Drahtlose Kommunikation 3D-Prozessoren revolutionieren die Mobil-Kommunikation

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Die Innovation, die in dem Fachmagazin „Nature Electronics“ vorgestellt wurde, könnte den Bereich der drahtlosen Kommunikation erheblich verändern.

Wissenschaftler der University of Florida (UFL) entwickelten ein Verfahren, um mithilfe der Halbleitertechnologie Prozessoren herzustellen, die die Effizienz der Übertragung großer Datenmengen über den gesamten Globus erheblich verbessern. Die Innovation könnte die Landschaft der drahtlosen Kommunikation in einer Zeit verändern, in der Fortschritte in der künstlichen Intelligenz die Nachfrage nach hohen Datenraten dramatisch erhöhen.

Bisher wurden für die drahtlose Kommunikation planare Prozessoren verwendet, die zwar effektiv sind, aber aufgrund ihrer zweidimensionalen Struktur nur in einem begrenzten Teil des elektromagnetischen Spektrums arbeiten können. Der von der UFL entwickelte Ansatz nutzt die Leistungsfähigkeit der Halbleitertechnologie, um die drahtlose Kommunikation in eine neue Dimension zu führen - im wahrsten Sinne des Wortes.

Die Forscher haben den Übergang von planaren zu dreidimensionalen Prozessoren vollzogen und damit eine neue Ära der Kompaktheit und Effizienz bei der Datenübertragung eingeläutet.

Durchbruch in der Mobil-Kommunikation?

Roozbeh Tabrizian, Ph.D., und außerordentlicher Professor an der Fakultät für Elektro- und Computertechnik der UFL, dessen Team den dreidimensionalen Prozessor entwickelt hat, sagte, dies sei ein entscheidender Moment in der Entwicklung der Mobil-Kommunikation, da die Welt zunehmend auf nahtlose Konnektivität und Datenaustausch in Echtzeit angewiesen sei. „Die Fähigkeit, Daten effizienter und zuverlässiger zu übertragen, wird die Türen zu neuen Möglichkeiten öffnen und Fortschritte in Bereichen wie intelligente Städte, medizinische Fernversorgung und erweiterte Realität ermöglichen“, sagte er.

Derzeit werden die Daten in unseren Handys und Tablets in elektromagnetische Wellen umgewandelt, die sich zwischen Milliarden von Nutzern hin- und herbewegen. Ähnlich wie die Gestaltung von Autobahnen und Ampeln dafür sorgt, dass der Verkehr effizient durch eine Stadt fließt, sorgen Filter oder Spektralprozessoren dafür, dass die Daten auf verschiedene Frequenzen verteilt werden. „Die Infrastruktur einer Stadt kann nur ein bestimmtes Verkehrsaufkommen bewältigen, und wenn die Zahl der Autos immer weiter steigt, hat man ein Problem“, so Tabrizian. „Wir beginnen, die maximale Datenmenge zu erreichen, die wir effizient übertragen können. Die planare Struktur von Prozessoren ist nicht mehr praktikabel, da sie uns auf einen sehr begrenzten Frequenzbereich beschränkt.“

Mit dem Aufkommen von künstlicher Intelligenz und autonomen Geräten wird die steigende Nachfrage viel mehr „Ampeln“ in Form von Filtern auf zahlreichen verschiedenen Frequenzen erfordern, um die Daten dorthin zu bringen, wo sie hingehören. „Stellen Sie sich das vor wie Ampeln auf der Straße und in der Luft“, sagte Tabrizian. „Es wird ein Durcheinander. Ein Chip, der nur für eine einzige Frequenz hergestellt wird, ergibt keinen Sinn mehr.“

CMOS für einen dreidimensionalen Resonator

Tabrizian und seine Kollegen am College of Engineering verwenden die CMOS-Technologie, ein komplementäres Metall-Oxid-Halbleiter-Fertigungsverfahren, um den dreidimensionalen nanomechanischen Resonator herzustellen. „Indem wir die Stärken der Halbleitertechnologien in den Bereichen Integration, Routing und Packaging nutzen, können wir verschiedene frequenzabhängige Prozessoren auf demselben Chip integrieren“, so Tabrizian. „Das ist ein großer Vorteil.“

Die dreidimensionalen Prozessoren benötigen weniger Platz, bieten aber eine höhere Performance und sind unbegrenzt skalierbar; das heißt, sie können auch wachsenden Anforderungen gerecht werden. „Diese gänzlich neue Art von Spektralprozessor, der verschiedene Frequenzen auf einem monolithischen Chip integriert, ist ein echter Wendepunkt“, sagte David Arnold, stellvertretender Lehrstuhlinhaber für Fakultätsangelegenheiten in der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik.

„Dr. Tabrizians neuer Ansatz für frequenzagile Multiband-Funkchipsätze löst nicht nur eine große Herausforderung bei der Herstellung, sondern ermöglicht es den Entwicklern auch, sich vollkommen neue Kommunikationsstrategien in einer zunehmend überlasteten drahtlosen Welt vorzustellen. Einfacher ausgedrückt: Unsere drahtlosen Geräte werden besser, schneller und sicherer funktionieren.“

Das Forscherteam, zu dem Tabrizian, Faysal Hakim, Nicholas Rudawski und Troy Tharpe gehörten, begann 2019 mit der Arbeit an diesem neuen Prozessorprojekt. Sie erhielten Fördermittel von der Defense Advanced Research Projects Agency, einer Behörde des US-Verteidigungsministeriums, die in bahnbrechende Technologien für die nationale Sicherheit investiert. (sb)

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