Computing
Nuove intuizioni sulla fononica potrebbero ridefinire i dispositivi di comunicazione di nuova generazione
Con Internet che ha spiccato le ali in tutto il mondo, alcuni potrebbero sentire che i giorni del boom della comunicazione siano finiti. Alcuni potrebbero persino pensare che non ci sia più nulla da raggiungere nello spazio industriale dei dispositivi, soluzioni e servizi di comunicazione.
È vero che se giudichiamo l’industria solo in base alla sua percentuale di crescita stimata, sembrerebbe minima. Ma è solo perché la dimensione di mercato di base, su cui calcoliamo la crescita, è fenomenalmente alta. Secondo le previsioni, il mercato globale dei servizi di comunicazione crescerà da US$1.5 trillion to US$1.6 trillion tra il 2024 e il 2028.
La crescita in un mercato da più trilioni di dollari può essere raggiunta solo con innovazioni rivoluzionarie costanti in questo settore. Una di queste soluzioni sfrutta la fononica per creare dispositivi di comunicazione più piccoli e potenti. Di seguito, discutiamo quell’innovazione, proveniente dai ricercatori dell’Università dell’Arizona, Wyant College of Optical Sciences e Sandia National Laboratories.
La prossima rivoluzione nelle comunicazioni wireless sfruttando la fononica
Prima di discutere l’innovazione e i suoi dettagli, cerchiamo di capire la fononica, la comunità scientifica definisce la fononica come “un campo emergente che cerca di chiarire la natura del moto meccanico intrinseco sia nei materiali convenzionali sia in quelli artificialmente strutturati e utilizza questa conoscenza per estendere i confini della risposta fisica a livello di materiale o di struttura/dispositivo o entrambi.”
Mentre la definizione scientifica di base può sembrare difficile da afferrare, un’analogia con la fotonica la rende più semplice da comprendere. La fotonica sfrutta i fotoni per far progredire la tecnologia ottica. Allo stesso modo, la fononica sfrutta i fononi, particelle fisiche che trasmettono vibrazioni meccaniche attraverso un materiale a una frequenza quasi inaudibile.
Nella ricerca di cui parliamo, gli scienziati hanno potuto mescolare semiconduttori altamente specializzati e materiali piezoelettrici per produrre enormi interazioni non lineari tra fononi. Successivamente, hanno impiegato amplificatori per fononi — realizzati dello stesso materiale — per creare dispositivi wireless più efficienti, potenti e più piccoli, inclusi smartphone e trasmettitori di dati.
Secondo il co‑autore senior dello studio, Matt Eichenfield, che ricopre una nomina congiunta presso l’Arizona College of Optical Sciences e Sandia National Laboratories ad Albuquerque, New Mexico:
“La maggior parte delle persone probabilmente sarebbe sorpresa di sentire che ci sono circa 30 filtri all’interno del loro cellulare il cui unico compito è trasformare le onde radio in onde sonore e viceversa.”
Ora, con i materiali fononici molto più piccoli messi in azione, sarebbe possibile ridurre la necessità di questi numerosi filtri, poiché un fascio di fononi può cambiare la frequenza di un altro fascio.
Questo risultato è in linea con la visione dei ricercatori di produrre tutti i componenti necessari per l’elaborazione del segnale a radiofrequenza da tecnologie di onde acustiche invece che da elettronica basata su transistor. Il risultato sarebbe tutto integrato su un singolo chip, compatibile con il modo in cui i microprocessori standard sono fabbricati.
Approfondendo ulteriormente l’impatto che la loro innovazione potrebbe creare, Eichenfield ha affermato:
“Ora, puoi indicare ogni componente in uno schema di un processore front‑end a radiofrequenza e dire: ‘Sì, posso realizzare tutti questi su un unico chip con onde acustiche. Siamo pronti a passare a realizzare l’intero sistema nel dominio acustico.'”
Ottenere un singolo chip e avere tutto integrato al suo interno potrebbe ridurre le dimensioni dei dispositivi e dei gadget di comunicazione di un fattore 100, stima Eichenfield.
Una ricerca simile è stata condotta lo scorso anno da un team di ricercatori dell’Università del Michigan, dove hanno ideato un nuovo tipo di transistor riconfigurabile usando un semiconduttore ferroelettrico a spessore nanometrico.
Transistor ad Alta Mobilità Elettronica Ferroelettrica (FeHEMT) per Ridurre i Dispositivi di Comunicazione sugli Smartphone
La caratteristica principale del FeHEMT che lo rende migliore dei HEMT è la capacità di mantenere una polarizzazione elettrica, simile alla versione elettrica del magnetismo. Aggiungendo flessibilità comportamentale al transistor, questi semiconduttori possono passare tra i poli positivo e negativo.
Poiché il FeHEMT è riconfigurabile, può funzionare come diversi dispositivi. Un singolo amplificatore può svolgere il ruolo di diversi amplificatori, ciascuno pronto per il controllo dinamico. Questa proprietà consente ai ricercatori di ridurre l’area del circuito del dispositivo e di abbassare i costi e il consumo energetico.
La transizione da FeHEMT a HEMT ha comportato approfondite esplorazioni scientifiche e numerosi test, prove ed esperimenti. Il semiconduttore è stato realizzato in nitruro di alluminio arricchito con scandio. Diventare il primo semiconduttore ferroelettrico a base di nitruro ha permesso l’integrazione senza soluzione di continuità con il semiconduttore di prossima generazione, nitruro di gallio. L’output poteva raggiungere velocità fino a 100 volte superiori a quelle del silicio. Non solo era ad alta velocità, ma era anche altamente efficiente e a basso costo.
Ping Wang, ricercatore in ingegneria elettrica e informatica e co‑autore corrispondente della ricerca, ha dichiarato:
“Aggiungendo la ferroelettricità a un HEMT, possiamo rendere il commutamento più netto. Questo potrebbe consentire un consumo di energia molto lower power consumption oltre a un alto guadagno, creando dispositivi molto più efficienti.”
In un altro caso di costruzione di hardware di comunicazione preciso con potenziale trasformativo, un team di ricercatori in ingegneria elettrica e informatica dell’Università del Michigan è riuscito a costruire il primo trasmettitore e antenna a scala millimetrica che poteva ‘talk Bluetooth Low Energy with ease.‘
Costruire il Primo Trasmettitore e Antenna a Scala Millimetrica
Il professor David Wentzloff ha guidato il team e la ricerca fino a realizzare il primo dispositivo a scala millimetrica in grado di comunicare con precisione via Bluetooth Low Energy. Il trasmettitore e l’antenna consumavano solo 606 microwatt, ovvero 0,6 milliwatt complessivi, durante la trasmissione. Il sistema ha potuto raggiungere questa scala rendendo l’amplificatore superfluo o ridondante grazie a una combinazione unica di oscillatore e antenna.
Spiegando il potenziale dell’invenzione, il professor Wentzloff ha affermato:
“Sono entusiasta delle future direzioni di ricerca che saranno aperte rimuovendo la barriera della connettività wireless!”
Questo risultato aprirà nuove strade nell’area dell’IoT e ne aumenterà significativamente la capacità di adozione.
L’invenzione è stata anche cruciale per l’innovazione di punta dell’Università, il Michigan Micro Mote (M3), il primo computer al mondo a scala millimetrica. Con un tale trasmettitore incorporato nel M3, la comunicazione con uno smartphone ordinario diventerà più efficiente.
Spiegando la sua usabilità, Wentzloff ha detto:
“Questa radio aggiunge la prima comunicazione conforme agli standard allo stack M3. Questo ci consente di distribuire i dispositivi M3 più rapidamente e di inviare più facilmente i dati rilevati al cloud collegandoci direttamente a uno smartphone.”
Ricerche di questo calibro rivoluzioneranno gli standard di comunicazione per la prossima generazione. Le aziende globali investono ricerca e risorse per rendere i dispositivi di comunicazione pronti per il futuro. Queste aziende possono trarre enormi benefici da questi studi e esperimenti. Nelle sezioni seguenti, discuteremo un paio di queste aziende.
#1. Nokia
Nokia offre un ampio portafoglio di dispositivi di comunicazione. Per quanto riguarda l’ottimizzazione dello spazio, una gamma di prodotti che si distingue è la AirScale Small Cells.
Nokia possiede il portafoglio di small‑cell più ampio del settore, con radio ottimizzate per supportare operatori di rete mobile e imprese in tutti gli scenari di distribuzione. Conosciute anche come AirScale Shikra Radios, queste si presentano sotto forma di radio a onde millimetriche e radio pico per soluzioni indoor.
Le radio Shikra sono piccole e facili da distribuire, sia autonome sia associate, grazie alle loro unità baseband ottimizzate per le small‑cell che accelerano il rollout della rete. Per la loro natura compatta, le radio mmWave sono pronte per l’installazione in una varietà di luoghi, inclusi spazi urbani densi, aree commerciali, arene sportive e altri grandi spazi pubblici dove è richiesta una capacità estrema.
Le radio Pico sono una soluzione indoor che soddisfa una gamma di casi d’uso aziendali, supportando più tecnologie di accesso radio e configurazioni di rete flessibili. Nokia offre anche soluzioni small‑cell all‑in‑one che non richiedono un’unità baseband separata e consentono un’installazione plug‑and‑play semplice e una flessibilità di distribuzione sia indoor che outdoor.
Per l’anno fiscale 2023, Nokia ha riportato un fatturato annuo di EUR 22,258 miliardi, un calo considerevole rispetto ai EUR 24,91 miliardi dell’anno fiscale precedente. L’utile operativo ha registrato anche un calo a EUR 2,375 miliardi rispetto a EUR 3,109 miliardi tra FY 23 e FY 22.
#2. Motorola Solutions
Motorola è stata un pioniere nell’introdurre dispositivi di comunicazione futuristici, sofisticati e all’avanguardia nel mondo. Un dispositivo che potrebbe beneficiare particolarmente di questa ricerca e spingere ulteriormente i confini è il dispositivo indossabile TLK 25 di Motorola. Pesa solo 73 grammi e misura 3,2 × 1,9 × 0,7 cm.
Nel suo nucleo, il TLK 25 è un dispositivo indossabile WAVE PTX che supera le capacità push‑to‑talk di un walkie‑talkie. Questi dispositivi sono compatti, robusti e dotati di un assistente vocale intuitivo. Il dispositivo dispone di connettività Wi‑Fi e utilizza anche LTE nazionale quando il Wi‑Fi non è disponibile. Il suo assistente vocale intuitivo consente l’accesso manosfree a comunicazioni, impostazioni del dispositivo, funzioni di sicurezza, stati, notifiche e avvisi.
La gamma di prodotti TLK 25 di Motorola si distingue per la compattezza e la sintesi delle funzionalità. Questi dispositivi trarrebbero enormi benefici da ricerche e soluzioni di trasmissione che li rendono più eleganti ed efficienti.
(MSI )
Nel quarto trimestre del 2023, Motorola Solutions ha riportato vendite nette di US$2,85 miliardi, mentre il fatturato complessivo per l’anno 2023 è stato quasi US$10 miliardi. L’utile operativo per il 2023 è aumentato a US$2,784 miliardi rispetto a US$2,368 miliardi nel 2022.
Il ruolo dei dispositivi di comunicazione nel nostro mondo moderno
Sarebbe difficile per la civiltà umana sopravvivere senza i suoi mezzi e strumenti per una comunicazione efficiente che funzionino correttamente. I dispositivi di comunicazione della prossima generazione dovranno sviluppare molte qualità per essere più pronti all’adozione futura.
Questi dispositivi, ad esempio, dovranno essere pronti a sopportare le condizioni più dure. Dovranno essere sufficientemente efficienti da accogliere ogni innovazione finora raggiunta in questo settore, soprattutto nella gestione simultanea di voce, video e flussi di dati.
Fornendo tutti questi servizi, i dispositivi non devono compromettere la loro integrità. Con sistemi di sicurezza sofisticati che sfruttano analisi AI costruite responsabilmente, questa non è più una sfida.
Tuttavia, possedere tutte queste proprietà e funzionalità non deve tradursi in qualcosa che occupa molto spazio, si surriscalda rapidamente o è costoso da produrre.
I dispositivi di comunicazione di nuova generazione evolveranno tenendo conto di questi aspetti. Già sono emersi nuovi paradigmi tecnologici che accelereranno questa evoluzione. Per esempio, si parla molto di tecnologie come la Comunicazione a Luce Visibile (VLC)/Li‑Fi, dove la trasmissione dei dati avviene tramite luce anziché onde radio, a velocità elevate mediante piccoli aggiustamenti dell’intensità.
Queste soluzioni offrono velocità molto elevate, superando le capacità di larghezza di banda delle comunicazioni convenzionali. Poiché vanno oltre il metodo tradizionale, è possibile raggiungere standard migliorati di sicurezza e affidabilità. I ricercatori credono che tali soluzioni siano perfette per uso militare.
Oltre all’hardware di trasmissione dati, è stato compiuto notevole progresso nello spazio delle tecnologie dei sensori. Queste tecnologie aiuterebbero ad aggiornare l’infrastruttura esistente di IoT e supporto all’automazione.
Secondo i dati presentati da ASSIA Inc., l’aumento del traffico di upload da PC/telefono dall’inizio di marzo 2024 potrebbe raggiungere l’80 % solo negli Stati Uniti. Il mondo è diventato molto più virtuale rispetto a prima della pandemia di COVID‑19. Webcam, PC e laptop trasmettono video in continuo. La fornitura di servizi sanitari, educativi e altri servizi di emergenza è diventata molto più virtuale. Affrontare queste situazioni richiederà dispositivi molto più ottimizzati in termini di spazio ed efficienti. Dovranno inoltre essere pronti per il 5G.
Le organizzazioni e le aziende devono continuare a investire risorse e ricerca per rendere la comunicazione di prossima generazione più efficiente e conveniente.
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