V tej objavi na blogu bomo raziskali različna področja in ključne tehnologije, ki jih zajema elektrotehnika, ter kako vpliva na sodobno industrijo in naše vsakdanje življenje.

Koncept elektrotehnike in struktura oddelka za elektrotehniko

Ljudje, ki niso seznanjeni z elektrotehniko, to področje pogosto zamenjujejo z elektrotehniko. Poleg tega kar nekaj ljudi meni, da je elektronika sodobnejša disciplina kot elektrotehnika. Medtem ko nekateri ob izrazu »elektrotehnika« takoj pomislijo na plezanje po daljnovodih ali delo z električnimi žicami, je to ena najpogostejših zmotnih predstav o tem področju. Zato moramo za uvedbo raziskav, povezanih z elektrotehniko, najprej preučiti, kaj točno »elektrotehnika« je kot disciplina.
Elektrotehniko in elektroniko lahko na splošno ločimo glede na obseg energije, s katero se ukvarjata. Elektrotehnika se je razvila predvsem na področjih, ki se ukvarjajo z veliko energijo, kot so proizvodnja, prenos in distribucija energije, medtem ko se je elektronika razvila predvsem na področjih, ki obdelujejo signale z uporabo majhnih količin energije, kot so polprevodniki, elektronska vezja in obdelava informacij. Vendar pa sta se danes tehnologiji teh dveh področij v veliki meri zbližali, zaradi česar je težko jasno ločiti vsa raziskovalna področja samo na podlagi te razlike. Druga razlika je v tem, da se električni naboj v elektrotehniki uporablja kot vir energije, medtem ko v elektroniki služi kot sredstvo za prenos signalov.
Številne univerze v tujini izvajajo elektrotehniko in računalništvo kot eno samo fakulteto ali oddelek, izraz EECS (Electrical Engineering and Computer Science - elektrotehnika in računalništvo) pa se pogosto uporablja. Številne univerze v Južni Koreji izvajajo izobraževanje in raziskave tudi z integracijo ali povezovanjem disciplin, kot so elektrotehnika, elektronika, računalništvo in polprevodniško inženirstvo, na različne načine.
Šola za elektrotehniko na Nacionalni univerzi v Seulu je bila ustanovljena leta 1992 z združitvijo oddelkov za elektrotehniko, elektroniko ter krmilno in instrumentacijsko tehniko. Znotraj enega oddelka obstajajo različne specializirane smeri, med dodiplomskim programom pa študenti najprej obiskujejo temeljne predmete, kot so teorija vezij, elektromagnetika, logično načrtovanje in elektronska vezja, da bi si kot študenti elektrotehnike zgradili trdne temelje.
Področja, ki jih pokriva Oddelek za elektrotehniko, lahko na splošno razdelimo na sisteme, elektroniko in računalništvo. Področje sistemov vključuje elektroenergetske sisteme, radijske valove ter informacije in komunikacije ter krmiljenje, instrumentacijo in avtomatizacijo. Področje elektronike zajema polprevodniške naprave, integrirana vezja in elektronsko fiziko, medtem ko področje računalništva vključuje raziskave različnih tehnologij, kot so računalniški sistemi, načrtovanje polprevodnikov, vgrajeni sistemi in strojna oprema za umetno inteligenco. Od tu naprej bomo preučili tehnologije in sorodne panoge, ki predstavljajo vsako od teh področij.

Kako se je razvila tehnologija mobilnih komunikacij?

Na področju sistemov lahko preučimo tehnologijo mobilnih komunikacij, ki predstavlja radijske valove ter informacije in komunikacije. Danes tehnologija mobilnih komunikacij služi kot temelj za različne panoge, vključno s pametnimi telefoni, temveč tudi internetom stvari (IoT), avtonomnimi vozili in pametnimi tovarnami. Z razširjeno uporabo pametnih telefonov lahko ljudje zdaj dostopajo do interneta in izmenjujejo informacije kadar koli in kjer koli, ta preobrazba pa je bistveno spremenila ne le telekomunikacijsko industrijo, temveč tudi življenjski slog v celotni družbi. Storitve, kot so video klici, mobilna plačila, pretakanje v realnem času in oddaljene konference, so postale tudi vsakdanje funkcije zaradi napredka v tehnologiji mobilnih komunikacij.
Začetki brezžične komunikacije segajo v čas poskusov brezžične telegrafije, ki jih je konec 19. stoletja izvedel italijanski znanstvenik Marconi. Čeprav so bile pozneje razvite različne tehnologije brezžične komunikacije, je bila zgodnja oprema izjemno okorna, kar je močno omejevalo mobilnost.
Razlog, zakaj se mobilni telefoni v angleščini imenujejo »celularni telefoni«, je ta, da uporabljajo celični sistem, ki široko območje razdeli na majhne celice in večkrat uporablja isto frekvenco. Ta tehnologija je bila prelomna metoda, ki je mnogim uporabnikom omogočila sočasno komunikacijo tudi z omejenimi frekvenčnimi viri. Čeprav je bil ta koncept predlagan že konec štiridesetih let prejšnjega stoletja, takrat ni bilo tehnologije, potrebne za izdelavo dovolj majhnih elektronskih naprav, zato je trajalo dolgo, da so dosegli komercializacijo.
Kasneje se je z izumom tranzistorja in razvojem integriranih vezij (IC) velikost elektronskih naprav močno zmanjšala in mobilni telefoni so končno postali široko sprejeti. Tehnologija mobilnih komunikacij se je razvijala skozi zaporedne generacije, začenši z analognimi mobilnimi komunikacijami prve generacije (1G), sledile so 2G, 3G in 4G LTE, zdaj pa je 5G komercialno dostopna v mnogih državah po svetu. Poleg tega v nekaterih državah aktivno potekajo raziskave in standardizacija za tehnologijo 5G-Advanced in naslednjo generacijo 6G.

Zakaj so polprevodniki in integrirana vezja osrednjega pomena za elektrotehniko?

Na področju elektronike so polprevodniške naprave in integrirana vezja nepogrešljiva. Poleg tega je s tem področjem tesno povezana tudi VLSI (Very Large Scale Integration), ki spada pod področje računalništva. Ko smo prej preučili zgodovino mobilnih komunikacij, smo videli, da je izum tranzistorjev in integriranih vezij omogočil miniaturizacijo in široko komercializacijo mobilnih telefonov. Tako lahko tehnologije polprevodniških naprav in integriranih vezij štejemo za osrednje tehnologije, ki so omogočile miniaturizacijo in visoko zmogljivost skoraj vseh elektronskih naprav, ki jih uporabljamo danes.
V zgodnjih dneh elektronske industrije so bile vakuumske cevi uporabljene kot ključne komponente za nadzor pretoka elektronov. Čeprav so bile vakuumske cevi takrat prelomna tehnologija, so imele pomanjkljivosti, kot so bile velike, poraba energije in ustvarjanje veliko toplote. Zaradi teh omejitev je bilo težko miniaturizirati elektronske naprave in jih množično proizvajati.
Leta 1947 je izum tranzistorja v Bell Labs v Združenih državah Amerike pomenil novo prelomnico za elektronsko industrijo. Z napredovanjem tehnologije izdelave polprevodnikov so se pojavila integrirana vezja (IC) – ki integrirajo številne tranzistorje na enem samem polprevodniškem čipu – in zmogljivost elektronskih naprav se je začela dramatično izboljševati. Z vztrajnim povečevanjem gostote integracije polprevodnikov so hkrati dosegli večjo zmogljivost in manjšo porabo energije.
Danes je industrija polprevodnikov na splošno razdeljena na pomnilniške polprevodnike in sistemske polprevodnike. V sektorju pomnilniških polprevodnikov imata Samsung Electronics in SK Hynix vrhunsko konkurenčnost, medtem ko se v sektorju sistemskih polprevodnikov različna globalna podjetja – vključno z NVIDIA, Intel, AMD, Qualcomm in TSMC – soočajo z ostro konkurenco. Poleg tega se industrija polprevodnikov še naprej hitro razvija, saj se tehnologija sistemov na čipu (SoC), ki združuje več funkcij, kot so centralne procesorske enote (CPU), grafične procesorje (GPU), nevronske procesorje (NPU) in pomnilnik, na enem samem čipu – pogosto uporablja v pametnih telefonih, avtomobilih in polprevodnikih z umetno inteligenco.

Napredek v računalništvu v oblaku in računalniški industriji

V računalniški industriji računalništvo v oblaku izstopa kot ena najbolj reprezentativnih tehnologij. Računalniki so postali sestavni del našega vsakdanjega življenja in ne le osebni računalniki, temveč tudi različne naprave, kot so pametni telefoni, tablice in pametne ure, so zdaj med seboj povezane prek interneta.
V preteklosti je bilo običajno, da se je večina podatkov shranjevala neposredno na osebnem računalniku in na istem stroju izvajali programi. Vendar pa lahko uporabniki z napredkom računalništva v oblaku zdaj prek interneta dostopajo do toliko prostora za shranjevanje in računalniških virov, kot jih potrebujejo. Ta model temelji na strukturi, kjer podjetja, specializirana za delovanje strežnikov, učinkovito upravljajo obsežne računalniške vire, medtem ko uporabniki storitve uporabljajo le po potrebi.
Največja prednost računalništva v oblaku je učinkovita uporaba računalniških virov. Posamezniki lahko prek storitev v oblaku opravljajo naloge, ki zahtevajo visoko zmogljivost – kot so obsežna analiza podatkov, usposabljanje za umetno inteligenco in montaža videoposnetkov – ne da bi morali sami kupiti visokozmogljive računalnike. Poleg tega, ker so podatki porazdeljeni in shranjeni na več strežnikih, to ponuja znatne prednosti pri upravljanju in varnostnem kopiranju.
V zadnjem času se je področje uporabe še razširilo, saj je bilo računalništvo v oblaku integrirano ne le z zelo mobilnimi napravami, kot so pametni telefoni, tablice in prenosniki, temveč tudi s storitvami umetne inteligence. Storitve generativne umetne inteligence, platforme za spletno sodelovanje in storitve pretakanja se prav tako v veliki meri upravljajo s tehnologijo računalništva v oblaku, pričakuje pa se, da se bo tehnologija v oblaku v prihodnosti še naprej uveljavljala kot osrednji temelj za različne panoge.

V katero smer se bo elektrotehnika razvijala v prihodnosti?

Do sedaj smo preučili različna področja, ki jih zajema elektrotehnika, skupaj z njihovimi reprezentativnimi tehnologijami in sorodnimi panogami. Na prvi pogled se elektroenergetski sistemi, mobilne komunikacije, polprevodniki in računalniška tehnologija morda zdijo neodvisna področja. Vendar so v resnici ta področja tesno povezana in napredek na katerem koli področju služi kot ključna podlaga za napredek na drugih.
Na primer, visokozmogljivi polprevodniki in tehnologija integriranih vezij sta bistvenega pomena za napredek mobilnih komunikacij, računalništvo v oblaku pa lahko stabilno deluje le, če se visokozmogljivi strežniki, napajalni sistemi in ultrahitra komunikacijska omrežja razvijajo vzporedno. Poleg tega se s sodelovanjem na različnih področjih elektrotehnike razvijajo tudi prihodnje industrije, kot so umetna inteligenca, avtonomna vožnja, pametne tovarne in komunikacije naslednje generacije.
V prihodnje bo elektrotehnika s konvergenco energetskih, polprevodniških, informacijsko-komunikacijskih in računalniških tehnologij še naprej spodbujala nove industrije in tehnološke inovacije ter se razvijala v osrednjo disciplino, ki bo še bolj vplivala na naše vsakdanje življenje in družbo kot celoto.