Wawasan Baru tentang Fononik Dapat Mengubah Perangkat Komunikasi Generasi Berikutnya

Dengan internet yang telah menyebar ke seluruh dunia, beberapa orang mungkin merasa bahwa hari-hari ledakan komunikasi telah berakhir. Beberapa orang bahkan mungkin berpikir tidak ada lagi yang dapat dicapai di ruang industri perangkat komunikasi, solusi, dan layanan. 

Memang benar bahwa jika kita menilai industri hanya berdasarkan persentase pertumbuhan yang diperkirakan, tampaknya minimal. Namun itu hanya karena ukuran pasar dasar, yang kami gunakan untuk menghitung pertumbuhan, sangat besar. Menurut proyeksi, pasar layanan komunikasi global akan tumbuh dari US$1.5 triliun menjadi US$1.6 triliun antara 2024 dan 2028. 

Pertumbuhan di pasar multi-triliun dolar hanya dapat dicapai dengan inovasi terobosan yang terus-menerus terjadi di bidang ini. Salah satu solusi tersebut memanfaatkan fononik untuk menciptakan perangkat komunikasi yang lebih kecil dan kuat. Di bawah ini, kami membahas inovasi tersebut, yang berasal dari peneliti di University of Arizona, Wyant College of Optical Sciences, dan Sandia National Laboratories. 

Revolusi Berikutnya dalam Komunikasi Nirkabel dengan Memanfaatkan Fononik

Sebelum kita membahas inovasi dan detailnya secara mendalam, mari kita coba memahami fononik, The komunitas ilmiah mendefinisikan fononik sebagai “sebuah bidang yang muncul yang berupaya menjelaskan sifat gerakan mekanik intrinsik baik dalam material konvensional maupun yang terstruktur secara buatan serta menggunakan pengetahuan ini untuk memperluas batas respons fisik pada tingkat material atau struktural/perangkat, atau keduanya.” 

Meskipun definisi ilmiah inti mungkin terdengar sulit dipahami, analogi dengan fotonik akan membuatnya lebih mudah dimengerti. Fotonik memanfaatkan foton untuk memajukan teknologi optik. Dengan cara yang sama, Fononik memanfaatkan fonon, partikel fisik yang mentransmisikan getaran mekanik melalui material pada frekuensi tinggi yang hampir tidak terdengar. 

Dalam penelitian yang kami bahas, ilmuwan dapat menggabungkan semikonduktor khusus dan material piezoelektrik untuk menghasilkan interaksi nonlinier raksasa antara fonon. Selanjutnya, mereka menggunakan penguat untuk fonon—yang terbuat dari material yang sama—untuk menciptakan perangkat nirkabel yang lebih efisien, kuat, dan lebih kecil, termasuk smartphone dan pemancar data. 

Menurut penulis senior studi tersebut, Matt Eichenfield, yang memegang jabatan bersama di Arizona College of Optical Sciences dan Sandia National Laboratories di Albuquerque, New Mexico:

“Kebanyakan orang mungkin akan terkejut mendengar bahwa ada sekitar 30 filter di dalam ponsel mereka yang tugas tunggalnya adalah mengubah gelombang radio menjadi gelombang suara dan sebaliknya.”

Sekarang, dengan material fononik yang jauh lebih kecil diterapkan, akan memungkinkan mengurangi kebutuhan akan banyak filter tersebut, karena satu berkas fonon dapat mengubah frekuensi berkas lainnya. 

Pencapaian ini sejalan dengan visi peneliti untuk menghasilkan semua komponen yang dibutuhkan untuk pemrosesan sinyal frekuensi radio dari teknologi gelombang akustik alih-alih elektronik berbasis transistor. Hasilnya akan menjadi semua komponen terpasang pada satu chip, kompatibel dengan cara mikroprosesor standar diproduksi.

Menjelaskan lebih lanjut tentang dampak yang dapat dihasilkan oleh inovasi mereka, Eichenfield berkata:

“Sekarang, Anda dapat menunjuk setiap komponen dalam diagram prosesor front-end frekuensi radio dan berkata, ‘Ya, saya dapat membuat semua ini pada satu chip dengan gelombang akustik. Kami siap melanjutkan untuk membuat seluruh sistem dalam domain akustik.'”

Mendapatkan satu chip dan menempatkan semua komponen di dalamnya dapat memperkecil perangkat komunikasi dan gadget hingga faktor 100, perkiraan Eichenfield.

Penelitian serupa dilakukan tahun lalu oleh tim peneliti di University of Michigan, di mana mereka merancang transistor dapat dikonfigurasi ulang baru menggunakan semikonduktor ferroelectric dengan ketebalan nanoskal. 

Transistor Mobilitas Tinggi Elektron Ferroelectric (FeHEMT) untuk Memperkecil Perangkat Komunikasi pada Smartphone

Karakteristik utama FeHEMT yang membuatnya lebih baik daripada HEMT adalah kemampuannya mempertahankan polarisasi listrik, mirip dengan versi listrik dari magnetisme. Dengan menambahkan fleksibilitas perilaku pada transistor, semikonduktor ini dapat beralih antara kutub positif dan negatif. 

Karena FeHEMT dapat dikonfigurasi ulang, ia dapat berfungsi sebagai beberapa perangkat. Satu penguat dapat menggantikan beberapa penguat, masing-masing siap untuk kontrol dinamis. Properti ini memungkinkan peneliti mengurangi area sirkuit perangkat serta menurunkan biaya dan konsumsi energi. 

Transisi transisi dari FeHEMT ke HEMT melibatkan eksplorasi ilmiah mendalam serta banyak percobaan, pengujian, dan eksperimen. Semikonduktor ini terbuat dari aluminium nitrida yang ditambahkan skandium. Menjadi semikonduktor ferroelectric berbasis nitrida pertama memungkinkan integrasi mulus dengan semikonduktor generasi berikutnya, gallium nitida. Outputnya dapat mencapai kecepatan hingga 100 kali lipat dibandingkan silikon. Tidak hanya berkecepatan tinggi, tetapi juga sangat efisien dan berbiaya rendah. 

Ping Wang, ilmuwan riset di bidang teknik listrik dan komputer serta co-penulis korespondensi penelitian, berkata:

“Dengan menambahkan ferroelectric pada HEMT, kami dapat membuat perpindahan lebih tajam. Ini dapat memungkinkan konsumsi daya yang lebih rendah selain gain tinggi, menghasilkan perangkat yang jauh lebih efisien.”

Dalam contoh lain membangun perangkat keras komunikasi presisi dengan potensi transformatif, tim peneliti teknik listrik dan komputer di University of Michigan berhasil membangun pemancar dan antena skala milimeter pertama yang dapat ‘ berbicara Bluetooth Low Energy dengan mudah.‘

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana sel fotovoltaik mikrometrik dapat membuka jalan bagi miniaturisasi perangkat.

Membangun Pemancar dan Antena Skala Milimeter Pertama

Prof. David Wentzloff memimpin tim dan penelitian untuk akhirnya menghasilkan perangkat skala milimeter pertama yang dapat berkomunikasi secara akurat dengan Bluetooth Low Energy. Pemancar dan antena hanya mengonsumsi 606 mikrowatt, atau 0,6 miliwatt secara bersamaan, selama transmisi. Sistem ini dapat mencapai skala tersebut dengan membuat penguat menjadi tidak diperlukan atau berlebih melalui kombinasi unik antara osilator dan antena. 

Saat menjelaskan potensi penemuan ini, Prof Wentzloff berkata: 

“Saya bersemangat tentang arah penelitian masa depan yang akan terbuka dengan menghilangkan hambatan konektivitas nirkabel!”

Pencapaian ini akan membuka jalur baru di bidang IoT dan secara signifikan meningkatkan kemampuan adopsinya. 

Penemuan ini juga penting bagi inovasi unggulan universitas, Michigan Micro Mote (M3), komputer skala milimeter pertama di dunia. Dengan pemancar seperti itu terintegrasi ke dalam M3, komunikasi dengan smartphone biasa akan menjadi lebih efisien. 

Saat menjelaskan kegunaannya, Wentzloff berkata: 

“Radio ini menambahkan komunikasi yang pertama kali sesuai standar ke dalam stack M3. Ini memungkinkan kami untuk menyebarkan perangkat M3 lebih cepat dan lebih mudah mengirim data yang terdeteksi ke cloud dengan terhubung langsung ke smartphone.”

Penelitian luar biasa ini akan merevolusi standar komunikasi untuk generasi berikutnya. Perusahaan global berinvestasi dalam riset dan sumber daya untuk mempersiapkan perangkat komunikasi masa depan. Perusahaan-perusahaan ini dapat memperoleh manfaat besar dari studi dan eksperimen ini. Pada segmen berikut, kami membahas beberapa perusahaan tersebut. 

#1. Nokia

Nokia memiliki portofolio perangkat komunikasi yang luas. Dalam hal optimasi ruang yang luar biasa, satu rangkaian produk yang menonjol adalah AirScale Small Cells. 

Nokia memiliki portofolio small-cell terluas di industri, dengan radio yang dioptimalkan untuk mendukung operator jaringan seluler dan perusahaan dalam semua skenario penyebaran. Juga dikenal sebagai AirScale Shikra Radios, produk ini hadir dalam bentuk radio gelombang milimeter dan pico radio untuk solusi indoor.  

Radio Shikra kecil dan mudah dipasang baik secara mandiri maupun terhubung, dengan unit baseband yang dioptimalkan untuk small-cell membantu mempercepat peluncuran jaringan. Karena sifatnya yang kompak, radio mmWave siap dipasang di berbagai lokasi, termasuk area perkotaan padat, pusat perbelanjaan, arena olahraga, dan tempat publik besar lainnya di mana kapasitas tinggi menjadi kebutuhan utama. 

Pico radio adalah solusi indoor yang melayani berbagai kasus penggunaan perusahaan, mendukung banyak teknologi akses radio dan konfigurasi jaringan fleksibel. Nokia juga memiliki solusi small-cell all-in-one yang tidak memerlukan unit baseband terpisah dan memungkinkan instalasi plug-and-play sederhana serta fleksibilitas penyebaran baik di dalam maupun di luar ruangan. 

Untuk tahun fiskal 2023, Nokia melaporkan pendapatan tahunan sebesar EUR 22,258 miliar, penurunan signifikan dibandingkan tahun fiskal sebelumnya sebesar EUR 24,91 miliar. Laba operasional juga menurun menjadi EUR 2,375 miliar dari EUR 3,109 miliar antara FY 23 dan FY 22. 

#2. Motorola Solutions

Motorola telah menjadi pelopor dalam memperkenalkan perangkat komunikasi futuristik, canggih, dan mutakhir ke dunia. Salah satu perangkat yang mungkin sangat diuntungkan dari penelitian ini dan mendorong batas lebih jauh adalah perangkat komunikasi wearable TLK 25 milik Motorola. Beratnya hanya 73 gram dan berukuran 3,2×1,9×0,7. 

Pada intinya, TLK 25 adalah perangkat wearable WAVE PTX yang melampaui kemampuan push-to-talk walkie-talkie. Perangkat ini kompak, tangguh, dan dilengkapi dengan asisten suara intuitif. Perangkat ini memiliki konektivitas Wi-Fi dan juga menggunakan LTE nasional ketika Wi-Fi tidak tersedia. Asisten suara intuitifnya memungkinkan akses bebas tangan ke komunikasi, pengaturan perangkat, fitur keamanan, status, notifikasi, dan peringatan. 

Rangkaian produk TLK 25 dari Motorola mengandalkan kekompakan dan kesederhanaan fitur. Perangkat ini akan sangat diuntungkan dari penelitian dan solusi transmisi yang membuatnya lebih ramping dan efisien. 

Pada kuartal keempat 2023, Motorola Solutions melaporkan (MSI ) penjualan bersih sebesar US$2,85 miliar, sementara pendapatan tahunan penuh untuk 2023 hampir US$10 miliar. Pendapatan operasional untuk tahun 2023 meningkat menjadi US$2,784 miliar dari US$2,368 miliar pada 2022. 

Peran Perangkat Komunikasi dalam Dunia Modern Kita

Akan sulit bagi peradaban manusia untuk bertahan tanpa cara dan alat untuk komunikasi yang efisien berfungsi dengan baik. Perangkat komunikasi generasi berikutnya harus mengembangkan banyak kualitas agar lebih siap diadopsi di masa depan. 

Perangkat ini, misalnya, harus siap menahan kondisi paling keras. Mereka harus cukup efisien untuk mengakomodasi setiap inovasi yang telah dicapai sejauh ini di bidang ini, terutama dalam menangani suara, video, dan aliran data secara bersamaan.

Saat menyediakan semua layanan ini, perangkat tersebut tidak boleh mengorbankan integritasnya. Dengan sistem keamanan canggih yang memanfaatkan analitik AI yang dibangun secara bertanggung jawab, hal ini tidak lagi menjadi tantangan. 

Namun, memiliki semua properti dan fitur ini tidak boleh menghasilkan sesuatu yang memakan banyak ruang, cepat panas, atau mahal untuk diproduksi. 

Perangkat komunikasi generasi berikutnya akan berkembang dengan mempertimbangkan aspek-aspek ini. Sudah ada paradigma teknologi baru yang muncul yang akan mempercepat evolusi ini. Misalnya, sudah banyak dibicarakan tentang teknologi seperti Visible Light Communication (VLC)/Li-Fi, di mana transmisi data terjadi melalui cahaya alih-alih gelombang radio dengan kecepatan tinggi melalui penyesuaian kecil pada intensitas. 

Solusi ini menawarkan kecepatan sangat tinggi, melampaui kemampuan bandwidth komunikasi konvensional. Karena melampaui mode tradisional, standar keamanan dan keandalan yang ditingkatkan dapat dicapai. Peneliti percaya solusi semacam ini akan sangat cocok untuk militer.

Selain perangkat keras transmisi data, banyak kemajuan telah dicapai dicapai di bidang teknologi sensor. Teknologi ini akan membantu memperbarui infrastruktur dukungan IoT dan otomatisasi yang ada. 

Menurut data yang disajikan oleh ASSIA Inc., peningkatan lalu lintas unggah PC/telepon sejak awal Maret 2024 dapat mencapai hingga 80% di Amerika Serikat saja. Dunia menjadi jauh lebih virtual dibandingkan sebelum pandemi COVID-19. Webcam, PC, dan laptop terus menjalankan streaming video sepanjang waktu. Penyediaan layanan kesehatan, pendidikan, dan layanan darurat lainnya menjadi jauh lebih virtual. Mengatasi situasi ini memerlukan perangkat yang lebih teroptimasi ruang dan efisien. Mereka juga harus siap untuk 5G. 

Organisasi dan perusahaan harus terus menginvestasikan sumber daya dan riset untuk membuat komunikasi generasi berikutnya lebih efisien dan hemat biaya.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana fotonik canggih dapat membantu membangun smartphone yang lebih baik.