Daha Küçük, Daha Hızlı, Daha İyi – Yarınların Veri Transferi İhtiyaçlarını Destekleyecek 3D İşlemciler

Florida Üniversitesi araştırmacıları, kablosuz iletişimi işlemci üretimi için yeni yarı iletken teknolojisi ile dönüştürmeye hazırlanıyor ve küresel veri transferi verimliliğini önemli ölçüde artırıyor. Nature Electronics dergisinde yayımlanan bu yenilik, yüksek hızlı veri transferi talebinin dramatik bir şekilde artmakta olduğu bir dönemde ortaya çıkıyor. 

Zaten, internetin genişlemesi, internet kullanıcı sayısının önemli ölçüde artması ve küresel internet trafiğinin birkaç katına çıkması, veri merkezleri ve veri iletimine olan talebin son derece hızlı bir şekilde artmasına yol açtı.

Üstelik, son birkaç yılda Yapay Zeka (AI) bu talebi daha da yükseltti. Milyar dolarlık AI sektörü hayatımızı değiştiriyor ve hızlı bir şekilde büyüyor. Eğitim, sanat, eğlence, sağlık hizmetleri, otomobiller ve daha birçok alanda kullanılmaktadır. 

AI uygulamaları, büyük miktarda veriyi işlemek ve analiz etmek için önemli bir hesaplama gücü gerektirir; bu da veri merkezlerinde daha güçlü ve verimli donanıma olan ihtiyacı artırır. 

Ayrıca, veri merkezleri içinde ve ağlar arasında yüksek hızlı veri transferine yönelik artan bir talep var, çünkü AI sistemleri genellikle eğitim ve sürekli öğrenme için büyük veri setlerine dayanır. AI sistemleri ne kadar karmaşık olursa, daha yüksek ağ bant genişliği ve daha yüksek kapasiteli anahtarlar, yönlendiriciler ve fiber optik kabloların iyileştirilmesi ihtiyacı o kadar artar.

Özellikle son zamanlarda ortaya çıkan Üretken AI uygulamaları, AI’yi yeni ve ilginç alanlara taşıyor. Ana akıma girdikçe, gerçek zamanlı veri işleme ve anında yanıt verebilme ihtiyacını doğuruyor. Bu nedenle, mevcut veri altyapısı AI’nin artan taleplerini karşılamak için tamamen yenilenmeli.

Bu bağlamda, bilim insanları düzlemsel (planar) işlemcilerden üç boyutlu (3D) işlemcilere başarılı bir geçiş gerçekleştirdi. 

Bir aydan daha kısa bir süre önce, Almanya’daki Stuttgart Üniversitesi’nden araştırmacılar ve birçok şirket, \”Üç boyutta devrelerin görüntülenmesi\” başarısını elde etti. Çalışmaya göre, araştırmacılar devre incelenen bölgeye azot boşluğu (NV) merkezli bir elmas plaka ekledi. Daha sonra tüm düzenek geniş alan floresan mikroskobuna yerleştirildi ve üretilen manyetik alanlar NV merkezlerinin spinnini etkiledi; bu optik olarak tespit edilen manyetik rezonansla ölçüldü. 10 μA μm−2 kadar zayıf akımları, alt-mikrometre uzamsal çözünürlükle tespit edebildi.

Şimdi, yarı iletken teknolojisini kullanarak kablosuz iletişimi yeni bir boyuta taşımak, veri iletiminde yeni bir verimlilik çağı getirmeye yardımcı oluyor. Yenilik, Florida Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nde doçent olarak görev yapan Dr. Roozbeh Tabrizian liderliğindeki ekip tarafından geliştirildi.

3D işlemci, Tabrizian’a göre, kablosuz iletişimin evriminde, gerçek zamanlı veri alışverişine giderek daha fazla bağımlı hale geldiğimiz bir dönemde, büyük bir dönüm noktasını işaret ediyor. Şöyle dedi:

“Verileri daha verimli ve güvenilir bir şekilde iletebilme yeteneği, akıllı şehirler, uzaktan sağlık hizmetleri ve artırılmış gerçeklik gibi alanlarda ilerlemeleri tetikleyerek yeni olasılıkların kapılarını açacaktır.” 

2023’ün yapay zeka için neden bir sıçrama yılı olduğunu öğrenmek için buraya tıklayın.

Kablosuz İletişimin Evrimi 

Bilgi göndericiden alıcıya kablolu bir bağlantı olmadan iletilmesi, ilk kez 19. yüzyılın sonlarında Heinrich Hertz’in 1880’lerde elektromanyetik dalgaları uzayda ilettiğini göstermesiyle gerçekleştirildi. Frekans birimi onun onuruna ‘hertz’ olarak adlandırıldı. Daha sonra, yıllar sonra, Guglielmo Marconi 1895’te radyo dalgalarını kullanarak uzun mesafelere sinyal gönderdi. Modern cep telefonlarının öncüsü ise 1970’lerde geliştirildi.

Dolayısıyla, kablosuz iletişim, herhangi bir elektrik iletkeni (tel ve kablo gibi) yardımı olmadan bir mesafe üzerinden bilgi iletimiyle ilgilidir. Bu iletişim şekli, kablosuz cihazlar ve teknolojiler aracılığıyla iki ya da daha fazla cihazın bağlanması ve iletişim kurmasıdır. Bu iletişim ağının bazı biçimleri Mobil, Bluetooth, Yayın radyo, Wi-Fi ve Kızılötesi iletişimi içerir.

Bu iletişim biçimi genellikle elektromanyetik dalgalar kullanarak veri aktarımını içerir. Bu mekanizma, bir TV uzaktan kumandası gibi birkaç metre ile uydu iletişimi gibi bin kilometre arasındaki sinyalleri taşıyabilir. Burada fiziksel bir iletişim modu yoktur. 

Bu arada, elektromanyetik dalgalar Görünür Işık, Gama Işınları, X-ışınları, Ultraviyole Işınları, Kızılötesi Işınları, Radyo Dalgaları ve Mikrodalga Işınları içerir ve sinyali iletir.

Kablosuz iletişimin birkaç avantajı vardır; en başta esneklik ve kullanım kolaylığı gelir. Bu iletişim şekli, insanların konumlarından bağımsız olarak iletişim kurmasını sağlar. Bu esneklik, insanların cihazlarını her yere taşımasına izin verir, fiziksel bir bağlantıya ihtiyaç duymaz ve istediğimiz her yerde, her zaman, herkesle bağlantı kurmamızı sağlar.

Bu yöntem, bağlantı kabloları, ağ kabloları veya karmaşık fiziksel altyapı kurulumunu gerektirmediği için kablosuz bağlantılar, kablolu muadillerine göre daha etkilidir.

Burada hız ve doğruluk açısından da iyileşmeler görülmektedir. Ayrıca, kablosuz teknoloji özellikle yerleşik hatların döşenmesinin zor ve karmaşık olduğu uzak bölgelerde daha iyi erişilebilirlik sunar. Bu kolay erişilebilirlik sürekli bağlantı sağlar ve insanların acil durumlara göreceli olarak hızlı yanıt vermesine olanak tanır.

Kablosuz iletişimin birçok faydası göz önüne alındığında, kablosuz teknoloji, artan kullanıcı gereksinimlerini karşılamak için hızla evrimleşmiştir. Teknolojideki ilerlemeler, daha yüksek veri iletim hızları ve hizmet kalitesinde iyileşmeler getirmiştir.

İnternet bağlantısı kişisel ve profesyonel yaşamımızın vazgeçilmez bir parçası haline geldikçe, araştırmacılar, bilim insanları, şirketler ve hükümetler veri transferini daha hızlı ve verimli hâle getirmek için yollar geliştirmekte ve yatırım yapmaktadır. Bu yılın başlarında, Birleşik Krallık’taki Oxford Üniversitesi’nde bilim insanları membranlarda manyetik girdaplar geliştirerek kilometre başına saniye hızında veri transferi sağlamışlardır. Bu ilerleme, yeni nesil süper hızlı bilgisayar platformlarının yolunu açması bekleniyor.

Hariom Jani’ye göre, Oxford Üniversitesi Fizik Bölümü’nde doktora sonrası araştırma yapan kişi:

“Silisyum tabanlı bilgi işlem, tam ölçekli AI ve otonom cihazlar gibi bir sonraki nesil bilgi işlem uygulamaları için çok enerji verimsizdir.” 

Araştırmacılar, 2D ve 3D malzemelerin avantajlı özelliklerini birleştiren ve kolayca transfer edilebilen son derece ince kristal hematit membranlar ürettiler. Bu esnek membranlar kırılmadan farklı şekillerde bükülebilir; bu özellik, manyetik girdapların 3D olarak şekillendirilmesinde kullanıldı. Bu teknolojiyle entegrasyon, gelecekteki bilgisayarların insan beyni gibi çalışmasını sağlayabilir.

İki yıl önce, Birmingham Üniversitesi Mühendislik Okulu’nda araştırmacılar yeni bir ışın yönlendirme anteni ortaya çıkararak veri iletim verimliliğini artırdı. Ayrıca, bu teknoloji mevcut kullanılan teknolojilerin erişemediği bir dizi frekansı mobil iletişim için açıyor.

Oyunu Değiştiren Bir İşlemci

Şu anda, mobil cihazlarımızdaki veri, dünya çapında kullanıcılar arasında ileri geri iletişilen elektromanyetik dalgalara dönüştürülüyor. Burada, spektral işlemciler veya filtreler, veriyi farklı frekanslar arasında taşımaktan sorumludur. Spektral işleme, sesi çok küçük, ayrık birimlere bölerek çok ince bir seviyede hedeflemeyi sağlar.

Bunu anlamanın yolu, şehir içindeki trafiği verimli bir şekilde yöneten trafik ışıklarıdır. Ancak bir şehrin altyapısı yalnızca belirli bir trafik seviyesini kaldırabilir. Araç sayısı artmaya devam ederse, sorun ortaya çıkar.

Şimdi, “Veriyi daha verimli bir şekilde taşıyabileceğimiz maksimum miktara ulaşmaya başlıyoruz,” dedi Tabrizian. Düzlemsel işlemcilerin, kablosuz iletişimin uzun süredir dayandığı, “artık pratik değil, çünkü çok sınırlı bir frekans aralığına bizi sınırlıyor” şeklinde açıkladı.

Yarı iletken endüstrisinde, planar, bir transistörün tek bir bileşenini inşa edip ardından bunları birbirine bağlamak için kullanılan bir üretim sürecidir. Bu, silikon entegre devre çiplerinin nasıl üretildiğidir. Entegre devre (IC), aynı zamanda mikroçip olarak da bilinir, bir parça yarı iletken malzeme üzerine kazınmış birden fazla birbirine bağlı elektronik bileşen (transistör, direnç, kondansatör vb.) içeren küçük bir elektronik cihazdır.

Yarı iletkenler, bugün dünyamızın ayrılmaz bir parçasıdır; teknoloji devrimini onlarla gerçekleştirdik. Bu malzemeler, iletkenler ve yalıtkanlar arasında bir iletkenliğe sahiptir. Diyot, transistör ve IC’lerin düşük maliyet, enerji verimliliği, kompaktlık ve güvenilirlikleri nedeniyle üretiminde kullanılırlar. Yarı iletkenler, radyo ve bilgisayarlardan tıbbi tanı ekipmanlarına kadar çok çeşitli elektronik cihazları bize sağlar.

Şimdi, teknolojik ilerlemeler ve AI’nin ortaya çıkışıyla, talebin büyük artışı, veriyi taşımak için çeşitli frekanslarda çok daha fazla filtre gerektiriyor. Tabrizian şöyle dedi:

“Bunu yoldaki ve havadaki ışıklar gibi düşünün. Bir karışıklık olur. Sadece tek bir frekans için üretilen bir çip artık mantıklı değil.” 

Tabrizian ve ekibi, Herbert Wertheim Mühendislik Fakültesi’nde, üç boyutlu nano-mekanik rezonatörü inşa etmek için CMOS teknoloji üretim sürecini kullandı. CMOS ya da Complementary Metal Oxide Semiconductor, kaynak ve drenaj uçlarında N++ bölgeleri ve p-tipi bir alt tabaka bulunan NMOS transistörleri ve iki P++ bölgesi ve n-tipi bir alt tabakası bulunan PMOS transistörlerini içerir. CMOS, düşük güç tüketimi ve düşük çalışma akımları nedeniyle tercih edilir.

Geçen ay, ” Işık Hızında Hesaplama: Silikon-Fotonik” makalemizde, Pennsylvania Üniversitesi araştırmacılarının, AI eğitimi için gerekli karmaşık matematiği gerçekleştirmek üzere elektrik yerine ışık dalgalarını kullanan bir çip geliştirdiğini belirtmiştik. 

Bu yeni çip, işlem hızını çok daha hızlı hale getirirken cihazların enerji tüketimini azaltabilir ve yeni nesil AI geliştirmesinin yolunu açar. Bu, AI’nın artan etkisini ve talebini gösteriyor; herkesin dikkatini çekiyor ve daha da iyileştirmek için çalışmalar yapılıyor.

3D işlemcilere geri dönersek, daha az alan kaplarken geliştirilmiş performans sunabilir. Ayrıca sınırsız ölçeklenebilirliğe sahiptir, bu da artan talepleri karşılamada son derece güçlü kılar. Bu konuda Tabrizian şöyle dedi:

“Yarı iletken teknolojilerinin entegrasyon, yönlendirme ve paketleme konusundaki güçlü yönlerini kullanarak, farklı frekans bağımlı işlemcileri aynı çip üzerinde birleştirebiliriz. Bu büyük bir fayda.”

Farklı frekansları tek bir çipte entegre ederek, bu yeni nesil spektral işlemci “gerçekten bir oyun değiştirici” diyor Florida Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nde öğretim üyesi David Arnold. Arnold, “çok bantlı, frekans-esnek radyo çip setleri için bu yeni yaklaşım, büyük bir üretim zorluğunu çözerken tasarımcılara giderek daha kalabalık bir kablosuz dünyada tamamen yeni iletişim stratejileri hayal etme imkanı tanıyor” şeklinde belirtti.

Bu yenilik, beş yıllık çalışmanın sonucudur. Faysal Hakim, Troy Tharpe, Nicholas Rudawski ve Tabrizian dahil araştırmacı ekibi, bu yeni işlemci yaklaşımına 2019’da başladı.

Çalışma, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) tarafından fonlandı. ABD Savunma Bakanlığı (DOD) araştırma ajansı olan DARPA, askeri ulusal güvenlik için yeni teknolojileri yatırım yapar ve geliştirir. Arnold şöyle belirtti:

“Daha basit bir ifadeyle, kablosuz cihazlarımız daha iyi, daha hızlı ve daha güvenli çalışacak.”

Şirketler 

Şimdi, bu araştırmadan faydalanabilecek şirketlere bir göz atalım:

#1. NVIDIA Corporation 

Kaliforniya merkezli çip üreticisi, grafik işleme birimleri (GPU’lar) ile tanınır. NVIDIA’ (NVDA ) nın teknolojisi veri merkezlerinde ve AI uygulamalarında kullanılıyor; bu da veri transferi verimliliğinde gerçekleşen iyileştirmelerden faydalanabilir. Yakın zamanda, AI endüstrisinin genişlemesini desteklemek için kaç tane daha çip fabrikasına (veya kısaca fab olarak adlandırılan yarı iletken üretim tesisine) ihtiyaç duyulduğu sorusuna yanıt verirken, NVIDIA CEO’su Jensen Huang şöyle dedi:

“Daha fazla fab’a ihtiyacımız olacak.”

Ancak, aynı zamanda algoritmaları ve AI işlemeyi de büyük ölçüde geliştirmektedirler.

2,188 trilyon dolar piyasa değerine sahip olan şirketin hisseleri 869 dolar seviyesinde işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %76,75 artış gösterdi (YTD). Şirketin yıllık geliri (TTM) 60,9 milyar dolar, hisse başına kazancı (EPS) (TTM) 11,93, fiyat/kazanç oranı (P/E) (TTM) 73,38 ve özkaynak getirisi (ROE) (TTM) %91,46. Şirket ayrıca %0,02 temettü ödemektedir. Şubat kazanç görüşmesinde, CEO Huang sağlık, biyoloji, finansal hizmetler, robotik ve otonom araç şirketleriyle, ayrıca AI ve LLM geliştiricileriyle iş birliğinden bahsetti.

#2. Intel Corporation 

Yarı iletken endüstrisinin bir diğer önde gelen şirketi Intel (INTC ), işlemci teknolojisindeki gelişmelerden faydalanabilir. Şirket, ABD hükümetinden üç yıl boyunca dağıtılacak 3,5 milyar dolarlık büyük bir fon alarak, ülkenin askeri programları için ileri düzey yarı iletkenler üretmeyi hedefliyor.

Intel, DOD ve Enerji Bakanlığı (DOE) ile uzun süredir ilişkileri sürdürmekte; bu ilişkiler DOE’nun Aurora Süperbilgisayarı’nın çekirdeğinde prototip çoklu çipli çipler ve işlemciler üretimini içeriyordu.

187,42 milyar dolar piyasa değerine sahip şirketin hisseleri 44,33 dolar seviyesinde işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %12,44 düşüş gösterdi (YTD). Şirketin yıllık geliri (TTM) 54,22 milyar dolar, hisse başına kazancı (EPS) (TTM) 0,38, fiyat/kazanç oranı (P/E) (TTM) 116,92 ve özkaynak getirisi (ROE) (TTM) %1,63. Şirket ayrıca %1,13 temettü ödemektedir.

#3. Samsung Electronics

Güney Kore’nin teknoloji devi Samsung, kablosuz iletişim cihazları için bir dizi bileşen üretmekte ve 368,9 milyar piyasa değerine sahiptir. Şirketin hisseleri 1.375 seviyesinde işlem görüyor ve yılbaşından bu yana %8,28 düşüş gösterdi.

Şirketin 2023 mali yılı sonuçlarına göre, Samsung yıllık 258,94 trilyon KRW (yaklaşık 197 milyar dolar) gelir ve 6,57 trilyon KRW (5 milyar dolar) işletme karı bildirdi.

Sonuç 

Yukarıda tartıştığımız gibi, daha hızlı veri transferi ihtiyacı her gün artmaya devam ediyor, özellikle AI burada çılgın bir hızla ilerliyor. Böyle bir ortamda, araştırmaların veri iletiminde iyileştirmeler getirmeye devam etmesi, daha zengin bir deneyim yaşamamızı sağlamak açısından önemlidir.