Nye innsikter i fononikk kan redefinere neste generasjons kommunikasjonsenheter

Med internett som har spredd sine vinger over hele verden, kan noen føle at dagene med kommunikasjonsboom er over. Noen kan til og med tro at det ikke er mer å oppnå i bransjen for kommunikasjonsenheter, løsninger og tjenester. 

Det er sant at hvis vi vurderer bransjen kun etter den estimerte vekstprosenten, vil den virke minimal. Men det er kun fordi grunnmarkedets størrelse, som vi beregner veksten på, er fenomenalt stor. Ifølge prognoser vil det globale markedet for kommunikasjonstjenester vokse fra US$1.5 trillion to US$1.6 trillion mellom 2024 og 2028. 

Vekst i et marked på flere billioner dollar kan kun oppnås gjennom jevnlige banebrytende innovasjoner i dette feltet. En slik løsning utnytter fononikk for å lage mindre, kraftige kommunikasjonsenheter. Nedenfor diskuterer vi denne innovasjonen, som kommer fra forskerne ved University of Arizona, Wyant College of Optical Sciences og Sandia National Laboratories. 

Neste revolusjon innen trådløs kommunikasjon med utnyttelse av fononikk

Før vi diskuterer innovasjonen og dens detaljer, la oss prøve å forstå fononikk, den det vitenskapelige fellesskapet definerer fononikk som “et fremvoksende felt som søker å belyse naturen til iboende mekanisk bevegelse i både konvensjonelle og kunstig strukturerte materialer, og bruke denne kunnskapen til å utvide grensene for fysisk respons enten på materialnivå eller strukturell/enhetsnivå, eller begge.” 

Selv om den grunnleggende vitenskapelige definisjonen kan høres vanskelig ut, vil en analogi med fotonikk gjøre den enklere å forstå. Fotonikk utnytter fotoner for å fremme utviklingen av optisk teknologi. På samme måte utnytter fononikk fononer, fysiske partikler som overfører mekaniske vibrasjoner gjennom et materiale med nesten uhørlig høy frekvens. 

I forskningen vi diskuterer, klarte forskerne å blande høyt spesialiserte halvleder- og piezoelektriske materialer for å produsere enorme ikke‑lineære interaksjoner mellom fononer. Deretter satte de i verk forsterkere for fononer – laget av samme materiale – for å skape mer effektive, kraftigere og mindre trådløse enheter, inkludert smarttelefoner og datatransmittere. 

Ifølge studiens seniorforfatter, Matt Eichenfield, som har en delt stilling ved Arizona College of Optical Sciences og Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico:

“De fleste ville sannsynligvis bli overrasket over å høre at det finnes omtrent 30 filtre inne i mobiltelefonen deres, hvis eneste oppgave er å omdanne radiobølger til lydbølger og tilbake.”

Nå, med de mye mindre fononikkmaterialene i bruk, vil det være mulig å redusere behovet for så mange filtre, ettersom en stråle av fononer kan endre frekvensen til en annen stråle. 

Denne prestasjonen er i tråd med forskernes visjon om å produsere alle komponentene som trengs for radiofrekvenssignalbehandling fra akustiske bølgetechnologier i stedet for transistorbasert elektronikk. Resultatet ville være at alt er integrert på en enkelt chip, kompatibel med hvordan standard mikroprosessorer produseres. 

Når han utdyper videre om hvilken innvirkning innovasjonen deres kan ha, sa Eichenfield:

“Nå kan du peke på hver komponent i et diagram av en radiofrekvens front‑end prosessor og si, ‘Ja, jeg kan lage alle disse på én chip med akustiske bølger. Vi er klare til å gå videre og lage hele greia i det akustiske domenet.'”

Å få en enkelt chip med alt integrert i den kan krympe kommunikasjonsenheter og dingser med en faktor på 100, estimerer Eichenfield. 

En lignende forskning ble utført i fjor av et team ved University of Michigan, hvor de utviklet en ny type rekonfigurerbar transistor ved å bruke et ferroelectric halvleder i nanoskala tykkelse. 

Ferroelectric High Electron Mobility Transistor (FeHEMT) for å krympe kommunikasjonsenheter på smarttelefoner

Den fremste egenskapen ved FeHEMT som gjør den bedre enn HEMT‑ene, er at den kan opprettholde en elektrisk polarisation, lik den elektriske versjonen av magnetisme. Ved å legge til atferdsfleksibilitet til transistoren, kan disse halvlederne bytte mellom de positive og negative endene. 

Siden FeHEMT er rekonfigurerbar, kan den fungere som flere enheter. En enkelt forsterker kan tjene som flere forsterkere, hver klar for dynamisk kontroll. Denne egenskapen gjør at forskerne kan redusere kretsarealet til enheten og senke kostnadene og energiforbruket. 

overgangen fra FeHEMT til HEMT involverte dyptgående vitenskapelige utforskninger og mange forsøk, tester og eksperimenter. Halvlederen var laget av aluminium nitrid dopet med scandium. Å bli den første nitratbaserte ferroelectric halvlederen gjorde det mulig å integrere sømløst med neste generasjons halvleder, gallium nitrid. Utgangen kunne oppnå hastigheter opptil 100 ganger høyere enn silisium. Ikke bare var den høyhastighets, den var også svært effektiv og kostnadseffektiv. 

Ping Wang, forskningsforsker innen elektroteknikk og datateknikk og også medforfatter av forskningen, sa:

“Ved å legge til ferroelectricitet til en HEMT, kan vi gjøre brytingen skarpere. Dette kan muliggjøre mye lavere strømforbruk i tillegg til høy forsterkning, noe som gir mye mer effektive enheter.”

I et annet tilfelle av å bygge presis kommunikasjonsmaskinvare med transformativt potensial, klarte et team av forskere innen elektroteknikk og datateknikk ved University of Michigan å bygge den første millimeter‑skala senderen og antennen som kunne ‘snakke Bluetooth Low Energy med letthet.‘

Klikk her for å lære hvordan mikrometriske fotovoltaiske celler kan bane vei for enhetsminiaturisering.

Bygge den første millimeter‑skala senderen og antennen

Prof. David Wentzloff ledet teamet og forskningen som til slutt resulterte i den første millimeter‑skala enheten som kunne kommunisere nøyaktig med Bluetooth Low Energy. Senderen og antennen brukte kun 606 mikrowatt, eller 0,6 milliwatt til sammen, under overføring. Systemet kunne oppnå denne skalaen ved å gjøre forsterkeren unødvendig eller overflødig ved å skape en unik kombinasjon av oscillator og antenne. 

Mens han forklarte potensialet til oppfinnelsen, sa Prof. Wentzloff:

“Jeg er begeistret for de fremtidige forskningsretningene som vil bli åpnet ved å fjerne den trådløse tilkoblingsbarrieren!”

Denne prestasjonen vil skape nye muligheter innen IoT og betydelig forbedre adopsjonskapasiteten. 

Oppfinnelsen var også avgjørende for universitetets flaggskipinnovasjon, Michigan Micro Mote (M3), verdens første millimeter‑skala datamaskin. Med en slik sender integrert i M3, vil kommunikasjon med en vanlig smarttelefon bli mer effektiv. 

Når han forklarte bruksområdet, sa Wentzloff:

“Denne radioen legger til den første standard‑kompatible kommunikasjonen til M3‑stabelen. Dette gjør at vi kan distribuere M3‑enheter raskere og lettere få sensordata til skyen ved å koble direkte til en smarttelefon.”

Slik fremragende forskning vil revolusjonere kommunikasjonsstandardene for neste generasjon. Globale selskaper investerer i forskning og ressurser for å gjøre kommunikasjonsenheter klare for fremtiden. Disse selskapene kan ha stor nytte av disse studiene og eksperimentene. I segmentene nedenfor diskuterer vi et par av slike selskaper. 

#1. Nokia

Nokia har en omfattende portefølje av kommunikasjonsenheter. Når det gjelder enestående plassoptimalisering, er ett produktområde som skiller seg ut AirScale Small Cells. 

Nokia har bransjens mest omfattende småcelleportefølje, med radioer optimalisert for å støtte mobilnettoperatører og bedrifter i alle distribusjonsscenarier. Også kjent som AirScale Shikra Radioer, kommer disse i form av millimeterbølge‑radioer og pico‑radioer for innendørsløsninger.  

Shikra‑radioene er små og enkle å distribuere enten som frittstående eller i tilknytning, med deres småcelle‑optimaliserte basebåndsenheter som hjelper med å akselerere nettverksutrulling. På grunn av deres kompakte natur er mmWave‑radioene klare for distribusjon på en rekke steder, inkludert tette urbane områder, kjøpesentre, sportsarenaer og andre store offentlige arenaer hvor ekstrem kapasitet er et viktig krav. 

Pico‑radioene er en innendørsløsning som dekker en rekke bedriftsbrukstilfeller, støtter flere radio‑tilgangsteknologier og fleksible nettverkskonfigurasjoner. Nokia har også alt‑i‑ett småcelleløsninger som ikke krever separat basebåndsenhet og muliggjør enkel plug‑and‑play‑installasjon og distribusjonsfleksibilitet både innendørs og utendørs. 

For regnskapsåret 2023 rapporterte Nokia en årlig inntekt på 22,258 milliarder EUR, et betydelig fall fra forrige regnskapsårs 24,91 milliarder EUR. Driftsresultatet falt også til 2,375 milliarder EUR fra 3,109 milliarder EUR mellom FY 23 og FY 22. 

#2. Motorola Solutions

Motorola har vært en banebrytende forkjemper i å introdusere futuristiske, sofistikerte og banebrytende kommunikasjonsenheter til verden. En enhet som spesielt kan dra nytte av denne forskningen og presse grensene videre, er Motorolas TLK 25 bærbare kommunikasjonsenhet. Den veier kun 73 gram og måler 3,2X1,9X0,7. 

I kjernen er TLK 25 en bærbar WAVE PTX‑enhet som går utover en walkie‑talkers trykk‑til‑snakk‑funksjon. Disse enhetene er kompakte, robuste og utstyrt med en intuitiv stemmeassistent. Enheten har Wi‑Fi‑tilkobling og bruker også landsdekkende LTE når Wi‑Fi ikke er tilgjengelig. Den intuitive stemmeassistenten gir håndfri tilgang til kommunikasjon, enhetsinnstillinger, sikkerhetsfunksjoner, status, varsler og alarmer.

TLK 25‑serien fra Motorola trives på sin kompakthet og kortfattethet i funksjoner. Disse enhetene vil ha stor nytte av forskning og overføringsløsninger som gjør dem mer slanke og effektive. 

I fjerde kvartal 2023 rapporterte Motorola Solutions (MSI ) nettoomsetning på 2,85 milliarder US$, mens totalinntekten for 2023 var nesten 10 milliarder US$. Driftsresultatet for 2023 økte til 2,784 milliarder US$ fra 2,368 milliarder US$ i 2022. 

Rollen til kommunikasjonsenheter i vår moderne verden

Det ville være vanskelig for menneskelig sivilisasjon å overleve uten sine metoder og verktøy for effektiv kommunikasjon som fungerer riktig. Kommunikasjonsenhetene for neste generasjon må utvikle mange egenskaper for å være mer klare for adopsjon i fremtiden. 

Disse enhetene må for eksempel være klare til å tåle de tøffeste forholdene. De må være effektive nok til å håndtere alle innovasjoner som hittil er oppnådd i dette feltet, spesielt når det gjelder å behandle tale, video og data samtidig.

Samtidig som de leverer alle disse tjenestene, må enhetene ikke gå på kompromiss med sin integritet. Med sofistikerte sikkerhetssystemer som utnytter ansvarlig bygde AI‑analyser, er dette ikke lenger en utfordring. 

Imidlertid må ikke alle disse egenskapene og funksjonene resultere i noe som tar opp mye plass, blir raskt varmt eller er dyrt å produsere. 

Neste generasjons kommunikasjonsenheter vil utvikle seg med disse aspektene i tankene. Allerede har nye teknologiparadigmer dukket opp som vil fremskynde denne utviklingen. For eksempel er det allerede mye snakk om teknologier som Visible Light Communication (VLC)/Li‑Fi, hvor dataoverføring skjer via lys i stedet for radiobølger med høy hastighet gjennom små justeringer i intensiteten. 

Disse løsningene tilbyr svært høy hastighet, som går utover båndbreddekapasiteten til konvensjonell kommunikasjon. Siden de går utover den tradisjonelle metoden, kan forbedrede sikkerhets- og pålitelighetsstandarder oppnås. Forskere mener slike løsninger ville være perfekte for militæret.

Bortsett fra maskinvare for dataoverføring, har det blitt gjort store fremskritt innen sensorteknologi. Disse teknologiene vil bidra til å oppdatere den eksisterende IoT‑ og automatiseringsstøtteinfrastrukturen. 

Ifølge data presentert av ASSIA Inc., vil økningen i opplastingstrafikk for PC/telefon siden begynnelsen av mars 2024 være så høy som 80 % kun i USA. Verden har blitt mye mer virtuell enn den var før COVID‑19‑pandemien. Webkameraer, PC‑er og bærbare datamaskiner kjører videostrømmer hele tiden. Levering av helsetjenester, utdanning og andre nødtjenester har blitt mye mer virtuell. Å takle disse situasjonene vil kreve mye mer plassoptimaliserte og effektive enheter. De må også være 5G‑klare.

Organisasjoner og selskaper må fortsette å investere ressurser og forskning i å gjøre neste generasjons kommunikasjon mer effektiv og kostnadseffektiv.

Klikk her for å lære hvordan avansert fotonikk kan bidra til å bygge en bedre smarttelefon.