 12,44 % laskua YTD. Yrityksen liikevaihto (TTM) on 54,22 miljardia dollaria ja osakekohtainen tulos (EPS, TTM) 0,38, P/E (TTM) 116,92 ja ROE (TTM) 1,63 %. Yritys maksaa myös osinkoa 1,13 %.

#3. Samsung Electronics

Etelä‑Korean teknologiavalmistaja Samsung tuottaa erilaisia komponentteja langattomien viestintälaitteiden käyttöön, ja sen markkina-arvo on 368,9 miljardia. Yrityksen osakkeet käyvät kauppaa hintaan 1375, mikä on 8,28 % laskua YTD.

Yrityksen vuoden 2023 tilinpäätöksen mukaan Samsung raportoi 258,94 biljoonaa KRW (yli 197 miljardia dollaria) vuotuista liikevaihtoa ja 6,57 biljoonaa KRW (5 miljardia dollaria) liiketulosta.

Johtopäätös 

Kuten yllä keskustelimme, tarve nopeammalle tiedonsiirrolle kasvaa päivittäin, erityisesti kun tekoäly on läsnä ja kehittyy hurjasti. Tällaisessa ympäristössä on tärkeää, että tutkimus jatkaa tiedonsiirron parannusten esittelemistä, jotta voimme kokea entistä rikastuttavamman kokemuksen.