Informatique
Nouvelles perspectives sur la phononique pourraient redéfinir les appareils de communication de nouvelle génération
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Avec Internet ayant déployé ses ailes à l’échelle mondiale, certains peuvent penser que les jours de l’essor de la communication sont terminés. Certains peuvent même penser qu’il n’y a plus rien à accomplir dans le domaine des appareils, solutions et services de communication.
Il est vrai que si nous jugeons l’industrie uniquement par son pourcentage de croissance estimé, cela semblerait minime. Mais c’est simplement parce que la taille du marché de base, sur lequel nous calculons la croissance, est phénoménalement élevée. Selon les projections, le marché mondial des services de communication passera de US$1.5 trillion to US$1.6 trillion entre 2024 et 2028.
La croissance d’un marché de plusieurs billions de dollars ne peut être réalisée qu’avec des innovations révolutionnaires récurrentes dans ce domaine. Une de ces solutions exploite la phononique pour créer des appareils de communication plus petits et puissants. Ci-dessous, nous discutons de cette innovation, issue des chercheurs de l’University of Arizona, Wyant College of Optical Sciences et Sandia National Laboratories.
Prochaine révolution des communications sans fil exploitant la phononique
Avant de discuter de l’innovation et de ses spécificités en détail, essayons de comprendre la phononique, la communauté scientifique la définit comme scientific community defines phononics as “un domaine émergent qui cherche à élucider la nature du mouvement mécanique intrinsèque tant dans les matériaux conventionnels que dans les matériaux artificiellement structurés et à utiliser cette connaissance pour étendre les limites de la réponse physique au niveau du matériau ou de la structure/appareil, ou les deux.”
Bien que la définition scientifique de base puisse sembler difficile à saisir, une analogie avec la photonique la rendra plus simple à comprendre. La photonique exploite les photons pour faire progresser la technologie optique. De la même manière, la phononique exploite les phonons, des particules physiques qui transmettent des vibrations mécaniques à travers un matériau à une fréquence presque inaudible.
Dans la recherche que nous abordons, les scientifiques ont pu combiner des semi-conducteurs et des matériaux piézoélectriques hautement spécialisés pour produire d’énormes interactions non linéaires entre les phonons. Par la suite, ils ont déployé des amplificateurs pour phonons — fabriqués du même matériau — afin de créer des appareils sans fil plus efficaces, puissants et plus petits, y compris des smartphones et des transmetteurs de données.
Selon le principal auteur de l’étude, Matt Eichenfield, qui occupe un poste conjoint au Arizona College of Optical Sciences et aux Sandia National Laboratories à Albuquerque, Nouveau-Mexique:
“La plupart des gens seraient probablement surpris d’apprendre qu’il y a environ 30 filtres à l’intérieur de leur téléphone portable dont le seul rôle est de transformer les ondes radio en ondes sonores et inversement.”
Maintenant, avec les matériaux phononiques beaucoup plus petits mis en action, il serait possible de réduire le besoin de ces nombreux filtres, car un faisceau de phonons peut modifier la fréquence d’un autre faisceau.
Cette réalisation s’inscrit dans la vision des chercheurs de produire tous les composants nécessaires au traitement des signaux radiofréquence à partir de technologies d’ondes acoustiques plutôt que d’électronique basée sur les transistors. Le résultat serait que tout serait intégré sur une seule puce, compatible avec la façon dont les microprocesseurs standard sont fabriqués.
En développant davantage l’impact que leur innovation pourrait créer, Eichenfield a déclaré:
“Maintenant, vous pouvez pointer chaque composant dans un diagramme d’un processeur front-end radiofréquence et dire, ‘Oui, je peux fabriquer tout cela sur une seule puce avec des ondes acoustiques. Nous sommes prêts à passer à la fabrication de l’ensemble du système dans le domaine acoustique.'”
Obtenir une puce unique et y intégrer tout pourrait réduire la taille des appareils et gadgets de communication d’un facteur 100, estime Eichenfield.
Une recherche similaire a été menée l’année dernière par une équipe de chercheurs de l’University of Michigan, où ils ont mis au point un nouveau type de transistor reconfigurable utilisant un semi-conducteur ferroélectrique à une épaisseur nanométrique.
Transistor à haute mobilité d’électrons ferroélectrique (FeHEMT) pour réduire les appareils de communication sur les smartphones
La caractéristique principale du FeHEMT qui le rend supérieur aux HEMT est qu’il peut maintenir une polarisation électrique, similaire à la version électrique du magnétisme. En ajoutant une flexibilité comportementale au transistor, ces semi-conducteurs peuvent basculer entre les pôles positif et négatif.
Comme le FeHEMT est reconfigurable, il peut fonctionner comme plusieurs appareils. Un seul amplificateur peut remplir le rôle de plusieurs amplificateurs, chacun prêt pour un contrôle dynamique. Cette propriété permet aux chercheurs de réduire la surface du circuit de l’appareil et de diminuer le coût et la consommation d’énergie.
La transition du FeHEMT au HEMT a impliqué des explorations scientifiques approfondies ainsi que de nombreux essais, tests et expériences. Le semi-conducteur était composé de nitrure d’aluminium dopé au scandium. Devenir le premier semi-conducteur ferroélectrique à base de nitrure a permis son intégration transparente avec le semi-conducteur de prochaine génération, le nitrure de gallium. La sortie pouvait atteindre des vitesses jusqu’à 100 fois supérieures à celles du silicium. Non seulement il était très rapide, mais il était également très efficace et à faible coût.
Ping Wang, chercheur en génie électrique et informatique et également co-auteur correspondant de la recherche, a déclaré:
“En ajoutant la ferroélectricité à un HEMT, nous pouvons rendre la commutation plus nette. Cela pourrait permettre une consommation d’énergie bien plus faible en plus d’un gain élevé, rendant les appareils beaucoup plus efficaces.”
Dans un autre exemple de construction de matériel de communication précis avec un potentiel transformateur, une équipe de chercheurs en génie électrique et informatique de l’University of Michigan a pu construire le premier transmetteur et antenne à l’échelle millimétrique capable de ‘parler Bluetooth Low Energy avec facilité.‘
Construction du premier transmetteur et antenne à l’échelle millimétrique
Le professeur David Wentzloff a dirigé l’équipe et la recherche pour finalement créer le premier dispositif à l’échelle millimétrique capable de communiquer avec précision via Bluetooth Low Energy. Le transmetteur et l’antenne ne consommaient que 606 microwatts, soit 0.6 milliwatts au total, pendant la transmission. Le système a pu atteindre cette échelle en rendant l’amplificateur inutile ou redondant grâce à une combinaison unique d’oscillateur et d’antenne.
En expliquant le potentiel de l’invention, le professeur Wentzloff a déclaré:
“Je suis enthousiaste quant aux futures orientations de recherche qui seront ouvertes en supprimant la barrière de connectivité sans fil!”
Cette réalisation ouvrira de nouvelles voies dans le domaine de l’IoT et renforcera considérablement sa capacité d’adoption.
L’invention était également cruciale pour l’innovation phare de l’université, le Michigan Micro Mote (M3), le premier ordinateur à l’échelle millimétrique au monde. Avec un tel transmetteur intégré au M3, la communication avec un smartphone ordinaire deviendra plus efficace.
En expliquant son utilisabilité, Wentzloff a déclaré:
“Cette radio ajoute la première communication conforme aux normes à la pile M3. Cela nous permet de déployer les appareils M3 plus rapidement et de transmettre plus facilement les données détectées au cloud en se connectant directement à un smartphone.”
Une telle recherche exceptionnelle révolutionnera les normes de communication pour la prochaine génération. Les entreprises mondiales investissent dans la recherche et les ressources pour préparer les appareils de communication au futur. Ces entreprises peuvent bénéficier énormément de ces études et expériences. Dans les sections ci-dessous, nous discutons de quelques-unes de ces entreprises.
#1. Nokia
Nokia propose un portefeuille étendu d’appareils de communication. En matière d’optimisation de l’espace exceptionnelle, une gamme de produits qui se démarque est la AirScale Small Cells.
Nokia possède le portefeuille de petites cellules le plus étendu de l’industrie, avec des radios optimisées pour soutenir les opérateurs de réseaux mobiles et les entreprises dans tous les scénarios de déploiement. Aussi connues sous le nom d’AirScale Shikra Radios, elles se présentent sous forme de radios ondes millimétriques et de radios pico pour les solutions intérieures.
Les radios Shikra sont petites et faciles à déployer, que ce soit en autonome ou associées, leurs unités de baseband optimisées pour les petites cellules aidant à accélérer le déploiement du réseau. En raison de leur nature compacte, les radios mmWave sont prêtes à être déployées dans divers lieux, y compris les espaces urbains denses, les zones commerciales, les arènes sportives et d’autres grands lieux publics où une capacité extrême est une exigence clé.
Les radios Pico sont une solution intérieure qui répond à une gamme de cas d’utilisation d’entreprise, supportant plusieurs technologies d’accès radio et des configurations réseau flexibles. Nokia propose également des solutions petites cellules tout-en-un qui ne nécessitent aucune unité de baseband séparée et permettent une installation plug-and-play simple ainsi qu’une flexibilité de déploiement tant à l’intérieur qu’à l’extérieur.
Pour l’exercice fiscal 2023, Nokia a déclaré un chiffre d’affaires annuel de EUR 22.258 milliard, une baisse considérable par rapport aux EUR 24.91 milliard de l’exercice précédent. Le bénéfice d’exploitation a également diminué à EUR 2.375 milliard contre EUR 3.109 milliard entre les exercices 23 et 22.
#2. Motorola Solutions
Motorola a été un pionnier dans l’introduction d’appareils de communication futuristes, sophistiqués et de pointe dans le monde. Un appareil qui pourrait particulièrement bénéficier de cette recherche et repousser les limites est le dispositif de communication portable TLK 25 de Motorola. Il ne pèse que 73 grammes et mesure 3.2X1.9X0.7.
En son cœur, le TLK 25 est un dispositif portable WAVE PTX qui dépasse les capacités de push‑to‑talk d’un talkie‑walkie. Ces appareils sont compacts, robustes et équipés d’un assistant vocal intuitif. L’appareil dispose d’une connectivité Wi‑Fi et utilise également le LTE national lorsque le Wi‑Fi n’est pas disponible. Son assistant vocal intuitif permet un accès mains libres aux communications, aux paramètres de l’appareil, aux fonctions de sécurité, aux statuts, aux notifications et aux alertes.
La gamme de produits TLK 25 de Motorola prospère grâce à leur compacité et à la concision de leurs fonctionnalités. Ces appareils bénéficieraient énormément de la recherche et des solutions de transmission qui les rendraient plus élégants et efficaces.
MSI Graphique du prix
Au quatrième trimestre 2023, Motorola Solutions a déclaré (MSI ) des ventes nettes de US$2.85 milliard, tandis que le chiffre d’affaires annuel pour 2023 était d’environ US$10 milliard. Le bénéfice d’exploitation pour l’année 2023 a augmenté à US$2.784 milliard contre US$2.368 milliard en 2022.
Le rôle des appareils de communication dans notre monde moderne
Il serait difficile pour la civilisation humaine de survivre sans ses modes et outils de communication efficace fonctionnant correctement. Les appareils de communication de la prochaine génération devront développer de nombreuses qualités pour être davantage prêts à être adoptés à l’avenir.
Ces appareils, par exemple, devront être prêts à résister aux conditions les plus difficiles. Ils devront être suffisamment efficaces pour intégrer chaque innovation réalisée jusqu’à présent dans ce domaine, notamment la gestion simultanée de la voix, de la vidéo et des flux de données.
Tout en fournissant tous ces services, ces appareils ne doivent pas compromettre leur intégrité. Avec des systèmes de sécurité sophistiqués qui exploitent des analyses d’IA construites de manière responsable, cela n’est plus un défi.
Cependant, posséder toutes ces propriétés et fonctionnalités ne doit pas aboutir à un appareil qui occupe beaucoup d’espace, chauffe rapidement ou est coûteux à fabriquer.
Les appareils de communication de prochaine génération évolueront en gardant ces aspects à l’esprit. Déjà, de nouveaux paradigmes technologiques sont apparus qui accéléreront cette évolution. Par exemple, on parle déjà beaucoup de technologies telles que la communication par lumière visible (VLC)/Li‑Fi, où la transmission de données se fait via la lumière plutôt que les ondes radio à grande vitesse grâce à de petits ajustements d’intensité.
Ces solutions offrent une très grande vitesse, dépassant les capacités de bande passante des communications conventionnelles. Puisqu’elles dépassent le mode traditionnel, des normes améliorées de sécurité et de fiabilité peuvent être atteintes. Les chercheurs estiment que de telles solutions seraient parfaites pour le secteur militaire.
En dehors du matériel de transmission de données, de nombreux progrès ont été réalisés dans le domaine des technologies de capteurs. Ces technologies aideraient à mettre à jour l’infrastructure existante de l’IoT et du support d’automatisation.
Selon les données présentées par ASSIA Inc., l’augmentation du trafic d’upload PC/téléphone depuis le début de mars 2024 serait de l’ordre de 80 % uniquement aux États-Unis. Le monde est devenu beaucoup plus virtuel qu’avant la pandémie de COVID‑19. Les webcams, PC et ordinateurs portables diffusent des flux vidéo en permanence. La prestation de services de santé, d’éducation et d’autres services d’urgence est devenue beaucoup plus virtuelle. Faire face à ces situations nécessiterait des appareils beaucoup plus optimisés en termes d’espace et plus efficaces. Ils devront également être compatibles 5G.
Les organisations et les entreprises doivent continuer à investir des ressources et de la recherche pour rendre la communication de prochaine génération plus efficace et rentable.
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