Più piccoli, più veloci, migliori – Processori 3D per sostenere le esigenze di trasferimento dati di domani

I ricercatori dell’Università della Florida sono pronti a trasformare la comunicazione wireless con una tecnologia a semiconduttore innovativa per la fabbricazione di processori, migliorando significativamente l’efficienza del trasferimento dati globale. Pubblicata sulla rivista Nature Electronics, questa innovazione arriva in un momento in cui la domanda di trasferimento dati ad alta velocità sta aumentando in modo drammatico. 

Già, l’espansione di Internet, con il numero di utenti Internet in forte crescita e il traffico globale di Internet che aumenta di diverse volte, ha causato una domanda di data center e di trasmissione dati che cresce a un ritmo estremamente rapido.

Inoltre, negli ultimi due anni, Intelligenza Artificiale (AI) ha ulteriormente spinto questa domanda a decollare. L’industria multimiliardaria dell’AI sta cambiando le nostre vite e cresce a un ritmo veloce. Viene utilizzata in tutto, dall’istruzione, arte e intrattenimento alla sanità, automobili e molto altro. 

Le applicazioni AI richiedono notevole potenza computazionale per elaborare e analizzare enormi quantità di dati, il che spinge la necessità di hardware più potente ed efficiente nei data center. 

Inoltre, c’è una crescente domanda di trasferimento dati ad alta velocità all’interno dei data center e tra le reti, poiché i sistemi AI spesso dipendono da grandi set di dati per l’addestramento e l’apprendimento continuo. E più questi sistemi AI sono complessi, maggiore è la necessità di una larghezza di banda di rete più elevata e miglioramenti in switch, router e cavi in fibra ottica ad alta capacità per garantire un movimento efficiente dei dati.

L’ascesa recente delle applicazioni di AI Generativa, in particolare, sta portando l’AI in aree nuove e interessanti. Man mano che entrano nel mainstream, richiedono l’elaborazione dei dati in tempo reale per fornire risposte rapide e immediate. Pertanto, l’infrastruttura dati attuale necessita di una revisione completa per soddisfare le crescenti richieste dell’AI.

Quindi, in questo contesto, gli scienziati hanno effettuato con successo la transizione da processori planari a processori tridimensionali (3D). 

Meno di un mese fa, ricercatori dell’Università di Stoccarda, Germania, insieme a molte aziende, hanno realizzato “Immagine di circuiti in tre dimensioni.” Secondo lo studio, i ricercatori hanno aggiunto una piastra di diamante con centri di vacanza di azoto (NV) all’area del circuito da studiare. Hanno poi posizionato l’intero setup in un microscopio a fluorescenza a campo largo, e i campi magnetici generati hanno influenzato gli spin dei centri NV, misurati tramite risonanza magnetica otticamente rilevata. È stato in grado di rilevare correnti deboli fino a 10 μA μm−2 con risoluzione spaziale sub-micrometrica.

Quindi, ora, l’utilizzo della tecnologia a semiconduttore per spingere la comunicazione wireless in una nuova dimensione sta contribuendo a introdurre una nuova era di efficienza nella trasmissione dei dati. L’innovazione è stata realizzata dal team di Roozbeh Tabrizian, Ph.D., professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università della Florida.

“La capacità di trasmettere dati in modo più efficiente e affidabile aprirà porte a nuove possibilità, alimentando i progressi in settori come le città intelligenti, l’assistenza sanitaria a distanza e la realtà aumentata.” 

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Evoluzione della Comunicazione Wireless 

La trasmissione di informazioni da un mittente a un ricevente senza alcuna connessione cablata è stata realizzata per la prima volta alla fine del XIX secolo quando Heinrich Hertz dimostrò la trasmissione di onde elettromagnetiche nello spazio negli anni 1880. L’unità di frequenza fu chiamata ‘hertz’ in suo onore. Poi, molti anni dopo, Guglielmo Marconi trasmise segnali su lunghe distanze usando le onde radio nel 1895. Non fu fino a decenni dopo, negli anni 1970, che fu sviluppato il precursore dei moderni telefoni cellulari.

Quindi, per quanto riguarda la comunicazione wireless, si tratta della trasmissione di informazioni su una distanza senza l’ausilio di conduttori elettrici come fili e cavi. Questa forma di comunicazione riguarda il collegamento e la comunicazione tra due o più dispositivi usando un segnale wireless attraverso dispositivi e tecnologie wireless. Alcune forme di questa rete di comunicazione includono Mobile, Bluetooth, Broadcast radio, Wi-Fi e comunicazione a infrarossi.

Questa forma di comunicazione di solito comporta il trasferimento di dati usando onde elettromagnetiche. Questo meccanismo trasporta segnali ovunque, da pochi metri, come un telecomando TV, a mille chilometri, come la comunicazione satellitare. Non esiste un modo di comunicazione fisico qui. 

Nel frattempo, le onde elettromagnetiche includono Luce Visibile, Raggi Gamma, Raggi X, Raggi Ultravioletti, Raggi Infrarossi, Onde Radio e Raggi Microonde, che trasmettono il segnale.

La comunicazione wireless offre diversi vantaggi, il principale è la flessibilità e la comodità. Questa forma di comunicazione consente alle persone di comunicare indipendentemente dalla loro posizione. Questa flessibilità permette alle persone di portare i loro dispositivi ovunque, senza necessità di connessione fisica, permettendoci di connetterci con chiunque, ovunque, in qualsiasi momento.

Poiché questo metodo non prevede l’uso di cavi di connessione, cavi di rete o l’installazione di un’infrastruttura fisica elaborata, le connessioni wireless sono più efficaci rispetto alle loro controparti cablate.

Miglioramenti sono osservati anche in termini di velocità e precisione. Inoltre, la tecnologia wireless offre una migliore accessibilità, specialmente nelle aree remote dove la posa di linee a terra è difficile e complessa. Questa facile accessibilità offre connettività costante, permettendo alle persone di rispondere alle emergenze relativamente rapidamente.

Dato i numerosi vantaggi della comunicazione wireless, la tecnologia wireless è evoluta rapidamente per soddisfare le crescenti esigenze degli utenti. I progressi tecnologici hanno portato a tassi di trasmissione dati più elevati e a una migliore qualità dei servizi.

Poiché la connettività internet sta diventando una parte essenziale delle nostre vite personali e professionali, ricercatori, scienziati, aziende e governi hanno sviluppato e investito in modi per rendere il trasferimento dati più veloce ed efficiente. All’inizio di quest’anno, scienziati dell’Università di Oxford nel Regno Unito sviluppato vortici magnetici in membrane per consentire il trasferimento dati a chilometri al secondo. Questo avanzamento dovrebbe aprire la strada a una nuova generazione di piattaforme di calcolo superveloci.

Secondo Hariom Jani, che sta svolgendo un postdoc presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Oxford:

“Il calcolo basato su silicio è troppo inefficiente dal punto di vista energetico per la prossima generazione di applicazioni di calcolo come l’AI su larga scala e i dispositivi autonomi.” 

I ricercatori hanno fabbricato membrane di ematite cristallina estremamente sottili, che combinano le qualità vantaggiose sia dei materiali 2D che 3D e sono facilmente trasferibili. Queste membrane flessibili possono essere torcite in diverse forme senza rompersi, una caratteristica utilizzata per modellare vortici magnetici in 3D. L’integrazione con questa tecnologia dovrebbe consentire ai futuri computer di funzionare come il cervello umano.

Un altro sviluppo interessante nel campo è avvenuto due anni fa quando ricercatori della School of Engineering dell’Università di Birmingham rivelato una nuova antenna a sterzo di fascio per migliorare l’efficienza della trasmissione dati. Inoltre, apre una gamma di frequenze per le comunicazioni mobili che sono state inaccessibili alle tecnologie attualmente utilizzate.

Un Processore Rivoluzionario

Attualmente, i dati nei nostri dispositivi mobili vengono convertiti in onde elettromagnetiche che vengono comunicate avanti e indietro tra gli utenti di tutto il mondo. Qui, i processori o filtri spettrali sono responsabili del movimento dei dati attraverso diverse frequenze. L’elaborazione spettrale suddivide l’audio in unità piccole e discrete, consentendo di mirare a un livello molto fine.

Il modo per capire questo è attraverso i semafori, che garantiscono un flusso efficiente del traffico attraverso una città. Tuttavia, c’è solo un certo livello di traffico che può essere gestito dall’infrastruttura di una città. Se il volume di auto continua a crescere, creerà un problema.

Ora, “stiamo iniziando a raggiungere la quantità massima di dati che possiamo spostare in modo efficiente,” ha dichiarato Tabrizian. Ha spiegato che i processori planari, su cui le comunicazioni wireless si sono tradizionalmente basate, “non sono più pratici poiché ci limitano a un intervallo di frequenze molto ristretto.”

Nell’industria dei semiconduttori, planar è un processo di fabbricazione usato per costruire componenti singoli di un transistor e poi collegarli insieme. È il modo in cui vengono costruiti i chip a circuito integrato in silicio. Un circuito integrato (IC), noto anche come microchip, è un piccolo dispositivo elettronico composto da più componenti elettronici interconnessi come transistor, resistori e condensatori incisi su un piccolo pezzo di semiconduttore materiale.

I semiconduttori sono una parte integrante del nostro mondo oggi poiché hanno aiutato a rivoluzionare la tecnologia. Sono materiali con conduttività intermedia tra conduttori e isolanti. Vengono usati nella fabbricazione di diodi, transistor e IC per il loro basso costo, efficienza energetica, compattezza e affidabilità. Sono i semiconduttori che ci forniscono dispositivi elettronici, da radio e computer a apparecchiature diagnostiche mediche e molto altro. 

Ora, con i progressi tecnologici e l’avvento dell’AI, l’aumento sostanziale della domanda richiede notevolmente più filtri a varie frequenze per spostare i dati. Tabrizian ha detto:

“Pensateci come luci sulla strada e in aria. Diventa un caos. Un chip prodotto per una sola frequenza non ha più senso.” 

Tabrizian e il suo team al Herbert Wertheim College of Engineering hanno usato il processo di fabbricazione CMOS per costruire il risonatore nanomeccanico tridimensionale. CMOS o Complementary Metal Oxide Semiconductor comprende transistor NMOS che hanno regioni N++ al terminale source e drain e un substrato di tipo p e transistor PMOS che hanno due regioni P++ e un substrato di tipo n. CMOS è usato per la sua bassa dissipazione di potenza e correnti operative basse.

Il mese scorso, abbiamo notato nel nostro “Computing at the Speed of Light with Silicon-Photonics” articolo che ricercatori dell’Università della Pennsylvania hanno sviluppato un chip che utilizza onde luminose invece dell’elettricità per eseguire i complessi calcoli richiesti per addestrare l’AI. 

Questo nuovo chip può facilitare una velocità di elaborazione molto più rapida riducendo al contempo il consumo energetico dei dispositivi, aprendo la strada alla nuova generazione di sviluppo AI. Questo dimostra l’impatto crescente e la domanda di AI, facendo sì che tutti ne prendano atto e lavorino per renderla ancora migliore.

Tornando ai processori 3D, possono offrire prestazioni migliorate occupando meno spazio. Hanno anche una scalabilità indefinita, il che li rende estremamente potenti nell’accogliere le crescenti richieste. Su questo, Tabrizian ha detto:

“Sfruttando i punti di forza delle tecnologie a semiconduttore nell’integrazione, routing e packaging, possiamo integrare diversi processori dipendenti dalla frequenza sullo stesso chip. Questo è un enorme vantaggio.”

Integrando diverse frequenze su un unico chip, questo nuovo tipo di processore spettrale è “veramente un cambiamento di gioco,” ha detto David Arnold, associate chair for faculty affairs nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università della Florida. Questo “nuovo approccio per chipset radio multi-banda, agile in frequenza,” Arnold ha osservato, risolve una grande sfida di produzione consentendo ai progettisti di “immaginare strategie di comunicazione completamente nuove in un mondo wireless sempre più congestionato.” 

Questa innovazione è il risultato di cinque anni di lavoro. Il team di ricercatori, tra cui Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski e Tabrizian, ha iniziato a lavorare su questo nuovo approccio al processore nel 2019. 

Lo studio ha ricevuto finanziamenti dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Un’agenzia di ricerca del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DOD), DARPA investe e sviluppa tecnologie emergenti per la sicurezza nazionale militare. Arnold ha dichiarato:

“In parole più semplici, i nostri dispositivi wireless funzioneranno meglio, più velocemente e più in sicurezza.” 

Aziende 

Ora, diamo un’occhiata alle aziende che possono beneficiare di questa ricerca:

#1. NVIDIA Corporation 

Il produttore di chip con sede in California è noto per le sue unità di elaborazione grafica (GPU). La tecnologia di NVIDIA (NVDA ) è usata nei data center e nelle applicazioni AI, che possono beneficiare dei miglioramenti nell’efficienza del trasferimento dati. Recentemente, rispondendo a una domanda su quanti altri fabbricanti di chip (o fab, abbreviazione di fabbricazione) siano necessari per supportare l’espansione dell’industria AI, il CEO di Nvidia Jensen Huang ha detto:

“Avremo bisogno di più fab.”

Tuttavia, stanno anche migliorando enormemente gli algoritmi e l’elaborazione AI.

Con una capitalizzazione di mercato di $2,188 trilioni, le azioni dell’azienda sono state scambiate a $869, in crescita del 76,75% anno-to-date (YTD). L’azienda ha un fatturato (TTM) di $60,9 miliardi e un EPS (TTM) di 11,93, P/E (TTM) di 73,38, e ROE (TTM) di 91,46%. L’azienda paga anche un dividendo dello 0,02%. Nella chiamata sugli utili di febbraio, il CEO Huang ha parlato di collaborazioni con sanità, biologia, servizi finanziari, robotica e aziende di veicoli autonomi, nonché con sviluppatori di AI e LLM.

#2. Intel Corporation 

Un’altra azienda leader nell’industria dei semiconduttori, Intel (INTC ), potrebbe anche beneficiare dei progressi nella tecnologia dei processori. La corporation spera attualmente di ottenere un enorme finanziamento di $3,5 miliardi, da distribuire in un periodo di tre anni, dal governo degli Stati Uniti per produrre semiconduttori avanzati per i programmi militari della nazione. 

Intel ha già relazioni di lunga data con il DOD e il Dipartimento dell’Energia (DOE), che hanno coinvolto la produzione di chip multi-die prototipo e processori al cuore del supercomputer Aurora del DOE.

Con una capitalizzazione di mercato di $187,42 miliardi, le azioni dell’azienda sono state scambiate a $44,33, in calo del 12,44% YTD. L’azienda ha un fatturato (TTM) di $54,22 miliardi e un EPS (TTM) di 0,38, P/E (TTM) di 116,92, e ROE (TTM) di 1,63%. L’azienda paga anche un dividendo dell’1,13%.

#3. Samsung Electronics

Il gigante tecnologico sudcoreano, Samsung, produce una gamma di componenti per dispositivi di comunicazione wireless e ha una capitalizzazione di mercato di 368,9 miliardi. Le azioni dell’azienda sono state scambiate a 1375, in calo dell’8,28% YTD.

Secondo i risultati dell’anno fiscale 2023, Samsung ha registrato un fatturato annuo di KRW 258,94 trilioni (oltre $197 miliardi) e un profitto operativo di KRW 6,57 trilioni ($5 miliardi).

Conclusione 

Come discusso sopra, la necessità di trasferimenti dati più rapidi continua a crescere ogni giorno, soprattutto ora che l’AI è qui e avanza in modo folle. In un ambiente del genere, è importante che la ricerca continui a introdurre miglioramenti nella trasmissione dei dati, permettendoci di avere un’esperienza più arricchente.