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

University of Florida researchers are set to transform wireless communication with a novel semiconductor technology for manufacturing processors, significantly enhancing global data transfer efficiency. Gepubliceerd op in the journal Nature Electronics, this innovation comes at a time when the demand for high-speed data transfer is rising dramatically. 

Al heeft de uitbreiding van het internet, met een aanzienlijke toename van het aantal internetgebruikers en een wereldwijde internetverkeer dat meerdere malen is gestegen, geleid tot een extreem snelle groei in de vraag naar datacenters en datatransmissie.

Bovendien heeft Kunstmatige intelligentie (AI) de afgelopen paar jaar deze vraag nog verder doen stijgen. De miljarden-dollarindustrie van AI verandert ons leven en groeit in een snel tempo. Het wordt gebruikt in alles, van onderwijs, kunst en entertainment tot gezondheidszorg, auto’s en nog veel meer. 

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

Bovendien is er een groeiende vraag naar hogesnelheidsdatatransfer binnen datacenters en over netwerken, aangezien AI-systemen vaak afhankelijk zijn van grote datasets voor training en continue leermodellen. Hoe complexer deze AI-systemen, hoe groter de behoefte aan hogere netwerkbandbreedte en verbeteringen in switches, routers en glasvezelkabels met hogere capaciteit om efficiënte dataverplaatsing te waarborgen.

De recente opkomst van generatieve AI-toepassingen, in het bijzonder, brengt AI naar nieuwe en interessante gebieden. Nu ze de mainstream betreden, vragen ze om realtime dataverwerking om snelle, directe respons te bieden. Hierdoor moet de huidige datainfrastructuur volledig worden vernieuwd om te voldoen aan de groeiende AI-eisen.

Daarom hebben wetenschappers met succes de overgang gemaakt van vlakke naar driedimensionale (3D) processors. 

Minder dan een maand geleden hebben onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart, Duitsland, samen met vele bedrijven bereikt \”Imaging circuits in three dimensions.\” Volgens de studie voegden de onderzoekers een diamanten plaat met stikstof‑vacature (NV) centra toe aan het gebied van het circuit dat bestudeerd moest worden. Ze plaatsten vervolgens de volledige opstelling in een breedveld‑fluorescentiemicroscoop, en de gegenereerde magnetische velden beïnvloedden de spins van de NV‑centra, die werden gemeten met optisch gedetecteerde magnetische resonantie. Het kon stromen detecteren zo zwak als 10 μA μm−2 met sub‑micrometer ruimtelijke resolutie.

Nu helpt het gebruik van halfgeleidertechnologie om draadloze communicatie naar een nieuwe dimensie te stuwen, waardoor een nieuw tijdperk van efficiëntie in datatransmissie wordt ingeluid. De innovatie is ontwikkeld door het team van Roozbeh Tabrizian, Ph.D., associate professor aan de afdeling Electrical and Computer Engineering van de Universiteit van Florida.

De 3D‑processor, volgens Tabrizian, markeert een monumentaal moment in de evolutie van draadloze communicatie nu we steeds meer afhankelijk worden van realtime gegevensuitwisseling. Hij zei:

“Het vermogen om data efficiënter en betrouwbaarder te verzenden zal deuren openen naar nieuwe mogelijkheden, en vooruitgang stimuleren op gebieden zoals slimme steden, remote gezondheidszorg 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.

Wanneer het gaat om draadloze communicatie, draait het om het verzenden van informatie over een afstand zonder gebruik te maken van elektrische geleiders zoals draden en kabels. Deze vorm van communicatie gaat over het verbinden en communiceren tussen twee of meer apparaten via een draadloos signaal door middel van draadloze apparaten en technologieën. Enkele vormen van dit communicatienetwerk omvatten mobiel, Bluetooth, uitzendende radio, Wi‑Fi en infraroodcommunicatie.

Deze vorm van communicatie omvat meestal de overdracht van data met behulp van elektromagnetische golven. Dit mechanisme draagt signalen over afstanden variërend van enkele meters, zoals een tv‑afstandsbediening, tot duizenden kilometers, zoals satellietcommunicatie. Er is hier geen fysieke communicatiemethode. 

Ondertussen omvatten elektromagnetische golven zichtbaar licht, gammastralen, röntgenstralen, ultravioletstralen, infraroodstralen, radiogolven en microgolven, die het signaal doorgeven.

Draadloze communicatie biedt verschillende voordelen, waarvan flexibiliteit en gemak de belangrijkste zijn. Deze vorm van communicatie stelt mensen in staat te communiceren ongeacht hun locatie. Deze flexibiliteit maakt het mogelijk apparaten overal mee naartoe te nemen, zonder fysieke verbinding, waardoor we met iedereen, overal, op elk moment kunnen verbinden.

Omdat deze methode geen gebruik maakt van verbindingsdraden, netwerkkabels of de opzet van uitgebreide fysieke infrastructuur, zijn draadloze verbindingen effectiever dan hun bekabelde tegenhangers.

Verbeteringen worden ook gezien in snelheid en nauwkeurigheid. Bovendien biedt draadloze technologie betere toegankelijkheid, vooral in afgelegen gebieden waar het aanleggen van grondlijnen moeilijk en complex is. Deze gemakkelijke toegankelijkheid biedt constante connectiviteit, waardoor mensen snel kunnen reageren op noodsituaties.

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.

Nu internetconnectiviteit een essentieel onderdeel is van ons persoonlijke en professionele leven, ontwikkelen onderzoekers, wetenschappers, bedrijven en overheden manieren om dataoverdracht sneller en efficiënter te maken. Eerder dit jaar hebben wetenschappers aan de Universiteit van Oxford in het VK magnetische wervelingen in membranen ontwikkeld om datatransfer mogelijk te maken met kilometers per seconde. Deze vooruitgang wordt verwacht een nieuwe generatie supersnelle computerplatformen mogelijk te maken.

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.” 

Onderzoekers hebben extreem dunne kristallijne hematietmembranen gefabriceerd, die de voordelige eigenschappen van zowel 2D‑ als 3D‑materialen combineren en gemakkelijk overdraagbaar zijn. Deze flexibele membranen kunnen in verschillende vormen worden gedraaid zonder te breken, een eigenschap die wordt benut om magnetische wervelingen in 3D te vormen. Integratie met deze technologie wordt verwacht toekomstige computers te laten werken als het menselijk brein.

Een andere interessante ontwikkeling in het veld vond twee jaar geleden plaats toen onderzoekers aan de School of Engineering van de Universiteit van Birmingham een nieuwe beam‑steering antenne onthulden om de efficiëntie van datatransmissie te verbeteren. Bovendien opent het een reeks frequenties voor mobiele communicatie die momenteel onbereikbaar zijn voor de gebruikte technologieën.

Een baanbrekende processor

Momenteel wordt de data in onze mobiele apparaten omgezet in elektromagnetische golven die wereldwijd tussen gebruikers worden uitgewisseld. Hier zijn spectrale processors of filters verantwoordelijk voor het verplaatsen van de data over verschillende frequenties. Spectrale verwerking splitst audio op in kleine, discrete eenheden, waardoor gerichte verwerking op een zeer fijn niveau mogelijk is.

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.

Nu, “we beginnen het maximale aantal data dat we efficiënt kunnen verplaatsen te bereiken,” 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.”

In de halfgeleiderindustrie is planar een fabricageproces dat wordt gebruikt om individuele componenten van een transistor te bouwen en vervolgens met elkaar te verbinden. Het is hoe silicium‑geïntegreerde schakelingen worden gebouwd. Een geïntegreerde schakeling (IC), ook wel microchip genoemd, is een klein elektronisch apparaat bestaande uit meerdere onderling verbonden elektronische componenten zoals transistors, weerstanden en condensatoren, geëtst op een klein stuk halfgeleider materiaal.

Halfgeleiders zijn een essentieel onderdeel van onze wereld vandaag, omdat ze hebben bijgedragen aan de revolutie van technologie. Het zijn materialen met een geleidbaarheid tussen geleiders en isolatoren. Ze worden gebruikt bij de fabricage van diodes, transistors en IC’s vanwege hun lage kosten, energie‑efficiëntie, compactheid en betrouwbaarheid. Het zijn halfgeleiders die ons voorzien van elektronische apparaten, van radio’s en computers tot medische diagnostische apparatuur en nog veel meer. 

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.” 

Tabrizian en zijn teamleden aan de Herbert Wertheim College of Engineering gebruikten het CMOS‑fabricageproces om de driedimensionale nanomechanische resonator te bouwen. CMOS of Complementary Metal Oxide Semiconductor omvat NMOS‑transistors met N++‑gebieden bij de source‑ en drain‑terminal en een p‑type substraat, en PMOS‑transistors met twee P++‑gebieden en een n‑type substraat. CMOS wordt gebruikt vanwege zijn lage vermogensverlies en lage operationele stromen.

Vorige maand noteerden we in ons “Computing at the Speed of Light with Silicon‑Photonics” artikel dat onderzoekers aan de Universiteit van Pennsylvania een chip ontwikkelden die lichtgolven in plaats van elektriciteit gebruikt om de ingewikkelde wiskunde uit te voeren die nodig is om AI te trainen. 

Deze nieuwe chip kan een veel snellere verwerkingssnelheid mogelijk maken terwijl het energieverbruik van apparaten wordt verminderd, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor de nieuwe generatie AI‑ontwikkeling. Dit toont de toenemende impact en vraag naar AI, waardoor iedereen er aandacht aan besteedt en werkt aan verdere verbetering.

Terugkomend op 3D‑processors, ze kunnen verbeterde prestaties leveren terwijl ze minder ruimte innemen. Ze hebben ook onbeperkte schaalbaarheid, waardoor ze extreem krachtig zijn in het accommoderen van groeiende eisen. Hierop zei Tabrizian:

“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.”

Door diverse frequenties op één chip te integreren, is dit nieuwe type spectrale processor “echt een game‑changer,” zei David Arnold, associate chair for faculty affairs aan de afdeling Electrical and Computer Engineering van de Universiteit van Florida. Deze “nieuwe aanpak voor multi‑band, frequentie‑agile radio‑chipsets” lost een enorme productie‑uitdaging op terwijl ontwerpers “volledig nieuwe communicatiestrategieën kunnen voorstellen in een steeds drukkere draadloze wereld.” 

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. 

De studie ontving financiering van de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Een onderzoeksagentschap van het Amerikaanse Ministerie van Defensie (DOD), DARPA investeert in en ontwikkelt opkomende technologieën voor de nationale veiligheid van het leger. Arnold stelde:

“Zonder ingewikkeld te zijn, zullen onze draadloze apparaten beter, sneller en veiliger werken.”

Bedrijven 

Nu, laten we de bedrijven bekijken die van dit onderzoek kunnen profiteren:

#1. NVIDIA Corporation 

De in Californië gevestigde chipfabrikant staat bekend om zijn grafische verwerkingseenheden (GPU’s). De technologie van NVIDIA (NVDA ) wordt gebruikt in datacenters en AI-toepassingen, die kunnen profiteren van verbeteringen in de efficiëntie van datatransfer. Recentelijk, bij het beantwoorden van een vraag over hoeveel extra chipfabrieken (of halfgeleiderfabrieken, afgekort fab) nodig zijn om de uitbreiding van de AI‑industrie te ondersteunen, zei Nvidia‑CEO Jensen Huang:

“We zullen meer fabrieken nodig hebben.”

Echter, ze verbeteren ook algoritmen en AI-verwerking enorm.

Met een marktkapitalisatie van $2.188 biljoen, worden de aandelen van het bedrijf verhandeld tegen $869, een stijging van 76,75% jaar‑tot‑datum (YTD). Het bedrijf heeft een omzet (TTM) van $60,9 miljard en een EPS (TTM) van 11,93, een P/E (TTM) van 73,38, en een ROE (TTM) van 91,46%. Het bedrijf betaalt ook een dividend van 0,02%. In de winstrapportage van februari sprak CEO Huang over samenwerkingen met bedrijven uit de gezondheidszorg, biologie, financiële diensten, robotica en autonome voertuigen, evenals AI‑ en LLM‑ontwikkelaars.

#2. Intel Corporation 

Een ander toonaangevend bedrijf in de halfgeleiderindustrie, Intel (INTC ), zou ook kunnen profiteren van de vooruitgang in processortechnologie. Het bedrijf hoopt momenteel een enorme financiering van $3,5 miljard te ontvangen, verdeeld over drie jaar, van de Amerikaanse overheid om geavanceerde halfgeleiders te produceren voor de militaire programma’s van het land.

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.

Met een marktkapitalisatie van $187,42 miljard, worden de aandelen van het bedrijf verhandeld tegen $44,33, een daling van 12,44% YTD. Het bedrijf heeft een omzet (TTM) van $54,22 miljard en een EPS (TTM) van 0,38, een P/E (TTM) van 116,92, en een ROE (TTM) van 1,63%. Het bedrijf betaalt ook een dividend van 1,13%.

#3. Samsung Electronics

De Zuid‑Koreaanse technologiegigant Samsung produceert een reeks componenten voor draadloze communicatiesystemen en heeft een marktkapitalisatie van 368,9 miljard. De aandelen van het bedrijf worden verhandeld tegen 1375, een daling van 8,28% YTD.

Volgens de resultaten van het bedrijf voor het fiscale jaar 2023 rapporteerde Samsung een omzet van KRW 258,94 biljoen (meer dan $197 miljard) en een operationele winst van KRW 6,57 biljoen ($5 miljard).

Conclusie 

Zoals hierboven besproken, blijft de behoefte aan snellere datatransfer elke dag toenemen, vooral nu AI aanwezig is en zich razendsnel ontwikkelt. In zo’n omgeving is het belangrijk dat onderzoek blijft doorgaan met het introduceren van verbeteringen in het verzenden van data, zodat we een meer verrijkende ervaring kunnen hebben.