Menor, Mais Rápido, Melhor – Processadores 3D para Sustentar as Necessidades de Transferência de Dados do Amanhã

Pesquisadores da Universidade da Flórida estão prontos para transformar a comunicação sem fio com uma nova tecnologia de semicondutores para fabricação de processadores, melhorando significativamente a eficiência da transferência de dados global. Publicada na revista Nature Electronics, essa inovação surge em um momento em que a demanda por transferência de dados em alta velocidade está aumentando drasticamente. 

Já, a expansão da Internet, com o número de usuários da Internet aumentando significativamente e o tráfego global da Internet subindo várias vezes, causou a demanda por data centers e transmissão de dados a crescer em um ritmo extremamente rápido.

Além disso, nos últimos dois anos, a Inteligência Artificial (IA) fez essa demanda disparar ainda mais. A indústria multibilionária de IA está mudando nossas vidas e crescendo rapidamente. Ela está sendo usada em tudo, desde educação, arte e entretenimento até saúde, automóveis e muito mais. 

Aplicações de IA requerem considerável poder computacional para processar e analisar enormes quantidades de dados, o que impulsiona a necessidade de hardware mais poderoso e eficiente em data centers. 

Além disso, há uma demanda crescente por transferência de dados em alta velocidade dentro de data centers e entre redes, já que sistemas de IA frequentemente dependem de grandes conjuntos de dados para treinamento e aprendizado contínuo. E quanto mais complexos esses sistemas de IA, maior a necessidade de maior largura de banda de rede e melhorias em switches, roteadores e cabos de fibra óptica de maior capacidade para garantir movimentação eficiente dos dados.

O recente aumento de aplicações de IA Generativa, em particular, está levando a IA a áreas novas e interessantes. À medida que entram no mainstream, exigem processamento de dados em tempo real para fornecer respostas rápidas e imediatas. Como tal, a infraestrutura de dados atual precisa de uma reformulação completa para atender às crescentes demandas de IA.

Portanto, nesse contexto, cientistas conseguiram a transição de processadores planares para processadores tridimensionais (3D). 

Menos de um mês atrás, pesquisadores da Universidade de Stuttgart, Alemanha, junto com várias empresas, alcançaram “Imaging circuits in three dimensions“. Conforme o estudo, os pesquisadores adicionaram uma placa de diamante com centros de nitrogênio‑vacância (NV) à área do circuito a ser estudada. Eles então colocaram todo o conjunto em um microscópio de fluorescência de campo amplo, e os campos magnéticos gerados afetaram os spins dos centros NV, que foram medidos usando ressonância magnética detectada opticamente. Foi capaz de detectar correntes tão fracas quanto 10 μA μm−2 com resolução espacial sub‑micrométrica.

Então, agora, ao usar a tecnologia de semicondutores para impulsionar a comunicação sem fio para uma nova dimensão, está ajudando a trazer uma nova era de eficiência na transmissão de dados. A inovação foi feita pela equipe de Roozbeh Tabrizian, Ph.D., que é professor associado no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade da Flórida.

O processador 3D, segundo Tabrizian, marca um momento monumental na evolução da comunicação sem fio à medida que nos tornamos progressivamente dependentes da troca de dados em tempo real. Ele disse:

“A capacidade de transmitir dados de forma mais eficiente e confiável abrirá portas para novas possibilidades, impulsionando avanços em áreas como cidades inteligentes, saúde remota e realidade aumentada.” 

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Evolução da Comunicação Sem Fio 

A transmissão de informação de um emissor para o receptor sem qualquer conexão com fio foi alcançada pela primeira vez no final do século XIX, quando Heinrich Hertz demonstrou a transmissão de ondas eletromagnéticas através do espaço na década de 1880. A unidade de frequência foi nomeada ‘hertz’ em sua homenagem. Depois, muitos anos depois, Guglielmo Marconi transmitiu sinais a longas distâncias usando ondas de rádio em 1895. Só nas décadas seguintes, na década de 1970, o precursor dos telefones celulares modernos foi desenvolvido.

Portanto, quando se trata de comunicação sem fio, trata-se da transmissão de informação a distância sem a ajuda de qualquer forma de condutor elétrico, como fios e cabos. Essa forma de comunicação consiste em conectar e comunicar entre dois ou mais dispositivos usando um sinal sem fio por meio de dispositivos e tecnologias sem fio. Algumas formas dessa rede de comunicação envolvem Mobile, Bluetooth, Rádio de transmissão, Wi‑Fi e comunicação por infravermelho.

Essa forma de comunicação geralmente envolve a transferência de dados usando ondas eletromagnéticas. Esse mecanismo transporta sinais desde alguns metros, como um controle remoto de TV, até mil quilômetros, como comunicação via satélite. Não há modo físico de comunicação aqui. 

Enquanto isso, as ondas eletromagnéticas incluem Luz Visível, Raios Gama, Raios X, Raios Ultravioleta, Raios Infravermelhos, Ondas de Rádio e Raios Micro‑ondas, que transmitem o sinal.

A comunicação sem fio oferece várias vantagens, sendo a principal flexibilidade e conveniência. Essa forma de comunicação permite que as pessoas se comuniquem independentemente de sua localização. Essa flexibilidade permite que as pessoas carreguem seus dispositivos em qualquer lugar, sem necessidade de conexão física, permitindo‑nos conectar com qualquer pessoa, em qualquer lugar, a qualquer hora.

Como esse método não envolve o uso de fios de conexão, cabos de rede ou a instalação de infraestrutura física elaborada, as conexões sem fio são mais eficazes que suas contrapartes com fio.

Melhorias também são observadas em termos de velocidade e precisão aqui. Além disso, a tecnologia sem fio oferece melhor acessibilidade, especialmente em áreas remotas onde a implantação de linhas terrestres é uma tarefa difícil e complexa. Essa fácil acessibilidade oferece conectividade constante, permitindo que as pessoas respondam a emergências relativamente rápido.

Dado os muitos benefícios da comunicação sem fio, a tecnologia sem fio evoluiu rapidamente para atender aos crescentes requisitos dos usuários. Avanços na tecnologia levaram a taxas de transmissão de dados mais altas e à melhoria da qualidade dos serviços.

À medida que a conectividade à internet se torna parte essencial de nossas vidas pessoais e profissionais, pesquisadores, cientistas, empresas e governos têm desenvolvido e investido em maneiras de tornar a transferência de dados mais rápida e eficiente. No início deste ano, cientistas da Universidade de Oxford, no Reino Unido desenvolveram redemoinhos magnéticos em membranas para permitir a transferência de dados a quilômetros por segundo. Esse avanço deve abrir caminho para uma nova geração de plataformas de computação super‑rápidas.

De acordo com Hariom Jani, que está fazendo pós‑doutorado no Departamento de Física da Universidade de Oxford:

“A computação baseada em silício é muito ineficiente em termos de energia para a próxima geração de aplicações de computação, como IA em escala total e dispositivos autônomos.” 

Pesquisadores fabricaram membranas de hematita cristalina extremamente finas, que combinam qualidades vantajosas de materiais 2D e 3D e são facilmente transferíveis. Essas membranas flexíveis podem ser torcidas em diferentes formas sem quebrar, qualidade utilizada para moldar redemoinhos magnéticos em 3D. A integração com essa tecnologia deve permitir que futuros computadores funcionem como o cérebro humano.

Outro desenvolvimento interessante na área ocorreu há dois anos, quando pesquisadores da Escola de Engenharia da Universidade de Birmingham revelaram uma nova antena de direcionamento de feixe para melhorar a eficiência da transmissão de dados. Além disso, ela abre uma gama de frequências para comunicações móveis que eram inacessíveis às tecnologias atualmente usadas.

Um Processador Revolucionário

Atualmente, os dados em nossos dispositivos móveis são convertidos em ondas eletromagnéticas que são comunicadas de ida e volta entre usuários em todo o mundo. Aqui, processadores ou filtros espectrais são responsáveis por mover os dados através de diferentes frequências. O processamento espectral divide o áudio em unidades minúsculas e discretas, permitindo direcioná‑lo a um nível muito fino.

A maneira de entender isso é através dos semáforos, que garantem um fluxo eficiente de tráfego em uma cidade. No entanto, há apenas um certo nível de tráfego que a infraestrutura de uma cidade pode suportar. Se o volume de carros continuar aumentando, isso criará um problema.

Agora, “estamos começando a alcançar a quantidade máxima de dados que podemos mover eficientemente”, afirmou Tabrizian. Ele explicou que os processadores planares, dos quais as comunicações sem fio tradicionalmente dependem, “não são mais práticos, pois nos limitam a um intervalo muito restrito de frequências”.

Na indústria de semicondutores, planar é um processo de fabricação usado para construir componentes individuais de um transistor e depois conectá‑los. É assim que os chips de circuito integrado de silício são construídos. Um circuito integrado (CI), também conhecido como microchip, é um pequeno dispositivo eletrônico composto por múltiplos componentes eletrônicos interconectados, como transistores, resistores e capacitores, gravados em um pequeno pedaço de material semicondutor.

Semicondutores são parte integral do nosso mundo hoje, pois ajudaram a revolucionar a tecnologia. São materiais com condutividade entre condutores e isolantes. São usados na fabricação de diodos, transistores e CIs por seu baixo custo, eficiência energética, compacidade e confiabilidade. São os semicondutores que nos fornecem dispositivos eletrônicos, desde rádios e computadores até equipamentos de diagnóstico médico e muito mais. 

Agora, com os avanços tecnológicos e o advento da IA, o aumento substancial da demanda requer consideravelmente mais filtros em várias frequências para mover os dados. Tabrizian disse:

“Pense nisso como luzes na estrada e no ar. Torna‑se uma bagunça. Um chip fabricado para apenas uma frequência não faz mais sentido.” 

Tabrizian e sua equipe no Herbert Wertheim College of Engineering usaram o processo de fabricação de tecnologia CMOS para construir o ressonador nanomecânico tridimensional. CMOS ou Semiconductor Complementar de Óxido Metálico compreende transistores NMOS que têm regiões N++ nos terminais de fonte e dreno e um substrato tipo p, e transistores PMOS que têm duas regiões P++ e um substrato tipo n. O CMOS é usado por sua baixa dissipação de energia e baixas correntes operacionais.

No mês passado, observamos em nosso artigo “Computing at the Speed of Light with Silicon-Photonics” que pesquisadores da Universidade da Pensilvânia desenvolveram um chip que usa ondas de luz em vez de eletricidade para realizar os cálculos complexos necessários para treinar IA. 

Esse novo chip pode facilitar uma velocidade de processamento muito mais rápida enquanto reduz o consumo de energia dos dispositivos, abrindo caminho para a nova geração de desenvolvimento de IA. Isso demonstra o crescente impacto e demanda por IA, levando todos a notar e trabalhar para torná‑la ainda melhor.

Retornando aos processadores 3D, eles podem oferecer desempenho aprimorado ocupando menos espaço. Também possuem escalabilidade indefinida, o que os torna extremamente poderosos para acomodar demandas crescentes. Sobre isso, Tabrizian disse:

“Ao aproveitar as forças das tecnologias de semicondutores em integração, roteamento e embalagem, podemos integrar diferentes processadores dependentes de frequência no mesmo chip. Isso é um enorme benefício.”

Ao integrar diversas frequências em um único chip, esse novo tipo de processador espectral é “realmente um divisor de águas”, disse David Arnold, presidente associado de assuntos docentes no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade da Flórida. Essa “nova abordagem para chipsets de rádio multibanda e ágil em frequência”, observou Arnold, resolve um enorme desafio de fabricação ao permitir que os designers “imaginem estratégias de comunicação totalmente novas em um mundo sem fio cada vez mais congestionado.” 

Essa inovação é resultado de cinco anos de trabalho. A equipe de pesquisadores, incluindo Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski e Tabrizian, começou a trabalhar nessa nova abordagem ao processador em 2019. 

O estudo recebeu financiamento da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Uma agência de pesquisa do Departamento de Defesa dos EUA (DOD), a DARPA investe e desenvolve tecnologias emergentes para a segurança nacional militar. Arnold afirmou:

“Simplificando, nossos dispositivos sem fio funcionarão melhor, mais rápido e com mais segurança.” 

Empresas 

Agora, vamos dar uma olhada nas empresas que podem se beneficiar desta pesquisa:

#1. NVIDIA Corporation 

A fabricante de chips com sede na Califórnia é conhecida por suas unidades de processamento gráfico (GPUs). A tecnologia da NVIDIA (NVDA ) é usada em data centers e aplicações de IA, que podem se beneficiar das melhorias na eficiência de transferência de dados. Recentemente, ao responder a uma pergunta sobre quantas fábricas de chips (ou fábricas de semicondutores, abreviação de fabricação) são necessárias para apoiar a expansão da indústria de IA, o CEO da Nvidia, Jensen Huang, disse:

“Precisaremos de mais fábricas.”

No entanto, eles também estão aprimorando algoritmos e o processamento de IA de forma tremenda.

Com uma capitalização de mercado de US$ 2,188 trilhões, as ações da empresa têm sido negociadas a US$ 869, alta de 76,75% no ano (YTD). A empresa tem uma receita (TTM) de US$ 60,9 bilhões e um EPS (TTM) de 11,93, P/E (TTM) de 73,38 e ROE (TTM) de 91,46%. A empresa também paga um dividendo de 0,02%. Na teleconferência de resultados de fevereiro, o CEO Huang falou sobre colaborações com empresas de saúde, biologia, serviços financeiros, robótica e veículos autônomos, bem como desenvolvedores de IA e LLM.

#2. Intel Corporation 

Outra empresa líder na indústria de semicondutores, a Intel (INTC ), também pode se beneficiar dos avanços na tecnologia de processadores. A corporação está atualmente esperançosa de obter um enorme financiamento de US$ 3,5 bilhões, a ser distribuído ao longo de três anos, do governo dos EUA para fabricar semicondutores avançados para os programas militares da nação.

A Intel já possui relacionamentos de longa data com o DOD e o Departamento de Energia (DOE), que envolveram a produção de chips multi‑die protótipos e processadores no núcleo do Supercomputador Aurora do DOE.

Com uma capitalização de mercado de US$ 187,42 bilhões, as ações da empresa têm sido negociadas a US$ 44,33, queda de 12,44% no YTD. A empresa tem receita (TTM) de US$ 54,22 bilhões e um EPS (TTM) de 0,38, P/E (TTM) de 116,92 e ROE (TTM) de 1,63%. A empresa também paga um dividendo de 1,13%.

#3. Samsung Electronics

O gigante tecnológico da Coreia do Sul, Samsung, produz uma variedade de componentes para dispositivos de comunicação sem fio e tem uma capitalização de mercado de 368,9 bilhões. As ações da empresa têm sido negociadas a 1375, queda de 8,28% no YTD.

De acordo com os resultados da empresa para o ano fiscal de 2023, a Samsung reportou receita anual de KRW 258,94 trilhões (mais de US$ 197 bilhões) e lucro operacional de KRW 6,57 trilhões (US$ 5 bilhões).

Conclusão 

Como discutimos acima, a necessidade de transferência de dados mais rápida continua a crescer a cada dia, especialmente quando a IA está aqui e avançando como louca. Em um ambiente assim, é importante que a pesquisa continue a introduzir melhorias na transmissão de dados, permitindo que tenhamos uma experiência mais enriquecedora.