Kleiner, Sneller, Beter – 3D-processors om de datatransferbehoeften van morgen te ondersteunen

Onderzoekers van de Universiteit van Florida hebben een halfgeleidertechniek voor driedimensionale radiofrequentiefilters ontwikkeld. Het gaat om spectrale signaalverwerking met nanomechanische resonatoren, niet om een algemene vervanger van computerprocessors. Deze innovatie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Electronics, komt op een moment dat de vraag naar snelle gegevensoverdracht sterk toeneemt.

De groei van internetgebruik en dataverkeer vergroot de vraag naar datacenters en efficiënte gegevensoverdracht.

Ook kunstmatige intelligentie (AI) vergroot die vraag. AI wordt onder meer toegepast in onderwijs, gezondheidszorg, vervoer en digitale diensten.

AI-toepassingen vereisen aanzienlijke rekenkracht om enorme hoeveelheden data te verwerken en analyseren, wat de behoefte aan krachtigere en efficiëntere hardware in datacenters drijft. 

Het trainen en gebruiken van AI kan veel gegevensverkeer veroorzaken, binnen datacenters en tussen locaties. De benodigde bandbreedte hangt af van de toepassing en architectuur; niet ieder model leert voortdurend bij.

Generatieve AI kan snelle verwerking vereisen om vlot te reageren. Dat stimuleert verbeteringen aan rekenhardware en netwerken, maar betekent niet dat alle bestaande infrastructuur volledig moet worden vervangen.

Het team in Florida onderzocht een driedimensionale structuur om verschillende frequentieafhankelijke filterelementen op één chip te integreren.

Een afzonderlijk onderzoek uit Stuttgart, in februari 2024 besproken onder de titel Schakelingen in drie dimensies in beeld brengen, gebruikte diamant met stikstof-vacaturecentra om elektrische stroom in chips zichtbaar te maken. Magnetische velden beïnvloeden de spins van deze centra, die optisch worden uitgelezen. De genoemde 10 μA/μm² betreft stroomdichtheid, niet stroom. Dit is een meetmethode voor bestaande schakelingen, geen bewijs voor een nieuwe algemene 3D-processor.

Het onderzoek in Florida stond onder leiding van Roozbeh Tabrizian, destijds universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek. Het richtte zich op compactere, flexibele radiofrequentiefilters.

Tabrizian ziet mogelijkheden voor draadloze verbindingen met efficiëntere spectrale verwerking. Hij lichtte de mogelijke toepassingen als volgt toe:

“Het vermogen om data efficiënter en betrouwbaarder te verzenden zal deuren openen naar nieuwe mogelijkheden, en vooruitgang stimuleren op gebieden zoals slimme steden, zorg op afstand en augmented reality.” 

Klik hier om te leren waarom 2023 een doorbraakjaar was voor kunstmatige intelligentie.

Evolutie van draadloze communicatie 

De overdracht van informatie van een zender naar een ontvanger zonder enige bekabelde verbinding werd voor het eerst bereikt in de late 19e eeuw toen Heinrich Hertz in de jaren 1880 de transmissie van elektromagnetische golven door de ruimte demonstreerde. De eenheid van frequentie werd ter ere van hem ‘hertz’ genoemd. Later, vele jaren daarna, zond Guglielmo Marconi in 1895 signalen over lange afstanden via radiogolven. Pas decennia later, in de jaren 1970, werd de voorloper van de moderne mobiele telefoons ontwikkeld.

Draadloze communicatie draagt informatie over zonder een fysieke kabel tussen zender en ontvanger. Voorbeelden zijn mobiele netwerken, Bluetooth, radio, wifi en infraroodverbindingen.

De overdracht gebruikt elektromagnetische golven. Afstanden lopen uiteen van enkele meters bij een afstandsbediening tot grote afstanden bij satellietcommunicatie. De golven zijn een fysieke drager van het signaal, ook zonder kabel.

Het elektromagnetische spectrum omvat onder meer radiogolven, microgolven, infrarood en zichtbaar licht. Niet ieder deel van het spectrum is geschikt of gangbaar voor alledaagse draadloze communicatie.

Draadloze verbindingen maken mobiliteit en flexibele toegang mogelijk. Bereik, dekking en capaciteit bepalen echter waar en wanneer een verbinding werkt.

Er is geen kabel nodig naar ieder eindapparaat, maar draadloze netwerken gebruiken wel infrastructuur zoals antennes, basisstations en vaak glasvezelverbindingen. Ze zijn niet in elke situatie sneller of efficiënter dan bekabelde netwerken.

In afgelegen gebieden kan draadloze toegang soms eenvoudiger zijn dan nieuwe kabels aanleggen. Dat garandeert geen constante verbinding: stroomvoorziening, terrein, weersinvloeden en netwerkbelasting kunnen een rol spelen.

Gegeven de vele voordelen van draadloze communicatie, heeft draadloze technologie zich snel ontwikkeld om te voldoen aan de groeiende gebruikersvereisten. Vooruitgang in technologie heeft geleid tot hogere dataoverdrachtsnelheden en verbeterde kwaliteit van diensten.

Onderzoek richt zich ook op andere manieren om informatie te verwerken. De Universiteit van Oxford presenteerde in februari 2024 magnetische wervelingen in dunne membranen. Zulke structuren zouden als informatiedragers kunnen dienen. De genoemde snelheid van kilometers per seconde betreft mogelijke beweging van de wervelingen, niet een gemeten internetsnelheid.

Volgens Hariom Jani, die een postdoc doet aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Oxford:

“Siliciumgebaseerde computing is veel te energie‑inefficiënt voor de volgende generatie computertoepassingen zoals grootschalige AI en autonome apparaten.” 

Het Oxford-team maakte dunne, flexibele hematietmembranen die naar onder meer silicium kunnen worden overgebracht. Ze konden worden gebogen zonder te breken en boden ruimte aan driedimensionale magnetische patronen. Toepassing in nieuwe computerarchitecturen was een onderzoeksdoel, geen reeds werkende breinachtige computer.

In juni 2022 presenteerden onderzoekers van de Universiteit van Birmingham een antenne met bestuurbare bundelrichting. Proeven en modellen onderzochten efficiëntere verbindingen op hoge frequenties. Het is een ander onderzoeksgebied dan de resonatoren uit Florida.

Driedimensionale spectrale verwerking

Radiofrequentiefilters selecteren of onderdrukken delen van het frequentiespectrum en helpen signalen van elkaar te scheiden. De term spectrale processor verwijst hier naar die functie. Het gaat niet om het opdelen van audio in losse digitale eenheden.

De manier om dit te begrijpen is via verkeerslichten, die zorgen voor een efficiënte doorstroming van verkeer door een stad. Er is echter slechts een bepaald niveau van verkeer dat de infrastructuur van een stad aankan. Als het aantal auto’s blijft toenemen, ontstaat er een probleem.

“We beginnen de maximale hoeveelheid gegevens te bereiken die we efficiënt kunnen verplaatsen,” stelde Tabrizian. Hij legde uit dat vlakke processors, waarop draadloze communicatie traditioneel heeft vertrouwd, “niet langer praktisch zijn omdat ze ons beperken tot een zeer beperkt frequentiebereik.”

Bij vlakke halfgeleiderfabricage worden componenten op of nabij het oppervlak gevormd en met elkaar verbonden. Een geïntegreerde schakeling bevat elektronische elementen op een klein stuk halfgeleidermateriaal. Driedimensionale structuren kunnen extra ontwerpvrijheid bieden, maar stellen ook eisen aan fabricage en integratie.

Halfgeleiders hebben elektrische eigenschappen die door materiaalkeuze, doping en velden kunnen worden gestuurd. Daardoor zijn ze geschikt voor onder meer diodes, transistoren en geïntegreerde schakelingen. Kosten, efficiëntie en betrouwbaarheid hangen af van het ontwerp en productieproces.

Nu, met de technologische vooruitgang en de opkomst van AI, vereist de substantiële toename in vraag aanzienlijk meer filters op verschillende frequenties om data te verplaatsen. Tabrizian zei:

“Zie het als lichten op de weg en in de lucht. Het wordt een rommel. Eén chip die alleen voor één frequentie is vervaardigd, heeft geen zin meer.” 

Het team bouwde driedimensionale nanomechanische resonatoren met technieken die aansluiten op CMOS-fabricage. CMOS staat voor complementaire metaal-oxide-halfgeleidertechnologie en combineert doorgaans n- en p-kanaaltransistoren. De term beschrijft een technologieplatform, geen garantie voor een bepaalde energiezuinigheid.

In ons artikel Rekenen met licht via siliciumfotonica bespraken we onderzoek uit Pennsylvania naar fotonische chips voor wiskundige bewerkingen die relevant zijn voor AI. Zo’n gespecialiseerde rekenbewerking is niet hetzelfde als een volledige AI-training met uitsluitend licht.

Fotonische en andere gespecialiseerde chips kunnen bepaalde berekeningen versnellen of efficiënter maken. De winst voor een compleet systeem hangt ook af van gegevensconversie, geheugen en andere onderdelen.

De driedimensionale filterstructuur kan verschillende frequenties op één chip combineren. Verdere uitbreiding blijft onderworpen aan fysieke, thermische en productietechnische grenzen. Tabrizian zei hierover:

“Door de sterke punten van halfgeleidertechnologieën te benutten in integratie, routing en verpakking, kunnen we verschillende frequentie‑afhankelijke processors op dezelfde chip integreren. Dat is een enorm voordeel.”

David Arnold van de Universiteit van Florida benadrukte dat multibandfilters ontwerpers meer mogelijkheden kunnen geven in een druk bezet radiospectrum. Dat betekent niet dat deze component op zichzelf de beveiliging of prestaties van een volledig draadloos netwerk garandeert.

Deze innovatie is het resultaat van vijf jaar werk. Het team van onderzoekers, waaronder Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski en Tabrizian, begon in 2019 met dit nieuwe processorconcept. 

Het onderzoek kreeg financiering van DARPA, een onderzoeksagentschap van het Amerikaanse ministerie van Defensie. Arnold vatte de ambitie als volgt samen:

“Eenvoudig gezegd zullen onze draadloze apparaten beter, sneller en veiliger werken.”

Bedrijven 

De volgende bedrijven zijn actief in halfgeleiders of elektronische systemen. Dat bewijst niet dat ze deze specifieke resonatortechniek gebruiken of er financieel van zullen profiteren.

#1. NVIDIA Corporation 

NVIDIA(NVDA ) ontwerpt onder meer GPU’s voor datacenters en AI. Verbeteringen in gegevensoverdracht kunnen relevant zijn voor zulke systemen, maar er is hier geen aangetoonde toepassing van de Florida-resonatoren. Jensen Huang wees in een bredere discussie over AI-capaciteit op de behoefte aan meer productiecapaciteit:

“We zullen meer fabrieken nodig hebben.”

Naast chipproductie kunnen efficiëntere algoritmen en systeemontwerpen de benodigde rekenmiddelen beïnvloeden.

NVIDIA rapporteerde 60,9 miljard dollar omzet over boekjaar 2024, dat eindigde op 28 januari 2024. Koers, marktkapitalisatie, dividendrendement en waarderingsratio’s veranderen per handelsdag; waarden zonder peildatum zijn niet als actuele gegevens bruikbaar. De relevantie voor dit onderzoek blijft een mogelijkheid, geen vaststaand commercieel resultaat.

#2. Intel Corporation 

Intel(INTC ) werkt aan halfgeleiderproductie en systemen voor onder meer overheidsprogramma’s. Financieringsplannen en uiteindelijke toekenningen moeten worden onderscheiden; een verwacht bedrag is nog geen ontvangen subsidie.

Intel heeft al langdurige relaties met het DOD en het Department of Energy (DOE), die onder meer de productie van prototype multi‑die chips en processors omvatten die de kern vormen van DOE’s Aurora‑supercomputer.

Intel rapporteerde over kalenderjaar 2023 circa 54,2 miljard dollar omzet. Een aandelenkoers of waarderingsratio moet samen met de peildatum en de gebruikte winstperiode worden vermeld. Historische momentopnamen zijn geen actuele koersinformatie.

#3. Samsung Electronics

Samsung Electronics produceert onder meer geheugenchips, halfgeleiders en componenten voor communicatiesystemen. Bij koers- en marktwaardecijfers moeten valuta, notering, aandeelklasse en peildatum duidelijk zijn; een los getal als 1.375 is daarvoor onvoldoende.

Samsung rapporteerde over 2023 een omzet van 258,94 biljoen Zuid-Koreaanse won en een operationele winst van 6,57 biljoen won. Omrekening naar dollars hangt af van de gekozen wisselkoers.

Conclusie 

De groeiende vraag naar gegevensverwerking stimuleert onderzoek naar filters, verbindingen en rekenhardware. De resonatoren uit Florida zijn een gespecialiseerde ontwikkeling voor spectrale verwerking. De waarde voor complete draadloze systemen en commerciële producten vraagt verdere integratie en toetsing.