Computing
Mas Maliit, Mas Mabilis, Mas Magaling – 3D Processors para Suportahan ang Pangangailangan sa Data Transfer ng Hinaharap
Ang mga mananaliksik ng University of Florida ay nakatakdang baguhin ang wireless communication gamit ang isang bagong teknolohiyang semiconductor para sa paggawa ng mga processor, na makabuluhang nagpapahusay ng kahusayan ng pandaigdigang paglipat ng data. Nailathala sa journal na Nature Electronics, ang inobasyong ito ay dumarating sa panahon kung kailan ang pangangailangan para sa mabilis na paglipat ng data ay tumataas nang malaki.
Sa kasalukuyan, ang paglawak ng Internet, kung saan ang bilang ng mga gumagamit ng Internet ay tumataas nang malaki at ang pandaigdigang trapiko ng Internet ay ilang ulit na tumaas, ay nagdulot ng napakabilis na pagtaas ng pangangailangan para sa mga data center at paglipat ng data.
Dagdag pa rito, sa nakaraang ilang taon, Artificial Intelligence (AI) ay lalo pang nagpasiklab sa pagtaas ng pangangailangang ito. Ang multi-bilyong dolyar na industriya ng AI ay nagbabago ng ating buhay at mabilis na lumalago. Ginagamit ito sa lahat ng bagay mula edukasyon, sining, at libangan hanggang pangangalagang pangkalusugan, sasakyan, at marami pang iba.
Ang mga aplikasyon ng AI ay nangangailangan ng malaking kapangyarihan sa pagkompyut upang iproseso at suriin ang napakalaking dami ng data, na nagtutulak ng pangangailangan para sa mas malakas at mas epektibong hardware sa mga data center.
Bukod pa rito, tumataas ang pangangailangan para sa mabilis na paglipat ng data sa loob ng mga data center at sa mga network, dahil madalas na umaasa ang mga sistema ng AI sa malalaking dataset para sa pagsasanay at patuloy na pagkatuto. At habang lumalalim ang komplikasyon ng mga sistemang ito, mas lumalaki rin ang pangangailangan para sa mas mataas na bandwidth ng network at mga pagpapabuti sa mga switch, router, at fiber optic cable na may mas mataas na kapasidad upang matiyak ang epektibong paggalaw ng data.
Ang kamakailang pag-usbong ng mga aplikasyon ng Generative AI, partikular, ay nagdadala ng AI sa mga bagong at kawili-wiling larangan. Habang sila ay sumasaklaw sa mainstream, nangangailangan sila ng real-time na pagproseso ng data upang magbigay ng mabilis, agad-agad na tugon. Dahil dito, ang kasalukuyang imprastruktura ng data ay nangangailangan ng ganap na pagbabago upang matugunan ang tumataas na pangangailangan ng AI.
Kaya, sa kontekstong ito, matagumpay na lumipat ang mga siyentipiko mula sa planar patungo sa tatlong-dimensional (3D) na mga processor.
Mababa sa isang buwan ang nakalipas, ang mga mananaliksik mula sa University of Stuttgart, Germany, kasama ang maraming kumpanya, ay nakamit ang “Imaging circuits in three dimensions.” Ayon sa pag-aaral, nagdagdag ang mga mananaliksik ng isang diamond plate na may nitrogen-vacancy (NV) centers sa bahagi ng circuit na pag-aaralan. Inilagay nila ang buong setup sa isang wide-field fluorescence microscope, at ang mga magnetic field na nabuo ay nakaapekto sa spin ng mga NV center, na sinukat gamit ang optically detected magnetic resonance. Nakaya nitong matukoy ang mga kuryente na kasing hina ng 10 μA μm−2 na may sub-micrometer na spatial resolution.
Kaya ngayon, ang paggamit ng teknolohiyang semiconductor upang itulak ang wireless communication sa isang bagong dimensyon ay tumutulong magdala ng bagong panahon ng kahusayan sa paglipat ng data. Ang inobasyon ay ginawa ng koponan ni Roozbeh Tabrizian, Ph.D., na isang associate professor sa Department of Electrical and Computer Engineering sa University of Florida.
Ayon kay Tabrizian, ang 3D processor ay nagmamarka ng isang makasaysayang sandali sa pag-unlad ng wireless communication habang tayo ay patuloy na nagiging dependent sa real-time na palitan ng data. Sinabi niya:
“Ang kakayahang magpadala ng data nang mas epektibo at mapagkakatiwalaan ay magbubukas ng mga pintuan sa mga bagong posibilidad, na magpapasigla ng mga pag-unlad sa mga larangan tulad ng matatalinong lungsod, remote na pangangalagang pangkalusugan, at augmented reality.”
Ebolusyon ng Wireless Communication
Ang pagpapadala ng impormasyon mula sa isang nagpadala papunta sa tumatanggap nang walang anumang wired connection ay unang naabot noong huling bahagi ng ika-19 na siglo nang ipakita ni Heinrich Hertz ang pagpapadala ng electromagnetic waves sa espasyo noong 1880s. Ang yunit ng frequency ay pinangalanang ‘hertz’ bilang parangal sa kanya. Pagkatapos, maraming taon ang lumipas, si Guglielmo Marconi ay nagpadala ng mga signal sa malalayong distansya gamit ang radio waves noong 1895. Hindi ito nangyari hanggang maraming dekada ang lumipas, noong 1970s, nang mabuo ang paunang bersyon ng modernong mobile phone.
Kaya, pagdating sa wireless communication, ito ay tungkol sa pagpapadala ng impormasyon sa isang distansya nang walang tulong ng anumang uri ng electrical conductors tulad ng mga wire at cable. Ang anyo ng komunikasyong ito ay tungkol sa pagkonekta at pakikipag-ugnayan sa dalawa o higit pang mga device gamit ang wireless signal sa pamamagitan ng mga wireless device at teknolohiya. Ang ilang anyo ng network na ito ay kinabibilangan ng Mobile, Bluetooth, Broadcast radio, Wi‑Fi, at Infrared communication.
Ang anyong ito ng komunikasyon ay karaniwang kinabibilangan ng paglipat ng data gamit ang electromagnetic waves. Ang mekanismong ito ay nagdadala ng mga signal mula ilang metro, tulad ng remote control ng TV, hanggang sa libong kilometro, tulad ng satellite communication. Walang pisikal na paraan ng komunikasyon dito.
Samantala, ang mga electromagnetic wave ay kinabibilangan ng Visible Light, Gamma Rays, X‑rays, Ultraviolet Rays, Infrared Rays, Radio Waves, at Microwave Rays, na nagdadala ng signal.
Nag-aalok ang wireless communication ng ilang mga benepisyo, ang pangunahing ay flexibility at kaginhawahan. Ang anyong ito ng komunikasyon ay nagbibigay-daan sa mga tao na makipag-ugnayan kahit saan sila naroroon. Ang flexibility na ito ay nagpapahintulot sa mga tao na dalhin ang kanilang mga device kahit saan, nang hindi nangangailangan ng pisikal na koneksyon, na nagbibigay-daan sa atin na kumonekta sa sinuman, kahit saan, anumang oras.
Dahil ang pamamaraang ito ay hindi gumagamit ng mga connection wires, network cables, o pag-set up ng masalimuot na pisikal na imprastruktura, ang mga wireless connection ay mas epektibo kaysa sa kanilang wired na katapat.
Nakikita rin ang mga pagbuti sa bilis at katumpakan dito. Bukod pa rito, nag-aalok ang wireless technology ng mas mahusay na accessibility, lalo na sa mga remote na lugar kung saan mahirap at kumplikado ang paglalatag ng mga linya sa lupa. Ang madaling accessibility na ito ay nag-aalok ng patuloy na koneksyon, na nagpapahintulot sa mga tao na tumugon sa mga emerhensiya nang medyo mabilis.
Dahil sa maraming benepisyo ng wireless communication, ang wireless technology ay mabilis na umunlad upang matugunan ang tumataas na pangangailangan ng mga gumagamit. Ang mga pag-unlad sa teknolohiya ay nagdulot ng mas mataas na data transmission rates at pinabuting kalidad ng mga serbisyo.
Habang ang koneksyon sa internet ay nagiging mahalagang bahagi ng ating personal at propesyonal na buhay, ang mga mananaliksik, siyentipiko, kumpanya, at gobyerno ay nagde-develop at namumuhunan sa mga paraan upang gawing mas mabilis at mas epektibo ang paglipat ng data. Maagang ngayong taon, ang mga siyentipiko sa University of Oxford sa UK developed magnetic whirls in membranes upang magbigay-daan sa paglipat ng data sa kilometro bawat segundo. Inaasahan na ang pag-unlad na ito ay magbubukas ng daan para sa bagong henerasyon ng superfast computing platforms.
Ayon kay Hariom Jani, na gumagawa ng postdoc sa Department of Physics ng Oxford University:
“Ang silicon-based computing ay napaka-inefficient sa enerhiya para sa susunod na henerasyon ng mga computing application tulad ng full-scale AI at autonomous devices.”
Ang mga mananaliksik ay gumawa ng napakakapal na crystalline hematite membranes, na pinagsasama ang mga kapaki-pakinabang na katangian ng parehong 2D at 3D na materyales at madaling mailipat. Ang mga flexible na membrane na ito ay maaaring i-twist sa iba’t ibang anyo nang hindi nababasag, isang katangiang ginagamit upang hubugin ang magnetic whirls sa 3D. Ang integrasyon ng teknolohiyang ito ay inaasahang magpapahintulot sa mga susunod na computer na gumana tulad ng utak ng tao.
Isang kawili-wiling pag-unlad sa larangan ang naganap dalawang taon na ang nakalipas nang ang mga mananaliksik sa School of Engineering ng University of Birmingham revealed a new beam-steering antenna upang mapabuti ang kahusayan ng paglipat ng data. Bukod pa rito, binubuksan nito ang hanay ng mga frequency para sa mobile communications na hindi naaabot ng kasalukuyang teknolohiya.
Isang Game-Changing na Processor
Sa kasalukuyan, ang data sa ating mga mobile device ay kinoconvert sa electromagnetic waves na ipinapadala pabalik at pasulong sa pagitan ng mga gumagamit sa buong mundo. Dito, ang mga spectral processor o filter ang responsable sa paglipat ng data sa iba’t ibang frequency. Ang spectral processing ay naghahati ng audio sa maliliit, discrete na yunit, na nagpapahintulot na targetin ito sa napaka-fine na antas.
Ang paraan upang maunawaan ito ay sa pamamagitan ng mga traffic light, na nagsisiguro ng epektibong daloy ng trapiko sa isang lungsod. Gayunpaman, may limitadong antas ng trapiko na kayang hawakan ng imprastruktura ng lungsod. Kung patuloy na tataas ang dami ng mga sasakyan, magdudulot ito ng problema.
Ngayon, “nagsisimula na tayong maabot ang pinakamataas na dami ng data na maaari nating ilipat nang epektibo,” pahayag ni Tabrizian. Ipinaliwanag niya na ang planar processors, na tradisyonal na pinagkakatiwalaan ng wireless communications, ay “hindi na praktikal dahil nililimitahan tayo sa napakakaunting saklaw ng mga frequency.”
Sa industriya ng semiconductor, ang planar ay isang proseso ng paggawa na ginagamit upang bumuo ng mga solong bahagi ng transistor at pagkatapos ay pagdugtung-dugtungin ang mga ito. Ito ang paraan kung paano ginagawa ang mga silicon-integrated circuit chip. Ang integrated circuit (IC), na kilala rin bilang microchip, ay isang maliit na elektronikong aparato na binubuo ng maraming magkakaugnay na elektronikong komponent tulad ng mga transistor, resistor, at capacitor na naka-etch sa isang maliit na piraso ng semiconductor material.
Ang mga semiconductor ay mahalagang bahagi ng ating mundo ngayon dahil sila ang tumulong mag-rebolusyon sa teknolohiya. Ang mga ito ay mga materyales na may conductivity sa pagitan ng mga conductor at insulator. Ginagamit ang mga ito sa paggawa ng mga diode, transistor, at IC dahil sa kanilang mababang gastos, kahusayan sa enerhiya, compactness, at pagiging maaasahan. Ang mga semiconductor ang nagbibigay sa atin ng mga elektronikong device, mula sa radyo at computer hanggang sa medikal na diagnostic equipment at marami pang iba.
Ngayon, sa pag-unlad ng teknolohiya at pagdating ng AI, ang malaking pagtaas sa pangangailangan ay nangangailangan ng mas maraming filter sa iba’t ibang frequency upang mailipat ang data. Sabi ni Tabrizian:
“Isipin ito tulad ng mga ilaw sa kalsada at sa himpapawid. Nagiging magulo ito. Ang isang chip na ginawa para sa isang frequency lamang ay hindi na praktikal.”
Ginamit nina Tabrizian at ng kanyang mga kasamahan sa Herbert Wertheim College of Engineering ang proseso ng paggawa ng CMOS technology upang buuin ang tatlong-dimensional na nanomechanical resonator. Ang CMOS o Complementary Metal Oxide Semiconductor ay binubuo ng mga NMOS transistor na may N++ na rehiyon sa source at drain terminal at isang p-type substrate, at mga PMOS transistor na may dalawang P++ na rehiyon at isang n-type substrate. Ginagamit ang CMOS dahil sa mababang power dissipation at mababang operating currents.
Noong nakaraang buwan, binanggit namin sa aming artikulong “Computing at the Speed of Light with Silicon-Photonics” na ang mga mananaliksik sa University of Pennsylvania ay nakabuo ng isang chip na gumagamit ng mga alon ng liwanag sa halip na kuryente upang isagawa ang masalimuot na matematika na kinakailangan para sanayin ang AI.
Ang bagong chip na ito ay maaaring magpadali ng mas mabilis na bilis ng pagproseso habang binabawasan ang konsumo ng enerhiya ng mga device, na nagbubukas ng daan para sa bagong henerasyon ng AI development. Ipinapakita nito ang tumataas na epekto at pangangailangan para sa AI, na nagdudulot sa lahat na magpansin at magtrabaho upang gawing mas mahusay pa ito.
Bumabalik sa 3D processors, maaari itong maghatid ng pinahusay na pagganap habang kumukunsumo ng mas kaunting espasyo. Mayroon din itong walang katapusang scalability, na ginagawang napakalakas ito sa pag-akomoda ng lumalaking pangangailangan. Tungkol dito, sinabi ni Tabrizian:
“Sa pamamagitan ng paggamit ng mga kalakasan ng teknolohiyang semiconductor sa integration, routing, at packaging, maaari naming pagsamahin ang iba’t ibang frequency-dependent na processors sa iisang chip. Iyon ay isang malaking benepisyo.”
Sa pamamagitan ng pagsasama ng iba’t ibang frequency sa isang chip, ang bagong uri ng spectral processor ay “talagang isang game changer,” sabi ni David Arnold, associate chair for faculty affairs sa Department of Electrical and Computer Engineering ng Florida University. Ang “bagong approach para sa multi-band, frequency-agile na radio chipsets,” na binanggit ni Arnold, ay naglutas ng malaking hamon sa paggawa habang pinapayagan ang mga designer na “imahinasyon ng ganap na bagong estratehiya sa komunikasyon sa isang lalong masikip na wireless na mundo.”
Ang inobasyong ito ay resulta ng limang taong trabaho. Ang koponan ng mga mananaliksik, kabilang sina Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski, at si Tabrizian, ay nagsimulang magtrabaho sa bagong approach na ito sa processor noong 2019.
Ang pag-aaral ay nakatanggap ng pondo mula sa Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Isang research agency ng US Department of Defense (DOD), ang DARPA ay namumuhunan at nagde-develop ng mga emerging technologies para sa pambansang seguridad ng militar. Sabi ni Arnold:
“Sa mas simpleng salita, ang ating mga wireless device ay gagana nang mas mahusay, mas mabilis, at mas ligtas.”
Mga Kumpanya
Ngayon, tingnan natin ang mga kumpanya na maaaring makinabang mula sa pananaliksik na ito:
#1. NVIDIA Corporation
Ang chipmaker na nakabase sa California ay kilala sa kanyang graphics processing units (GPUs). Ang teknolohiya ng NVIDIA ay ginagamit sa mga data center at AI application, na maaaring makinabang mula sa mga pagpapabuti sa kahusayan ng paglipat ng data. Kamakailan, sa pagsagot sa tanong kung ilang karagdagang chip factory (o semiconductor fab, pinaikling fabrication) ang kailangan upang suportahan ang paglawak ng industriya ng AI, sinabi ng CEO ng Nvidia na si Jensen Huang:
“Kailangan natin ng mas maraming fab.”
Gayunpaman, pinapabuti rin nila nang malaki ang mga algorithm at AI processing.
(NVDA )
