Mindre, snabbare, bättre – 3D-processor för att stödja morgondagens datatransferbehov

Forskare vid University of Florida har utvecklat en ny halvledarbaserad teknik för signalbehandling som kan förbättra radiofrekvensfilter för trådlös kommunikation. Arbetet publicerades i Nature Electronics 2024, samtidigt som behovet av snabb och effektiv dataöverföring fortsatte att öka.

Fler internetanvändare och ökad trafik driver behovet av datacenter och kommunikationskapacitet.

Utvecklingen inom artificiell intelligens (AI) förstärker detta behov. AI används bland annat inom utbildning, kultur, sjukvård, fordon och industri.

AI-system kan kräva stor beräkningskapacitet för att bearbeta och analysera data, vilket ökar efterfrågan på effektiv hårdvara.

Träning och användning av stora modeller kräver också snabb överföring inom datacenter och mellan nätverk. Bandbredd, switchar, routrar och fiberförbindelser behöver anpassas till arbetsbelastningen.

Generativ AI kan dessutom ställa krav på snabba svar. Det motiverar förbättringar av infrastrukturen, men betyder inte att all befintlig infrastruktur måste ersättas.

Mot denna bakgrund undersöker forskarna tredimensionella nanomekaniska resonatorer för radiofrekvent signalbehandling. Det handlar inte om en allmän ersättare för alla datorprocessorer.

En annan forskningsinriktning vid bland annat Universität Stuttgart behandlade avbildning av kretsar i tre dimensioner. Forskarna använde en diamant med kvävevakanscentrum och optiskt detekterad magnetisk resonans för att mäta magnetfält från elektriska strömmar. Detta är en mätteknik, inte samma teknik som Floridagruppens radiofrekvensfilter.

Roozbeh Tabrizian, docent vid University of Floridas institution för elektroteknik och datorteknik, leder gruppen bakom resonatorerna.

Tabrizian beskriver effektivare signalbehandling som viktig för framtida kommunikation och datautbyte i realtid.

Han framhåller möjliga tillämpningar inom smarta städer, distansvård och förstärkt verklighet. Dessa möjligheter kräver fortsatt utveckling och systemintegration.

Läs mer om varför 2023 blev ett genombrottsår för artificiell intelligens.

Den trådlösa kommunikationens utveckling

Heinrich Hertz demonstrerade elektromagnetiska vågor på 1880-talet; frekvensenheten hertz är uppkallad efter honom. Guglielmo Marconi utvecklade därefter radiokommunikation över längre avstånd. Under 1900-talet växte mobilradio och så småningom moderna mobiltelefonsystem fram.

Trådlös kommunikation överför information utan en kabel mellan de kommunicerande enheterna. Exempel är mobilnät, Bluetooth, radio, Wi-Fi och infraröda förbindelser.

Elektromagnetiska vågor kan bära signaler över avstånd från några meter till satellitförbindelser. Vågor är en fysisk överföringsmekanism även om ingen kabel används.

Det elektromagnetiska spektrumet omfattar bland annat radiovågor, mikrovågor, infrarött, synligt ljus, ultraviolett, röntgen och gammastrålning. Vanlig trådlös kommunikation använder främst radio, mikrovågor och vissa optiska våglängder, inte alla dessa kategorier.

Rörlighet och bekvämlighet är viktiga fördelar. Uppkopplingens tillgänglighet beror dock på täckning, kapacitet, utrustning och energiförsörjning.

Trådlösa anslutningar kan minska behovet av kablar till slutenheter, men kräver fortfarande fysisk infrastruktur som basstationer, antenner och nätförbindelser. De är inte alltid effektivare än kabelanslutningar.

Tekniken kan ge anslutning i områden där kabeldragning är svår. Hastighet, tillförlitlighet och möjlighet att nå hjälp varierar med nätets utformning och lokala förhållanden.

Utvecklingen har gjort det möjligt att öka datahastigheter och förbättra tjänstekvalitet, samtidigt som efterfrågan fortsätter att stiga.

Forskare, företag och myndigheter investerar därför i effektivare datahantering. En annan studie vid University of Oxford undersökte magnetiska virvlar i tunna membran. Sådana spinnstrukturer kan vara intressanta för framtida informationsteknik; deras rörelsehastighet är inte samma sak som en demonstrerad nätverksöverföring.

Hariom Jani, då forskare vid Oxfords fysikinstitution, framhöll behovet av energieffektivare beräkning:

Dagens kiselbaserade beräkningar kan vara energikrävande, vilket motiverar forskning om alternativa tekniker för AI och autonoma system.

Forskarna tillverkade tunna kristallina hematitmembran och studerade magnetiska strukturer i dem. Möjlig användning i framtida beräkningssystem är fortfarande ett forskningsmål, inte ett bevis på en dator som fungerar som en människohjärna.

En annan utveckling presenterades av forskare vid University of Birmingham, som utvecklade en antenn med styrbar strålriktning för effektivare trådlös överföring och användning av fler frekvensområden.

En ny typ av spektralprocessor

I radiosystem omvandlas information till signaler som sänds som elektromagnetiska vågor. Radiofrekvensfilter väljer och formar frekvensband. Detta ska skiljas från ljudbearbetning där ett ljudspektrum delas upp i komponenter.

En liknelse är trafikljus som styr trafikflödet. När fler användare ska dela ett begränsat spektrum behövs bättre sätt att välja och hantera frekvensband.

Tabrizian menar att konventionella plana akustiska resonatorer begränsar hur tätt många filter med olika frekvenser kan integreras. Det är denna specifika utmaning arbetet behandlar.

Integrerade kretsar innehåller sammankopplade komponenter, exempelvis transistorer, resistorer och kondensatorer, på halvledarmaterial. Plana tillverkningsmetoder är en del av halvledarteknikens historia, men dagens komponenter kan också ha tredimensionella strukturer.

Halvledare har elektriska egenskaper mellan ledare och isolatorer och används i bland annat dioder, transistorer och integrerade kretsar. De finns i allt från radio och datorer till medicinsk utrustning.

Ökad datatrafik kräver fler och mer flexibla radiofrekvensfilter. Tabrizian beskriver därför behovet av att samla flera frekvensberoende funktioner på samma chip.

Separata chip för varje enskild frekvens kan bli skrymmande och svåra att integrera när antalet band ökar.

Gruppen använde en tillverkningsmetod som bygger på halvledarprocesser för att skapa tredimensionella nanomekaniska resonatorer. Kiselbaserade fenor förses med ferroelektriska skikt av hafnium- och zirkoniumoxid. Dessa strukturer används för akustisk radiofrekvensfiltrering, inte som vanliga CMOS-logiktransistorer.

En annan teknik behandlades i vår artikel ”Beräkningar med ljusets hastighet genom kiselfotonik”, där forskare vid University of Pennsylvania utvecklade ett experimentellt chip för vissa matematiska operationer med ljus.

Fotoniska komponenter kan minska energibehovet för vissa operationer, men det innebär inte att en komplett AI-dator redan har ersatts. Tekniken skiljer sig från de akustiska resonatorerna.

De tredimensionella resonatorerna kan ge tätare integration av filter och större flexibilitet i frekvensval. Skalbarheten är lovande men inte bokstavligen obegränsad.

Tabrizian framhåller att halvledarteknikens möjligheter till integration, ledningsdragning och kapsling gör det möjligt att samla olika frekvensberoende funktioner på samma chip.

David Arnold vid University of Florida beskriver möjligheten till flerbandskretsar med anpassningsbara frekvenser som ett viktigt framsteg. Den praktiska nyttan beror på hur komponenterna integreras i fungerande radiosystem.

Gruppen, där Faysal Hakim, Nicholas Rudawski, Troy Tharpe och Roozbeh Tabrizian ingick, började arbeta med metoden 2019.

Studien finansierades av DARPA, den amerikanska försvarsmyndigheten för forskning om avancerad teknik.

Forskarna hoppas att tekniken ska bidra till effektivare och mer tillförlitliga trådlösa enheter. Säkerhet beror även på många andra delar av systemet.

Företag

Följande företag verkar inom halvledare och databehandling. Deras verksamhet kan påverkas av bredare tekniska framsteg, men studien visar inte att de redan använder just denna resonatorteknik.

#1. NVIDIA Corporation 

Den Kalifornienbaserade chiptillverkaren är känd för grafikprocessorer. NVIDIAs (NVDA ) teknik används i datacenter och AI-tillämpningar som kan ha nytta av effektivare dataöverföring. Bolagets vd Jensen Huang har framhållit både behovet av tillverkningskapacitet och effektivare beräkningar.

Han har uttryckt att fler halvledarfabriker kommer att behövas.

Samtidigt utvecklas algoritmer och hårdvara för att använda befintliga resurser effektivare.

Vid artikelns ursprungliga marknadsögonblick under första delen av 2024 angavs ett börsvärde på cirka 2,188 biljoner dollar och en kurs runt 869 dollar. Kursen är från tiden före NVIDIAs aktiesplit 10:1 i juni 2024. Angivna tolvmånadersmått var omsättning 60,9 miljarder dollar, vinst per aktie 11,93 dollar, P/E 73,38 och avkastning på eget kapital 91,46 %. Detta är historiska ögonblicksbilder, inte aktuella nyckeltal.

#2. Intel Corporation 

Även Intel (INTC ) verkar inom processorer och halvledartillverkning. Under artikelns ursprungliga period 2024 diskuterades möjlig amerikansk finansiering för avancerad tillverkning till försvarsprogram. Förslag, beviljade belopp och utbetalningar måste skiljas åt.

Intel har samarbetat med amerikanska försvarsdepartementet och energidepartementet, bland annat om avancerade chip och superdatorn Aurora.

Artikelns historiska marknadsbild angav Intels börsvärde till 187,42 miljarder dollar och kursen till 44,33 dollar. Tolvmånadersmåtten angavs som omsättning 54,22 miljarder dollar, vinst per aktie 0,38 dollar, P/E 116,92 och avkastning på eget kapital 1,63 %. Siffrorna är tidsbundna och ska inte läsas som dagens värden.

#3. Samsung Electronics

Samsung Electronics tillverkar halvledare och komponenter för trådlös kommunikation. Aktiekurs och börsvärde måste anges med valuta, noteringsplats och datum; de ursprungliga lösryckta talen ger inte en entydig jämförelse.

För räkenskapsåret 2023 rapporterade Samsung en omsättning på 258,94 biljoner sydkoreanska won och ett rörelseresultat på 6,57 biljoner won. Omräkning till dollar beror på växelkursen.

Avslutning

Efterfrågan på snabb och effektiv dataöverföring fortsätter att driva forskningen. Tredimensionella akustiska resonatorer är en lovande del av denna utveckling, men deras kommersiella genomslag och användning i kompletta system behöver fortfarande utvärderas.