الابتكارات في مجال الإلكترونيات للطاقة المتدنية 6g Devices

ومع تعجيل تطوير التكنولوجيا الجامدة من نوع )٦( جي، يصبح الطلب على الكترونيات الطاقة فوق الأرض أمراً بالغ الأهمية، وتهدف هذه الابتكارات إلى توسيع نطاق الحياة البطارية، والحد من استهلاك الطاقة، وتمكين أجهزة أكثر استدامة وكفاءة، حيث يتوقع أن تقدم )٦( معدلات بيانات تصل إلى ١ درجة مئوية، ودرجة الارتداد تحت ١٠٠ ثانية صغيرة، واتصالات ضخمة لمليارات العقد، يجب أن تتقلص آثار الطاقة الكهربائية بصورة كبيرة.

أهمية الإلكترونيات الكهربائية المتدفقة من طراز Ultra-low في 6G

وتعود الشبكات ذات النطاق الترددي الثابت بالسرعة والوصل، ولكنها تتطلب أيضاً معدات متقدمة يمكن أن تعمل بكفاءة مع الحد الأدنى من الطاقة، إذ أن أجهزة توليد الطاقة الكهربائية ذات التردد المنخفض ضرورية بالنسبة للأجهزة المستشعرة ذات اللبس، وشبكة الإنترنت للأشياء (IoT) والهواتف النقالة، بما يضمن فترات التشغيل الطويلة ويقلل من الأثر البيئي، فباستثناء نظم الاستهلاك، ستمكن الشبكة الواسعة النطاق من استخدام شبكات الاستشعار للزراعة الذكية، ورصد الصحة الهيكلية، والاستشعار البيئي، وأجهزة الوحيدة التي تستخدم في نظام التشغيل الآلي الصناعي.

وعلاوة على ذلك، ستضم محطات القاعدة نفسها آلاف العناصر الهوائية التي تستخدمها البعثة الضخمة وتعالجها بترددات أعلى (الثالث والثالث) ويجب أن يستهلك كل عنصر وما يرتبط به من محولات من قبيلة إلى أرقام الطاقة حدا أدنى من الطاقة للحفاظ على القدرة الكلية للنظام، وبالتالي فإن الهياكل الأساسية من نوع " 6G " يمكن أن تصبح باهظة التكلفة للعمل.

Key drivers include: (1) Battery-limited devices -wearables, medical implants, and remote sensors cannot be recharged frequently; (2) ]Heat dissipation constraints -dense integration in 6G devices leads to thermal challenges that can be mitigated with lower power(3)

مواد موصلات متقدمة لعملية توليد الطاقة الكهربائية

وقد حقق التوسع في استخدام السليكون في المنظمة على مدى عقود تحسينات متزامنة في الأداء والسلطة، غير أنه نظراً لأن أبعاد المقاولين تقترب من الحدود الذرية، فإن السيليكون التقليدي يواجه تراجعاً في كفاءة الطاقة، ففيما يتعلق بأجهزة التشغيل بأجهزة الترددات يصل عددها إلى 300 غيغاهيرتز، يصبح اختيار المواد شبه الموصلات أمراً بالغ الأهمية، إذ توفر عدة مواد ناشئة استهلاكاً أقل من الطاقة، أو ارتفاعاً في حركة الناقلين، أو القدرة على دمج وظائف التصوير الضوئي والإلكترونية على نفس الرقاقة.

غاليو نيتريد (GaN)

وقد أدى هذا النسق إلى إحداث ثورة في أجهزة توليد الطاقة الكهربائية في 5 جي، ولكن إمكاناتها بالنسبة لأجهزة توليد الطاقة الكهربائية من أعلى من 6 جيغاغرامات هي أكثر اتساعاً، حيث أن تكنولوجيات الغاز والشبكة العالمية للطبيعة تتيح حدوث تطاير عالي، وتنقلات كهربائية عالية، واتباع أسلوب ممتاز في السلوك الحراري، وتسمح هذه الممتلكات لمترجمي الغازات بالعمل في مستويات أقل من مكافئات السيليكون.

الديكاليكوغينات المميتة الانتقالية

إضافة إلى ذلك، ظهرت مواد ثنائية الأبعاد مثل انفصام المولىدينوم (MoS2) وديون التنغستن (WSe2) كمرشحين واعدين لمترجمي الطاقة الكهربائية من أعلى درجة، وقد يتيح سميكهم التحكم الكهروطي الممتاز، مما يؤدي إلى تسرب منخفض جداً من الأملاك الحالية - وهو مصدر رئيسي من مصادر توليد الطاقة في أجهزة الوصل النانوية.

Silicon Germanium (SiGe) and Other Compound Semiconductors

ويمكن أن تؤدي تكنولوجيا السيغي بي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي سي إموس إلى حد متوسط بين مواد السيليكون وثالثاً - في حين أن المتجانسات في قاعدة مترجمي الأقطاب الثنائية يمكن للمهندسين أن يحققوا مستويات أعلى من الارتداد (المستوى المتوسط من الـ 500 غيغاهيرتز في عمليات سيغي الحديثة) مع انخفاض نسبي في استهلاك رقائق الطاقة.

تسخير الطاقة وإدارة الطاقة

ولا توجد مناقشة بشأن الكترونيات للطاقة فوق الأرض كاملة دون معالجة مصدر الطاقة، ولا تزال البطاريات مهيمنة ولكنها محدودة من حيث القدرة والأثر البيئي، فتتيح تكنولوجيات جمع الطاقة (المسماة أيضاً بتعبئة الطاقة) لـ 6 جي من الأجهزة المحلية أن تلتقط الطاقة الكميّة من الضوء أو الحرارة أو اليقظة أو الأمواج الإذاعية، مما يمتد الحياة التشغيلية أو يزيل البطاريات كلياً.

Piezoelectric Energy Harvesting

Piezoelectric transducers convertميكانيكي stress into electrical charge. For 6G wearable devices, body motion-walking, arm temps, heartbeats-can be harvested to generate tens to hundreds of microwatts. Innovations in materials like lead zirconate titanate (PZT) and flexible piezoelectric polymers (egtricWers)

مولدات كهربائية حرارية

ويمكن للمولدات الكهربائية الحرارية أن تستغل درجات الحرارة لإنتاج الكهرباء عن طريق تأثير سيبيك، وفي 6 أجهزة G، يمكن أن يوفر الفرق في درجة الحرارة بين الجسم البشري (37 درجة مئوية) وأجهزة الهواء المحيط (20-30 درجة مئوية) سعة ثابتة من الطاقة الحرارية إلى المئات من المايكرويات في كل سنتيمتر مربع.

الترددات اللاسلكية

:: إن جمع الطاقة في إطار الترددات الحرارية سيجمع بين عدد قليل من المواد الكهربية من مصادر البرمجيات الإلكترونية أو الخلوية أو الإذاعات، وفي حين أن مستويات الطاقة منخفضة جدا (المناورات إلى ميغاواط منخفضة)، فإن التقدم الأخير في تصميم معامل التكرار (الكشف عن الهوائي) وأجهزة الاستصلاح ذات القدرة المنخفضة قد يجعل من الممكن استخدامه في نقاط حرارة وأجهزة قياسية مصغرة.

تقنيات تصميم الدوائر ذات النقاط المنخفضة

وفيما عدا المواد ومصادر الطاقة، يؤدي هيكل الدوائر دورا حاسما في تحقيق الطاقة العالية، ويستخدم المصممون مجموعة من التقنيات للتقليل إلى أدنى حد من استهلاك الطاقة الدينامية والثابتة في أجهزة الغاز الطبيعي.

حوسبة قريبة من المدار الثابت بالنسبة المئوية

ويمكن أن يؤدي المترجمون العاملون في مجموعات الإمداد بالقرب من عتبة الفولط (الخامسة) إلى خفض كبير في استهلاك الطاقة - وذلك بعامل يتراوح بين 5 و 10 مقارنة بعملية الفولط الاسمي، وفي مركز التجارة الوطنية، تخفض الطاقة الدينامية (CV2f) لأن ارتفاع مستوى الطاقة وانخفاض أيضاً بسبب انخفاض الحاجز الناجم عن الصرف، ومع ذلك فإن عبء العمل غير المستقر في إطار الاختبارات.

Adiabatic Logic

ويهدف المنطق الهادف إلى خفض الطاقة المتفرقة أثناء التحول عن طريق شحنات إعادة التدوير المخزنة في المصدات بدلا من إلقاء الشحنات على الأرض، تستخدم دوائر الطاقة المعمدة إمدادات الطاقة للشحن والتفريغ تدريجيا، ومن الناحية النظرية، يمكن للدوائر الطبية أن تقترب من الصفر في كل عملية، ولكن التنفيذ العملي يحقق تخفيضا في أسعار المواد الكيميائية التقليدية.

المراكب المتزامنة والحدثية - الدارفن

(ب) أن تُحدث أجهزة تحويل متحركة، وأن تُقلل من حجمها، وأن تُستخدم في ذلك، وأن تُستخدم هذه الأجهزة في شكل مُعدات غير مُحددة، وأن تُستخدم في ذلك، وأن تُستخدم هذه الأجهزة في عمليات التنظيف، وأن تُستخدم في ذلك.

أسلوب النوم وأسلوب العمل الأمثل

وحتى أكثر الدوائر كفاءة ستضيع الطاقة إذا كان يجب أن تكون مستيقظاً دائماً، وبالنسبة لـ 6 جي، فإن أساليب النوم الذكية وسير العمل أمران أساسيان لتوسيع نطاق حياة البطاريات بأوامر ضخامة.

متلقيات إيك - أوب (WuRx)

ويمكن لمتلقي الاستيقاظ أن يستمع إلى إشارة إذاعية محددة بينما يُستحوذ على جهاز الموجة الرئيسي.

الإدارة الإيجابية للنائمة - الحكومية

(أ) يمكن لمديري المايكرولوت الحديثين أن ينتقلوا بين هذه الولايات على أساس أنماط حركة المرور المتوقعة، ويمكن أن تتعلم أحواض الحاسب الآلي سلوك المستخدم أو الاستشعار للتنبؤ بأوقات الاستيقاظ وضبط عمق النوم، مثلاً، يمكن أن يبقى مراقب صحي قابل للارتداء في نوم عميق أثناء الليل، يستيقظ كل 10 دقائق لإجراء القياس.

واجب المرسل والمجس

وفي شبكات الإيوت، فإن دورة العمل - جزء من الوقت الذي ينشط فيه جهاز ما - يمكن أن يكون منخفضاً بنسبة 0.1 في المائة أو أقل، وبالنسبة لـ 6G من الاتصالات الضخمة من النوع الآلات، يمكن أن تنقل الأجهزة عدداً قليلاً من المحركات يومياً، ويجب أن تكون المجهزة ذات الاتجاه القصير متزامنة مع تجنب تجاوزات السير.

الابتكارات على مستوى المنظومة: منظمة العفو الدولية والتكامل

أما الإلكترونيات الكهربائية المنخفضة جداً بالنسبة لـ 6G فهي لا تتعلق فقط بفرادى العناصر - المستوى الأمثل للنظم، فهي تتيح مكاسب كبيرة، ويمكن للاستخبارات الفنية أن تدير بصورة دينامية توزيع السلطة، واختيار الهوائي، وخطط العزلة القائمة على شروط القنوات ومتطلبات المرور.

AI-Driven Power Management

(أ) التعلم الآلي المختلط (TinyML) الذي يجري على المراكب الصغرى يمكن أن يتوقّع عبء العمل، وتعديل حجم العمل/الزيادة، ومراقبة حالات النوم في الوقت الحقيقي؛ وبالنسبة لـ 6G handset، يمكن للمبادرة معرفة ما هو البرمج المستخدم عادة في بعض المواقع (المنزل، المكتب، التخفيض) وتحويل جهاز نقل الطاقة إلى نمط منخفض القدرة.

التكامل المتجانس والهيكلات الهندسية

فبدلاً من بناء رقاقة واحدة من مادة واحدة، فإن التكامل المتجانس الذي يجمع شظايا - نمط نموت يُستفد إلى أقصى حد من مختلف المهام (المنطق الرقمي، والشعار، والذاكرة، ونموذج الإبلاغ الموحد) - على مجموعة مشتركة من الوصلات، مما يسمح لكل وظيفة باستخدام تكنولوجيا العمليات المثلى (مثلاً، أجهزة الدفع الرباعي، وأجهزة الاتصال السريع، وأجهزة الاتصال السريع، والربط الشبكية)

الآفاق المستقبلية والتحديات المتبقية

وفي حين أحرز تقدم كبير، لا تزال هناك تحديات في إدماج هذه الابتكارات في الأجهزة المنتجة جماعياً، ومن الضروري معالجة مسائل مثل الاستقرار المادي وتكاليف التصنيع والتوافق مع الهياكل الأساسية القائمة، ومع ذلك، فإن البحوث الجارية تعد بمستقبل تكون فيه الكترونيات الطاقة المنخفضة أساسية بالنسبة إلى التكنولوجيا ذات الـ 6 جي، مما يمكِّن من استخدام أجهزة أذكى وأكثر استدامة في جميع أنحاء العالم.

القابلية للصنع والتكلفة

فالغاز النباتي - على السيليكون أكثر تكلفة من السيليكون، ولا تزال الدفاتر ذات الجرعة التجريبية إلى حد كبير، كما أن إنتاج كميات كبيرة من المحاصيل المقبولة أمر أساسي، وبالمثل، يجب أن يكون محصولو الطاقة فعالاً من حيث التكلفة لكي يدمجوا - إيدياً - ينبغي أن تكلف أقل من قرش لكل جهاز من أجهزة بطاقات التحلل الجاهزة، ويمكن أن تؤدي التطورات في النسخ الإلكترونية المطبوعة وتجهيزات المتجددة إلى خفض تكاليف المحصولين والمجسات.

الموثوقية ووقت الحياة

ولا يزال الاستقرار المادي تحت ضغط طويل في إطار الترددات، وارتفاع درجة الحرارة، والرطوبة، مصدر قلق، إذ إن تدهور البيئة وأكسدة الاتصال يمكن أن يقلص حياة الأجهزة، إذ يجب أن تستمر عمليات محصول الطاقة المعرضة للتغيرات في الحرارة أو الإهتزازات على مدى سنوات، ويجري وضع معايير لفحص الحياة المعجلة، خاصة بأجهزة الموجات المتوسطة.

توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل

6G standards (expected by 2030 by ITU and 3GPP) must include provisions for ultra-low-power modes. wake-up signals, energy-efficient waveforms (e.g., OFDM with low PAPR), and ultra-light weight protocols for IoT are under discussion. A fragmented approach could hinder adoption. Industry collaborations like the ETSISG F5G/F6

الإدارة الحرارية في التكامل الكثيف

ومع أن الأجهزة تصبح أصغر وأكثر تكاملا، يصبح رفع الحرارة أمرا صعبا، وقد يكون من الممكن أن تساعد الطاقة من أعلى إلى أدنى حد، ولكن يمكن أن تحدث بؤر ساخنة على سبيل المثال في صفائف الهوائيات التي تستخدم الأشعة، وقد يلزم استخدام تقنيات التبريد العائم مثل الفلوريد المدمج أو القوارير الحرارية باستخدام المكثفات الفرعية للماس في شكل عوارض عالية الأداء.

خاتمة

فالاستخدامات الالكترونية للطاقة المنخفضة ليست تحديثا اختياريا لـ 6G-they شرط أساسي، فمن شبه الموصلات المتقدمة مثل صواريخ GaN و TMD إلى جمع الطاقة، وأجهزة الاتصال القريبة من الأرض، والإدارة القائمة على أساس الذروة، يجري اتباع نهج متعدد الجوانب، وفي حين أن التحديات في التكلفة والموثوقية والتوحيد لا تزال قائمة، فإن المسار واضح: