Lebih Kecil, Lebih Cepat, Lebih Baik – Prosesor 3D untuk Menopang Kebutuhan Transfer Data Masa Depan

Peneliti Universitas Florida siap mengubah komunikasi nirkabel dengan teknologi semikonduktor baru untuk pembuatan prosesor, secara signifikan meningkatkan efisiensi transfer data global. Diterbitkan dalam jurnal Nature Electronics, inovasi ini muncul pada saat permintaan untuk transfer data berkecepatan tinggi meningkat secara dramatis. 

Saat ini, ekspansi Internet, dengan jumlah pengguna Internet yang meningkat secara signifikan dan lalu lintas Internet global yang naik beberapa kali lipat, telah menyebabkan permintaan akan pusat data dan transmisi data tumbuh dengan kecepatan yang sangat cepat.

Selain itu, selama beberapa tahun terakhir, Kecerdasan Buatan (AI) semakin mempercepat lonjakan permintaan ini. Industri AI bernilai miliaran dolar mengubah hidup kita dan tumbuh dengan cepat. AI digunakan dalam segala hal mulai dari pendidikan, seni, dan hiburan hingga perawatan kesehatan, otomotif, dan banyak lagi. 

Aplikasi AI memerlukan daya komputasi yang besar untuk memproses dan menganalisis sejumlah besar data, yang mendorong kebutuhan akan perangkat keras yang lebih kuat dan efisien di pusat data. 

Selain itu, ada permintaan yang meningkat untuk transfer data berkecepatan tinggi di dalam pusat data dan lintas jaringan, karena sistem AI sering bergantung pada dataset besar untuk pelatihan dan pembelajaran berkelanjutan. Semakin kompleks sistem AI, semakin besar kebutuhan akan bandwidth jaringan yang lebih tinggi serta peningkatan pada saklar, router, dan kabel serat optik berkapasitas tinggi untuk memastikan pergerakan data yang efisien.

Kenaikan terbaru aplikasi AI Generatif, khususnya, membawa AI ke area baru yang menarik. Saat aplikasi ini memasuki arus utama, mereka menuntut pemrosesan data secara real‑time untuk memberikan respons cepat di tempat. Oleh karena itu, infrastruktur data saat ini memerlukan perombakan total untuk memenuhi permintaan AI yang terus meningkat.

Jadi, dengan latar belakang ini, ilmuwan berhasil beralih dari prosesor planar ke prosesor tiga dimensi (3D). 

Kurang dari sebulan yang lalu, peneliti dari Universitas Stuttgart, Jerman, bersama banyak perusahaan, berhasil menggambar sirkuit dalam tiga dimensi. Menurut studi tersebut, peneliti menambahkan pelat berlian dengan pusat nitrogen‑vakansi (NV) ke area sirkuit yang akan dipelajari. Mereka kemudian menempatkan seluruh rangkaian dalam mikroskop fluoresensi lapangan lebar, dan medan magnet yang dihasilkan memengaruhi spin pusat NV, yang diukur menggunakan resonansi magnetik terdeteksi secara optik. Metode ini dapat mendeteksi arus sekecil 10 μA μm−2 dengan resolusi spasial sub‑mikrometer.

Sekarang, pemanfaatan teknologi semikonduktor untuk mendorong komunikasi nirkabel ke dimensi baru membantu menghadirkan era efisiensi baru dalam transmisi data. Inovasi ini dibuat oleh tim Roozbeh Tabrizian, Ph.D., yang merupakan profesor associate di Departemen Teknik Elektro dan Komputer Universitas Florida.

Prosesor 3D, menurut Tabrizian, menandai momen monumental dalam evolusi komunikasi nirkabel karena kita semakin bergantung pada pertukaran data secara real‑time. Ia berkata:

“Kemampuan untuk mentransmisikan data secara lebih efisien dan andal akan membuka pintu bagi kemungkinan baru, mendorong kemajuan di bidang seperti kota pintar, perawatan kesehatan jarak jauh, dan realitas tertambah.” 

Klik di sini untuk mempelajari mengapa tahun 2023 menjadi tahun terobosan bagi kecerdasan buatan.

Evolusi Komunikasi Nirkabel 

Pengiriman informasi dari pengirim ke penerima tanpa sambungan kabel pertama kali berhasil pada akhir abad ke‑19 ketika Heinrich Hertz menunjukkan transmisi gelombang elektromagnetik melalui ruang pada tahun 1880‑an. Satuan frekuensi dinamai ‘hertz’ untuk menghormatinya. Kemudian, bertahun‑tahun kemudian, Guglielmo Marconi mentransmisikan sinyal jarak jauh menggunakan gelombang radio pada tahun 1895. Baru pada dekade 1970‑an, cikal bakal ponsel modern dikembangkan.

Jadi, ketika berbicara tentang komunikasi nirkabel, semuanya tentang pengiriman informasi melintasi jarak tanpa bantuan konduktor listrik seperti kabel. Bentuk komunikasi ini menghubungkan dan berkomunikasi antara dua atau lebih perangkat menggunakan sinyal nirkabel melalui perangkat dan teknologi nirkabel. Beberapa bentuk jaringan komunikasi ini meliputi Mobile, Bluetooth, Radio siaran, Wi‑Fi, dan komunikasi Infrared.

Bentuk komunikasi ini biasanya melibatkan transfer data menggunakan gelombang elektromagnetik. Mekanisme ini membawa sinyal dari beberapa meter, seperti remote TV, hingga seribu kilometer, seperti komunikasi satelit. Tidak ada mode komunikasi fisik di sini. 

Sementara itu, gelombang elektromagnetik mencakup Cahaya Terlihat, Sinar Gamma, Sinar X, Sinar Ultraviolet, Sinar Infrared, Gelombang Radio, dan Gelombang Mikro, yang meneruskan sinyal.

Komunikasi nirkabel menawarkan beberapa keunggulan, terutama fleksibilitas dan kenyamanan. Bentuk komunikasi ini memungkinkan orang berkomunikasi tanpa memandang lokasi. Fleksibilitas ini memungkinkan orang membawa perangkat mereka ke mana saja, tanpa memerlukan koneksi fisik, sehingga kita dapat terhubung dengan siapa saja, di mana saja, kapan saja.

Karena metode ini tidak melibatkan penggunaan kabel sambungan, kabel jaringan, atau pemasangan infrastruktur fisik yang rumit, koneksi nirkabel lebih efektif dibandingkan dengan yang berkabel.

Peningkatan juga terlihat dalam hal kecepatan dan akurasi. Selain itu, teknologi nirkabel menawarkan aksesibilitas yang lebih baik, terutama di daerah terpencil di mana penarikan kabel tanah merupakan tugas yang sulit dan kompleks. Aksesibilitas yang mudah ini menawarkan konektivitas konstan, memungkinkan orang merespons keadaan darurat dengan relatif cepat.

Mengingat banyaknya manfaat komunikasi nirkabel, teknologi nirkabel telah berkembang pesat untuk memenuhi kebutuhan pengguna yang meningkat. Kemajuan teknologi telah menghasilkan tingkat transmisi data yang lebih tinggi dan kualitas layanan yang lebih baik.

Seiring konektivitas internet menjadi bagian penting dalam kehidupan pribadi dan profesional kita, peneliti, ilmuwan, perusahaan, dan pemerintah telah mengembangkan serta berinvestasi dalam cara membuat transfer data lebih cepat dan lebih efisien. Awal tahun ini, ilmuwan di Universitas Oxford, Inggris mengembangkan pusaran magnetik dalam membran untuk memungkinkan transfer data pada kecepatan kilometer per detik. Kemajuan ini diharapkan membuka jalan bagi generasi baru platform komputasi super cepat.

Menurut Hariom Jani, yang sedang melakukan postdoc di Departemen Fisika Universitas Oxford:

“Komputasi berbasis silikon terlalu tidak efisien secara energi untuk generasi berikutnya dari aplikasi komputasi seperti AI skala penuh dan perangkat otonom.” 

Peneliti memproduksi membran hematit kristalin yang sangat tipis, yang menggabungkan kualitas menguntungkan dari material 2D dan 3D serta mudah dipindahkan. Membran fleksibel ini dapat dipelintir dalam berbagai bentuk tanpa patah, kualitas yang dimanfaatkan untuk membentuk pusaran magnetik dalam 3D. Integrasi dengan teknologi ini diharapkan memungkinkan komputer masa depan bekerja seperti otak manusia.

Pengembangan menarik lainnya terjadi dua tahun lalu ketika peneliti di Sekolah Teknik Universitas Birmingham mengungkapkan antena pengarah berkas baru untuk meningkatkan efisiensi transmisi data. Selain itu, antena tersebut membuka rentang frekuensi untuk komunikasi seluler yang sebelumnya tidak dapat diakses oleh teknologi yang saat ini digunakan.

Prosesor yang Mengubah Permainan

Saat ini, data di perangkat seluler kita diubah menjadi gelombang elektromagnetik yang berkomunikasi bolak‑balik di antara pengguna di seluruh dunia. Di sini, prosesor spektral atau filter bertanggung jawab memindahkan data melintasi frekuensi yang berbeda. Pemrosesan spektral memecah audio menjadi unit‑unit kecil yang terpisah, memungkinkan penargetan pada tingkat yang sangat halus.

Cara memahaminya dapat diibaratkan dengan lampu lalu lintas, yang memastikan aliran lalu lintas yang efisien melalui sebuah kota. Namun, hanya ada tingkat lalu lintas tertentu yang dapat ditangani oleh infrastruktur kota. Jika volume mobil terus meningkat, akan muncul masalah.

Sekarang, “kami mulai mencapai batas maksimum data yang dapat kami pindahkan secara efisien,” kata Tabrizian. Ia menjelaskan bahwa prosesor planar, yang selama ini menjadi dasar komunikasi nirkabel, “tidak lagi praktis karena membatasi kami pada rentang frekuensi yang sangat sempit.”

Dalam industri semikonduktor, planar adalah proses manufaktur yang digunakan untuk membangun komponen tunggal transistor dan kemudian menghubungkannya. Inilah cara chip sirkuit terintegrasi berbasis silikon dibangun. Sirkuit terintegrasi (IC), juga dikenal sebagai mikrochip, adalah perangkat elektronik kecil yang terdiri dari banyak komponen elektronik yang saling terhubung seperti transistor, resistor, dan kapasitor yang diukir pada sepotong kecil bahan semikonduktor.

Semikonduktor merupakan bagian integral dunia kita saat ini karena mereka telah membantu merevolusi teknologi. Ini adalah material dengan konduktivitas di antara konduktor dan isolator. Mereka digunakan dalam pembuatan dioda, transistor, dan IC karena biaya rendah, efisiensi daya, ukuran kompak, dan keandalan. Semikonduktor memberikan kita perangkat elektronik, mulai dari radio dan komputer hingga peralatan diagnostik medis dan banyak lagi. 

Sekarang, dengan kemajuan teknologi dan munculnya AI, peningkatan permintaan yang signifikan membutuhkan lebih banyak filter pada berbagai frekuensi untuk memindahkan data. Tabrizian berkata:

“Bayangkan seperti lampu di jalan dan di udara. Semuanya menjadi berantakan. Satu chip yang dibuat hanya untuk satu frekuensi tidak lagi masuk akal.” 

Tabrizian dan timnya di Herbert Wertheim College of Engineering menggunakan proses fabrikasi teknologi CMOS untuk membangun resonator nanomekanik tiga dimensi. CMOS atau Complementary Metal Oxide Semiconductor mencakup transistor NMOS yang memiliki wilayah N++ pada terminal sumber dan drain serta substrat tipe‑p, dan transistor PMOS yang memiliki dua wilayah P++ serta substrat tipe‑n. CMOS digunakan karena disipasi daya rendah dan arus operasi rendah.

Bulan lalu, kami mencatat dalam artikel “Computing at the Speed of Light with Silicon-Photonics” bahwa peneliti di Universitas Pennsylvania mengembangkan chip yang menggunakan gelombang cahaya alih‑alih listrik untuk melakukan perhitungan rumit yang diperlukan dalam pelatihan AI. 

Chip baru ini dapat memfasilitasi kecepatan pemrosesan yang jauh lebih cepat sambil mengurangi konsumsi energi perangkat, membuka jalan bagi generasi baru pengembangan AI. Hal ini menunjukkan dampak dan permintaan AI yang semakin meningkat, membuat semua orang memperhatikan dan bekerja untuk membuatnya lebih baik.

Kembali ke prosesor 3D, mereka dapat memberikan kinerja yang ditingkatkan sambil menempati ruang yang lebih kecil. Mereka juga memiliki skalabilitas tak terbatas, menjadikannya sangat kuat dalam mengakomodasi permintaan yang terus tumbuh. Mengenai hal ini, Tabrizian berkata:

“Dengan memanfaatkan kekuatan teknologi semikonduktor dalam integrasi, routing, dan packaging, kami dapat mengintegrasikan prosesor yang bergantung pada frekuensi berbeda pada satu chip. Itu merupakan manfaat besar.”

Dengan mengintegrasikan frekuensi beragam pada satu chip, jenis prosesor spektral baru ini “benar‑benar mengubah permainan,” kata David Arnold, associate chair for faculty affairs di Departemen Teknik Elektro dan Komputer Universitas Florida. “Pendekatan baru untuk chipset radio multi‑band, yang dapat beradaptasi dengan frekuensi,” catat Arnold, “menyelesaikan tantangan manufaktur besar sekaligus memungkinkan perancang ‘membayangkan strategi komunikasi yang sepenuhnya baru dalam dunia nirkabel yang semakin padat.'” 

Inovasi ini merupakan hasil kerja lima tahun. Tim peneliti, termasuk Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski, dan Tabrizian, pertama kali mulai mengerjakan pendekatan baru ini pada tahun 2019. 

Studi ini menerima pendanaan dari Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Sebuah agensi riset Departemen Pertahanan AS (DOD), DARPA berinvestasi dan mengembangkan teknologi emergen untuk keamanan nasional militer. Arnold menyatakan:

“Secara sederhana, perangkat nirkabel kita akan bekerja lebih baik, lebih cepat, dan lebih aman.” 

Perusahaan 

Sekarang, mari kita lihat perusahaan‑perusahaan yang dapat memperoleh manfaat dari penelitian ini:

#1. NVIDIA Corporation 

Pembuat chip berbasis California ini dikenal dengan unit pemrosesan grafis (GPU)‑nya. Teknologi NVIDIA (NVDA ) digunakan di pusat data dan aplikasi AI, yang dapat memperoleh manfaat dari peningkatan efisiensi transfer data. Baru‑baru ini, menjawab pertanyaan tentang berapa banyak pabrik chip (atau fab semikonduktor) yang diperlukan untuk mendukung ekspansi industri AI, CEO Nvidia Jensen Huang berkata:

“Kami akan membutuhkan lebih banyak pabrik.”

Namun, mereka juga meningkatkan algoritma dan pemrosesan AI secara luar biasa.

Dengan kapitalisasi pasar $2.188 triliun, saham perusahaan diperdagangkan pada $869, naik 76,75% tahun‑ke‑tahun (YTD). Perusahaan memiliki pendapatan (TTM) $60,9 miliar dan EPS (TTM) 11,93, P/E (TTM) 73,38, dan ROE (TTM) 91,46%. Perusahaan juga membayar dividen 0,02%. Dalam panggilan pendapatan Februari, CEO Huang membahas kolaborasi dengan perusahaan kesehatan, biologi, layanan keuangan, robotika, dan kendaraan otonom, serta pengembang AI dan LLM.

#2. Intel Corporation 

Perusahaan terkemuka lain di industri semikonduktor, Intel (INTC ), juga dapat memperoleh manfaat dari kemajuan teknologi prosesor. Korporasi ini saat ini berharap memperoleh dana sebesar $3,5 miliar, yang akan disalurkan selama tiga tahun, dari pemerintah AS untuk memproduksi semikonduktor canggih bagi program militer negara.

Intel sudah memiliki hubungan jangka panjang dengan DOD dan Departemen Energi (DOE), yang melibatkan produksi chip multi‑die prototipe dan prosesor di inti Superkomputer Aurora milik DOE.

Dengan kapitalisasi pasar $187,42 miliar, saham perusahaan diperdagangkan pada $44,33, turun 12,44% YTD. Perusahaan memiliki pendapatan (TTM) $54,22 miliar dan EPS (TTM) 0,38, P/E (TTM) 116,92, dan ROE (TTM) 1,63%. Perusahaan juga membayar dividen 1,13%.

#3. Samsung Electronics

Raksasa teknologi Korea Selatan, Samsung, memproduksi beragam komponen untuk perangkat komunikasi nirkabel dan memiliki kapitalisasi pasar 368,9 miliar. Saham perusahaan diperdagangkan pada 1375, turun 8,28% YTD.

Menurut hasil keuangan tahun fiskal 2023, Samsung melaporkan pendapatan tahunan KRW 258,94 triliun (lebih dari $197 miliar) dan laba operasi KRW 6,57 triliun ($5 miliar).

Kesimpulan 

Seperti yang telah kami bahas di atas, kebutuhan akan transfer data yang lebih cepat terus meningkat setiap hari, terutama ketika AI hadir dan berkembang dengan sangat cepat. Dalam lingkungan seperti itu, penting agar penelitian terus memperkenalkan perbaikan dalam mentransmisikan data, memungkinkan kita memiliki pengalaman yang lebih memperkaya.