Computação
Novas descobertas em fonônica podem redefinir dispositivos de comunicação de próxima geração
Adicione Securities.io às suas fontes preferidas no Google
Com a internet tendo espalhado suas asas pelo mundo, alguns podem sentir que os dias de boom da comunicação chegaram ao fim. Alguns podem até pensar que não há mais nada a alcançar no espaço da indústria de dispositivos, soluções e serviços de comunicação.
É verdade que se julgarmos a indústria apenas pela sua porcentagem de crescimento estimada, parecerá mínima. Mas isso se deve apenas ao fato de que o tamanho de mercado base, sobre o qual calculamos o crescimento, é fenomenalmente alto. Segundo projeções, o mercado global de serviços de comunicação crescerá de US$1.5 trillion to US$1.6 trillion entre 2024 e 2028.
O crescimento em um mercado de múltiplos trilhões de dólares só pode ser alcançado com inovações revolucionárias que ocorram de forma consistente nesse espaço. Uma dessas soluções aproveita a fonônica para criar dispositivos de comunicação menores e mais poderosos. A seguir, discutimos essa inovação, que surgiu dos pesquisadores da University of Arizona, Wyant College of Optical Sciences e Sandia National Laboratories.
Próxima revolução nas comunicações sem fio aproveitando a fonônica
Antes de discutirmos a inovação e seus detalhes, vamos tentar entender a fonônica, a comunidade científica define fonônica como “um campo emergente que busca elucidar a natureza do movimento mecânico intrínseco em materiais convencionais e artificialmente estruturados e usar esse conhecimento para expandir os limites da resposta física tanto ao nível do material quanto ao nível estrutural/dispositivo ou ambos.”
Embora a definição científica central possa parecer difícil de compreender, uma analogia com a fotônica a tornará mais simples. A fotônica aproveita fótons para avançar a tecnologia óptica. Da mesma forma, a fonônica aproveita fônons, partículas físicas que transmitem vibrações mecânicas através de um material em frequência quase inaudível.
Na pesquisa que estamos discutindo, os cientistas conseguiram combinar semicondutores altamente especializados e materiais piezoelétricos para produzir interações não lineares gigantes entre fônons. Subsequentemente, eles empregaram amplificadores para fônons — feitos do mesmo material — para criar dispositivos sem fio mais eficientes, poderosos e menores, incluindo smartphones e transmissores de dados.
De acordo com o autor sênior do estudo, Matt Eichenfield, que possui uma nomeação conjunta no Arizona College of Optical Sciences e na Sandia National Laboratories em Albuquerque, Novo México:
“A maioria das pessoas provavelmente ficaria surpresa ao saber que há cerca de 30 filtros dentro de seu celular cujo único trabalho é transformar ondas de rádio em ondas sonoras e vice‑versa.”
Agora, com os materiais de fonônica muito menores em ação, seria possível reduzir a necessidade desses muitos filtros, já que um feixe de fônons pode mudar a frequência de outro feixe.
Essa conquista está alinhada com a visão dos pesquisadores de produzir todos os componentes necessários para o processamento de sinais de radiofrequência a partir de tecnologias de ondas acústicas em vez de eletrônica baseada em transistores. O resultado seria tudo integrado em um único chip, compatível com a forma como microprocessadores padrão são fabricados.
Elaborando ainda mais sobre o impacto que sua inovação poderia gerar, Eichenfield disse:
“Agora, você pode apontar para cada componente em um diagrama de um processador front‑end de radiofrequência e dizer: ‘Sim, eu consigo fazer tudo isso em um chip com ondas acústicas. Estamos prontos para avançar e fazer todo o conjunto no domínio acústico.'”
Obter um único chip e ter tudo integrado nele poderia reduzir os dispositivos de comunicação e gadgets em um fator de 100, estima Eichenfield.
Uma pesquisa semelhante foi realizada no ano passado por uma equipe de pesquisadores da University of Michigan, onde eles desenvolveram um novo tipo de transistor reconfigurável usando um semicondutor ferroeletórico com espessura nanoscópica.
Transistor de Alta Mobilidade de Elétrons Ferroeletórico (FeHEMT) para Encolher Dispositivos de Comunicação em Smartphones
A característica mais marcante do FeHEMT que o torna superior aos HEMTs é que ele pode sustentar uma polarização elétrica, semelhante à versão elétrica do magnetismo. Ao adicionar flexibilidade comportamental ao transistor, esses semicondutores podem alternar entre os polos positivo e negativo.
Como o FeHEMT é reconfigurável, ele pode funcionar como vários dispositivos. Um único amplificador pode servir ao propósito de vários amplificadores, cada um pronto para controle dinâmico. Essa propriedade permite que os pesquisadores reduzam a área do circuito do dispositivo e diminuam o custo e o consumo de energia.
A transição do FeHEMT para HEMT envolveu explorações científicas aprofundadas e muitos testes, ensaios e experimentos. O semicondutor foi feito de nitreto de alumínio dopado com escândio. Tornar‑se o primeiro semicondutor ferroeletórico baseado em nitreto permitiu sua integração perfeita com o próximo semicondutor de geração, nitreto de gálio. A saída poderia alcançar velocidades até 100 vezes superiores às do silício. Não só era de alta velocidade, como também altamente eficiente e de baixo custo.
Ping Wang, cientista de pesquisa em engenharia elétrica e de computação e também co‑autor correspondente da pesquisa, disse:
“Ao adicionar ferroelectricidade a um HEMT, podemos tornar a comutação mais nítida. Isso poderia possibilitar um consumo de energia mais baixo além de alto ganho, resultando em dispositivos muito mais eficientes.”
Em outra ocasião de construção de hardware de comunicação preciso com potencial transformador, uma equipe de pesquisadores de engenharia elétrica e de computação da University of Michigan conseguiu construir o primeiro transmissor e antena em escala milimétrica que poderia ‘falar Bluetooth Low Energy com facilidade.‘
Construindo o Primeiro Transmissor e Antena em Escala Milimétrica
O Prof. David Wentzloff liderou a equipe e a pesquisa que finalmente resultou no primeiro dispositivo em escala milimétrica capaz de comunicar com Bluetooth Low Energy de forma precisa. O transmissor e a antena consumiram apenas 606 microwatts, ou 0,6 milivatts juntos, durante a transmissão. O sistema conseguiu essa escala ao tornar o amplificador desnecessário ou redundante, criando uma combinação única de oscilador e antena.
Ao explicar o potencial da invenção, o Prof. Wentzloff disse:
“Estou empolgado com as futuras direções de pesquisa que serão abertas ao remover a barreira de conectividade sem fio!”
Essa conquista criará novas avenidas na área de IoT e aumentará significativamente sua capacidade de adoção.
A invenção também foi crucial para a inovação emblemática da universidade, o Michigan Micro Mote (M3), o primeiro computador em escala milimétrica do mundo. Com esse transmissor incorporado ao M3, a comunicação com um smartphone comum se tornará mais eficiente.
Ao explicar sua usabilidade, Wentzloff disse:
“Este rádio adiciona a primeira comunicação compatível com padrões à pilha M3. Isso nos permite implantar dispositivos M3 mais rapidamente e obter dados sensoriais para a nuvem conectando‑nos diretamente a um smartphone.”
Pesquisas tão notáveis revolucionarão os padrões de comunicação para a próxima geração. Empresas globais investem em pesquisa e recursos para tornar os dispositivos de comunicação prontos para o futuro. Essas empresas podem se beneficiar imensamente desses estudos e experimentos. Nos segmentos abaixo, discutimos algumas dessas empresas.
#1. Nokia
A Nokia possui um portfólio extenso de dispositivos de comunicação. Quando se trata de otimização de espaço excepcional, uma linha de produtos que se destaca é a AirScale Small Cells.
A Nokia tem o portfólio de small‑cells mais extenso da indústria, com rádios otimizados para suportar operadoras de redes móveis e empresas em todos os cenários de implantação. Também conhecidos como rádios AirScale Shikra, eles vêm na forma de rádios de ondas milimétricas e rádios pico para soluções internas.
Os rádios Shikra são pequenos e fáceis de implantar, seja de forma autônoma ou associada, com suas unidades de baseband otimizadas para small‑cells ajudando a acelerar a implantação da rede. Devido à sua natureza compacta, os rádios mmWave estão prontos para implantação em diversos locais, incluindo áreas urbanas densas, centros comerciais, arenas esportivas e outros grandes locais públicos onde alta capacidade é um requisito essencial.
Os rádios Pico são uma solução interna que atende a uma variedade de casos de uso empresarial, suportando múltiplas tecnologias de acesso rádio e configurações de rede flexíveis. A Nokia também oferece soluções all‑in‑one small‑cell que não requerem unidade de baseband separada e permitem instalação plug‑and‑play simples e flexibilidade de implantação tanto em ambientes internos quanto externos.
Para o exercício fiscal de 2023, a Nokia reportou uma receita anual de EUR 22,258 bilhões, um declínio considerável em relação aos EUR 24,91 bilhões do exercício fiscal anterior. O lucro operacional também registrou queda para EUR 2,375 bilhões, de EUR 3,109 bilhões entre FY 23 e FY 22.
#2. Motorola Solutions
A Motorola tem sido uma pioneira ao introduzir dispositivos de comunicação futurísticos, sofisticados e de ponta ao mundo. Um dispositivo que pode se beneficiar especialmente dessa pesquisa e levar ainda mais longe é o dispositivo de comunicação vestível TLK 25 da Motorola. Ele pesa apenas 73 gramas e mede 3,2 × 1,9 × 0,7 cm.
Em sua essência, o TLK 25 é um dispositivo vestível WAVE PTX que vai além das capacidades push‑to‑talk de um walkie‑talkie. Esses dispositivos são compactos, robustos e equipados com um assistente de voz intuitivo. O dispositivo possui conectividade Wi‑Fi e também utiliza LTE nacional quando o Wi‑Fi não está disponível. Seu assistente de voz intuitivo permite acesso mãos‑livres a comunicações, configurações do dispositivo, recursos de segurança, status, notificações e alertas.
A linha de produtos TLK 25 da Motorola destaca‑se pela sua compactação e brevidade de recursos. Esses dispositivos se beneficiariam imensamente de pesquisas e soluções de transmissão que os tornem ainda mais elegantes e eficientes.
MSI Gráfico de preços
No quarto trimestre de 2023, a Motorola Solutions reportou (MSI ) vendas líquidas de US$2,85 bilhões, enquanto a receita total de 2023 foi quase US$10 bilhões. O lucro operacional para 2023 aumentou para US$2,784 bilhões, de US$2,368 bilhões em 2022.
O Papel dos Dispositivos de Comunicação em Nosso Mundo Moderno
Seria difícil para a civilização humana sobreviver sem seus modos e ferramentas de comunicação eficiente funcionando adequadamente. Os dispositivos de comunicação para a próxima geração precisarão desenvolver muitas qualidades para estar mais prontos para adoção no futuro.
Esses dispositivos, por exemplo, precisarão estar preparados para suportar as condições mais adversas. Eles precisarão ser eficientes o suficiente para acomodar todas as inovações alcançadas até agora neste espaço, especialmente no manuseio simultâneo de voz, vídeo e fluxos de dados.
Ao fornecer todos esses serviços, esses dispositivos não devem comprometer sua integridade. Com sistemas de segurança sofisticados que utilizam análises de IA construídas de forma responsável, isso não é mais um desafio.
No entanto, possuir todas essas propriedades e recursos não deve resultar em algo que ocupe muito espaço, aqueça rapidamente ou seja caro de fabricar.
Os dispositivos de comunicação de próxima geração evoluirão, tendo esses aspectos em mente. Já surgiram novos paradigmas tecnológicos que acelerarão essa evolução. Por exemplo, já se fala muito sobre tecnologias como Comunicação por Luz Visível (VLC)/Li‑Fi, onde a transmissão de dados ocorre via luz em vez de ondas de rádio, em altas velocidades por pequenos ajustes na intensidade.
Essas soluções oferecem velocidade muito alta, ultrapassando as capacidades de largura de banda das comunicações convencionais. Como vão além do modo tradicional, padrões aprimorados de segurança e confiabilidade podem ser alcançados. Pesquisadores acreditam que tais soluções seriam perfeitas para uso militar.
Além do hardware de transmissão de dados, muito progresso tem sido alcançado no campo das tecnologias de sensores. Essas tecnologias ajudariam a atualizar a infraestrutura existente de IoT e suporte à automação.
De acordo com dados apresentados pela ASSIA Inc., o aumento no tráfego de upload de PC/telefone desde o início de março de 2024 pode chegar a 80 % apenas nos Estados Unidos. O mundo se tornou muito mais virtual do que antes da pandemia de COVID‑19. Câmeras, PCs e laptops estão transmitindo vídeo o tempo todo. A prestação de serviços de saúde, educação e outros serviços de emergência tornou‑se muito mais virtual. Enfrentar essas situações exigirá dispositivos muito mais otimizados em espaço e eficientes. Eles também precisarão estar prontos para 5G.
Organizações e empresas devem continuar investindo recursos e pesquisa para tornar a comunicação de próxima geração mais eficiente e econômica.
Clique aqui para saber como a fotônica avançada pode ajudar a construir um smartphone melhor.
