Mindre, Raskere, Bedre – 3D-prosessorer som støtter morgendagens behov for dataoverføring

Forskerne ved University of Florida er i ferd med å transformere trådløs kommunikasjon med en ny halvlederteknologi for produksjon av prosessorer, som betydelig forbedrer global dataoverførings‑effektivitet. Publisert i tidsskriftet Nature Electronics kommer denne innovasjonen på et tidspunkt da etterspørselen etter høyhastighets‑dataoverføring øker dramatisk. 

Allerede har utvidelsen av Internett, med antallet Internett‑brukere som øker betydelig og global Internett‑trafikk som har steget flere ganger, ført til at etterspørselen etter datasentre og datatransmisjon har vokst i ekstremt raskt tempo.

I tillegg har kunstig intelligens (AI) i løpet av de siste årene ytterligere fått denne etterspørselen til å skyte i været. Den milliard‑dollarsektoren AI endrer livene våre og vokser i raskt tempo. Den brukes i alt fra utdanning, kunst og underholdning til helsevesen, biler og mye mer. 

AI‑applikasjoner krever betydelig beregningskraft for å behandle og analysere enorme mengder data, noe som driver behovet for kraftigere og mer effektive maskinvare i datasentre. 

I tillegg er det en økende etterspørsel etter høyhastighets‑dataoverføring innen datasentre og på tvers av nettverk, ettersom AI‑systemer ofte er avhengige av store datasett for trening og kontinuerlig læring. Jo mer komplekse disse AI‑systemene er, desto større behov er det for høyere nettverksbåndbredde og forbedringer i høy‑kapasitets‑svitsjer, rutere og fiberoptiske kabler for å sikre effektiv databevegelse.

Den nylige oppgangen av generativ AI, spesielt, tar AI inn i nye og interessante områder. Etter hvert som de blir mainstream, krever de sanntids‑databehandling for å gi rask, umiddelbar respons. Dermed trenger den nåværende datainfrastrukturen en fullstendig overhaling for å møte de økende AI‑kravene.

Så, mot denne bakgrunnen har forskere med suksess gått fra planare til tredimensjonale (3D) prosessorer. 

For mindre enn en måned siden oppnådde forskere fra University of Stuttgart, Tyskland, sammen med mange selskaper, “Imaging circuits in three dimensions.” Ifølge studien la forskerne til en diamantplate med nitrogen‑vakuum‑ (NV) sentre i området av kretsen som skulle studeres. De plasserte deretter hele oppsettet i et vidvinkel‑fluorescensmikroskop, og de magnetiske feltene som ble generert påvirket spinene til NV‑sentrene, som ble målt ved optisk påvist magnetisk resonans. Det klarte å oppdage strømmer så svake som 10 μA μm−2 med sub‑mikrometer romlig oppløsning.

Så, nå, ved å bruke halvlederteknologi for å drive trådløs kommunikasjon inn i en ny dimensjon, hjelper det med å innføre en ny æra av effektivitet i dataoverføring. Innovasjonen er laget av teamet ledet av Roozbeh Tabrizian, Ph.D., som er førsteamanuensis ved Institutt for elektroteknikk og datateknikk ved University of Florida.

3D‑prosessoren, ifølge Tabrizian, markerer et monumentalt øyeblikk i utviklingen av trådløs kommunikasjon ettersom vi blir stadig mer avhengige av datautveksling i sanntid. Han sa:

“Evnen til å overføre data mer effektivt og pålitelig vil åpne dører til nye muligheter, og drive fremgang innen områder som smarte byer, fjernhelsetjenester og utvidet virkelighet.” 

Klikk her for å lære hvorfor 2023 var et gjennombrudd år for kunstig intelligens.

Evolusjon av trådløs kommunikasjon 

Overføringen av informasjon fra avsender til mottaker uten noen kablet forbindelse ble først oppnådd på slutten av 1800‑tallet da Heinrich Hertz demonstrerte overføring av elektromagnetiske bølger gjennom rommet på 1880‑tallet. Frekvensenheten ble oppkalt ‘hertz’ til hans ære. Så, mange år senere, sendte Guglielmo Marconi signaler over lange avstander ved hjelp av radiobølger i 1895. Det var ikke før mange tiår senere, på 1970‑tallet, at forgjengeren til dagens mobiltelefoner ble utviklet.

Så, når det gjelder trådløs kommunikasjon, handler det om overføring av informasjon over en avstand uten hjelp av noen form for elektriske ledere som ledninger og kabler. Denne formen for kommunikasjon handler om å koble og kommunisere mellom to eller flere enheter ved hjelp av et trådløst signal gjennom trådløse enheter og teknologier. Noen former for dette kommunikasjonsnettet inkluderer mobil, Bluetooth, kringkastingsradio, Wi‑Fi og infrarød kommunikasjon.

Denne formen for kommunikasjon involverer vanligvis overføring av data ved hjelp av elektromagnetiske bølger. Denne mekanismen bærer signaler fra noen få meter, som en TV‑fjernkontroll, til tusen kilometer, som satellittkommunikasjon. Det finnes ingen fysisk kommunikasjonsmåte her.

Samtidig inkluderer elektromagnetiske bølger synlig lys, gammastråler, røntgenstråler, ultrafiolette stråler, infrarøde stråler, radiobølger og mikrobølgestråler, som overfører signalet.

Trådløs kommunikasjon tilbyr flere fordeler, primært fleksibilitet og bekvemmelighet. Denne formen for kommunikasjon gjør det mulig for folk å kommunisere uavhengig av deres plassering. Denne fleksibiliteten gjør at folk kan ha med seg enhetene sine hvor som helst, uten behov for fysisk tilkobling, og gjør at vi kan koble til hvem som helst, hvor som helst, når som helst.

Fordi denne metoden ikke involverer bruk av tilkoblingsledninger, nettverkskabler eller oppsett av omfattende fysisk infrastruktur, er trådløse forbindelser mer effektive enn deres kablede motparter.

Forbedringer ses også når det gjelder hastighet og nøyaktighet. Videre tilbyr trådløs teknologi bedre tilgjengelighet, spesielt i avsidesliggende områder hvor det er vanskelig og komplekst å legge ned jordkabler. Denne enkle tilgjengeligheten gir konstant tilkobling, slik at folk kan reagere på nødsituasjoner relativt raskt.

Gitt de mange fordelene med trådløs kommunikasjon, har trådløs teknologi utviklet seg raskt for å møte de økende brukerkravene. Fremskritt innen teknologi har ført til høyere dataoverføringshastigheter og forbedret tjenestekvalitet.

Ettersom internett‑tilkobling blir en essensiell del av våre personlige og profesjonelle liv, har forskere, vitenskapsfolk, selskaper og myndigheter utviklet og investert i måter å gjøre dataoverføring raskere og mer effektiv på. Tidligere i år utviklet forskere ved University of Oxford i Storbritannia magnetiske virvler i membraner for å muliggjøre dataoverføring på kilometer per sekund. Denne fremgangen forventes å bane vei for en ny generasjon av superraske dataplattformer.

Ifølge Hariom Jani, som gjør en postdoktor ved Oxford Universitys institutt for fysikk:

“Silisium‑basert databehandling er altfor energikrevende for neste generasjons databehandlingsapplikasjoner som fullskala AI og autonome enheter.” 

Forskerne produserte ekstremt tynne krystallinske hematitt‑membraner, som kombinerer fordelene til både 2D‑ og 3D‑materialer og er lett overførbare. Disse fleksible membranene kan vrides i ulike former uten å brekke, en egenskap som utnyttes til å forme magnetiske virvler i 3D. Integrering med denne teknologien forventes å gjøre fremtidige datamaskiner i stand til å fungere som den menneskelige hjerne.

En annen interessant utvikling innen feltet fant sted for to år siden da forskere ved University of Birmingham’s School of Engineering avdekket en ny stråle‑styrende antenne for å forbedre effektiviteten i dataoverføring. Videre åpner den for et spekter av frekvenser for mobilkommunikasjon som har vært utilgjengelige for nåværende teknologier.

En banebrytende prosessor

Per i dag blir data i våre mobile enheter konvertert til elektromagnetiske bølger som kommuniseres frem og tilbake mellom brukere over hele verden. Her er spektrale prosessorer eller filtre ansvarlige for å flytte data over ulike frekvenser. Spektral behandling deler lyd opp i små, diskrete enheter, slik at den kan målrettes på et svært fint nivå.

Man kan forstå dette gjennom trafikklys, som sikrer en effektiv trafikkflyt gjennom en by. Imidlertid er det kun et visst nivå av trafikk som kan håndteres av byens infrastruktur. Hvis antallet biler fortsetter å øke, vil det skape et problem.

Nå, «vi begynner å nå den maksimale mengden data vi kan flytte effektivt», uttalte Tabrizian. Han forklarte at planare prosessorer, som trådløs kommunikasjon tradisjonelt har vært avhengig av, «ikke lenger er praktiske da de begrenser oss til et svært begrenset spekter av frekvenser».

I halvlederindustrien er planar en produksjonsprosess som brukes til å bygge enkeltkomponenter av en transistor og deretter koble dem sammen. Det er hvordan silisium‑integrerte krets‑chips bygges. En integrert krets (IC), også kjent som en mikrochip, er en liten elektronisk enhet bestående av flere sammenkoblede elektroniske komponenter som transistorer, motstander og kondensatorer, etsede på et lite stykke halvleder‑materiale.

Halvledere er en integrert del av vår verden i dag da de har bidratt til å revolusjonere teknologien. Dette er materialer med ledningsevne mellom ledere og isolatorer. De brukes i produksjon av dioder, transistorer og IC‑er på grunn av deres lave kostnad, energieffektivitet, kompakte størrelse og pålitelighet. Det er halvledere som gir oss elektroniske enheter, fra radioer og datamaskiner til medisinsk diagnostisk utstyr og mye mer. 

Nå, med de teknologiske fremskrittene og fremveksten av AI, krever den betydelige økningen i etterspørsel betydelig flere filtre på ulike frekvenser for å flytte data. Tabrizian sa:

“Tenk på det som lys på veien og i luften. Det blir et rot. En chip produsert kun for én frekvens gir ikke mening lenger.” 

Tabrizian og hans team ved Herbert Wertheim College of Engineering brukte CMOS‑teknologiens fremstillingsprosess for å bygge den tredimensjonale nanomekaniske resonatoren. CMOS eller Complementary Metal Oxide Semiconductor består av NMOS‑transistorer som har N++‑områder ved kilde‑ og dreneringsterminalene og en p‑type substrat, samt PMOS‑transistorer som har to P++‑områder og et n‑type substrat. CMOS brukes på grunn av sin lave energitap og lave driftsstrøm.

I fjor måned bemerket vi i vår «Computing at the Speed of Light with Silicon-Photonics» artikkel at forskere ved University of Pennsylvania utviklet en chip som bruker lysbølger i stedet for elektrisitet for å utføre den intrikate matematikken som kreves for å trene AI. 

Denne nye chipen kan legge til rette for mye raskere prosesseringshastighet samtidig som den reduserer energiforbruket til enheter, og baner vei for en ny generasjon av AI‑utvikling. Dette viser den økende innvirkningen og etterspørselen etter AI, som får alle til å legge merke til og arbeide mot å gjøre den enda bedre.

Tilbake til 3D‑prosessorer, kan de levere forbedret ytelse samtidig som de opptar mindre plass. De har også ubegrenset skalerbarhet, noe som gjør dem ekstremt kraftige i å imøtekomme voksende krav. På dette sa Tabrizian:

“Ved å utnytte styrkene til halvlederteknologier innen integrasjon, ruting og pakking, kan vi integrere ulike frekvens‑avhengige prosessorer på samme chip. Det er en enorm fordel.”

Ved å integrere ulike frekvenser på en enkelt chip, er denne nye typen spektral prosessor «virkelig en spillveksler», sa David Arnold, associate chair for faculty affairs ved Florida University’s Department of Electrical and Computer Engineering. Denne «nye tilnærmingen for flerbånd, frekvens‑agile radio‑chipsett», bemerket Arnold, løser en enorm produksjonsutfordring samtidig som den lar designere «forestille seg helt nye kommunikasjonsstrategier i en stadig mer overbelastet trådløs verden.» 

Denne innovasjonen er resultatet av fem års arbeid. Forskerteamet, inkludert Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski og Tabrizian, begynte å jobbe med denne nye tilnærmingen til prosessoren i 2019. 

Studien mottok finansiering fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). En forskningsinstitusjon under US Department of Defense (DOD) investerer i og utvikler fremvoksende teknologier for militær nasjonal sikkerhet. Arnold uttalte:

“For å si det enklere, vil våre trådløse enheter fungere bedre, raskere og mer sikkert.” 

Selskaper 

Nå, la oss se på selskapene som kan dra nytte av denne forskningen:

#1. NVIDIA Corporation 

Det California‑baserte chip‑selskapet er kjent for sine grafikkprosessorer (GPU‑er). NVIDIAs teknologi brukes i datasentre og AI‑applikasjoner, som kan dra nytte av forbedringer i dataoverførings‑effektivitet. Nylig, da han ble spurt om hvor mange flere chip‑fabrikker (eller halvleder‑fab, forkortelse for fabrikasjon) som trengs for å støtte ekspansjonen av AI‑industrien, sa Nvidia (NVDA ) ‑administrerende direktør Jensen Huang:

“Vi kommer til å trenge flere fabrikker.” 

Imidlertid forbedrer de også algoritmer og AI‑behandling enormt.

Med en markedsverdi på $2.188 billioner har selskapets aksjer handlet til $869, opp 76.75 % år‑til‑dato (YTD). Selskapet har en omsetning (TTM) på $60.9 bln og en EPS (TTM) på 11.93, P/E (TTM) på 73.38, og ROE (TTM) på 91.46 %. Selskapet betaler også et utbytte på 0.02 %. I februar‑resultatpresentasjonen snakket administrerende direktør Huang om samarbeid med helse‑ og biologi, finansielle tjenester, robotikk og autonome kjøretøyselskaper, samt AI‑ og LLM‑utviklere.

#2. Intel Corporation 

Et annet ledende selskap i halvlederindustrien, Intel (INTC ), kan også dra nytte av fremskritt innen prosessorteknologi. Selskapet håper for øyeblikket å få tak i massive $3.5 billioner, som skal fordeles over en periode på tre år, i finansiering fra den amerikanske regjeringen for å produsere avanserte halvledere for nasjonens militære programmer. 

Intel har allerede langvarige relasjoner med DOD og Department of Energy (DOE), som involverte produksjon av prototype‑multidie‑chips og prosessorer i kjernen av DOEs Aurora‑superdatamaskin.

Med en markedsverdi på $187.42 billioner har selskapets aksjer handlet til $44.33, ned 12.44 % YTD. Selskapet har en omsetning (TTM) på $54.22 bln og en EPS (TTM) på 0.38, P/E (TTM) på 116.92, og ROE (TTM) på 1.63 %. Selskapet betaler også et utbytte på 1.13 %.

#3. Samsung Electronics

Sør‑Koreas teknologigigant, Samsung, produserer en rekke komponenter for trådløse kommunikasjonsenheter og har en markedsverdi på 368.9 billioner. Selskapets aksjer har handlet til 1375, ned 8.28 % YTD.

Ifølge selskapets resultater for regnskapsåret 2023 rapporterte Samsung en årlig omsetning på KRW 258.94 trillioner (over $197 bln) og en driftsfortjeneste på KRW 6.57 trillioner ($5 bln).

Konklusjon 

Som vi diskuterte ovenfor, fortsetter behovet for raskere dataoverføring å øke hver dag, spesielt når AI er her og utvikler seg i vanvittig tempo. I et slikt miljø er det viktig at forskningen fortsetter å introdusere forbedringer i dataoverføring, slik at vi kan få en mer berikende opplevelse.