Le nouveau chipset récepteur 5G destiné à dynamiser les appareils portables et l’IoT

Des chercheurs du MIT ont conçu une puce réceptrice compacte et à faible consommation pour des appareils intelligents 5G plus petits, promettant de les rendre plus efficaces et fonctionnels.

Le récepteur montre une grande résilience aux interférences. Cette nouvelle puce est en fait jusqu: trente fois plus résistante aux interférences harmoniques que certains récepteurs sans fil existants.

De plus, la puce peut permettre aux appareils de durer plus longtemps en leur offrant une autonomie de batterie accrue. Cela rend le nouveau récepteur parfait pour les appareils alimentés par batterie Internet des objets (IoT) tels que les thermostats intelligents et les capteurs environnementaux, ainsi que les caméras intelligentes, les capteurs de surveillance industrielle et les appareils portables qui doivent fonctionner pendant de longues périodes.

Le design innovant clé du récepteur, ainsi que son mécanisme de filtrage passif, permet aux appareils de consommer moins d: un milliwatt (un millième de watt) de puissance statique. Non seulement il économise de l'énergie, mais il empêche également le brouillage des appareils en protégeant à la fois l'entrée et la sortie de l'amplificateur du récepteur contre les signaux indésirables.

Une autre approche novatrice adoptée par les chercheurs ici implique une nouvelle disposition de condensateurs empilés préchargés. Ces condensateurs sont également connectés par un réseau de minuscules commutateurs qui nécessitent beaucoup moins d'énergie pour s'activer et se désactiver que les commutateurs habituels utilisés dans les récepteurs IoT.

L'amplificateur et le réseau de condensateurs du récepteur sont soigneusement disposés pour tirer parti d'un phénomène d'amplification qui permet à la puce d'utiliser des condensateurs beaucoup plus petits que d'habitude.

Cela signifie que les appareils intelligents comme les wearables et les capteurs peuvent être rendus plus petits tout en ayant une autonomie de batterie plus longue, a noté le premier auteur de l'article, Soroush Araei, doctorant en génie électrique et informatique au MIT.

De plus, ces appareils seront plus fiables dans des environnements radio encombrés tels que les réseaux de villes intelligentes ou les usines. Dans l'ensemble, « le récepteur pourrait aider à étendre les capacités des gadgets IoT », a déclaré Araei.

L'article sur le nouveau design du récepteur, intitulé “A Harmonic-Suppressing Gain-Boosted N-Path Receiver with Clock Bootstrapping for IoT Applications”, a été présenté récemment au IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.

Repenser le récepteur

Dans un dispositif IoT, un récepteur joue le rôle d'intermédiaire entre l'appareil et son environnement. 

La tâche de ce composant est de détecter et d'amplifier les signaux sans fil transmis par d'autres appareils ou capteurs, de filtrer le bruit et les interférences, puis de convertir ces signaux en données numériques pour le traitement. Ainsi, les récepteurs ont un impact significatif sur la connectivité du dispositif IoT ainsi que sur son autonomie.

Lors de la conception des récepteurs, l'accent est mis sur une faible consommation d'énergie et une taille compacte. Ils doivent être suffisamment petits et légers pour s'intégrer à divers appareils IoT alimentés par batterie. En plus d'être rentables pour une adoption plus large, les récepteurs doivent également être compatibles avec différents standards et protocoles de communication et offrir une haute sélectivité afin de filtrer les signaux indésirables dans des environnements encombrés.

Typiquement, les récepteurs IoT fonctionnent sur des fréquences fixes et utilisent des filtres à bande étroite simples et peu coûteux pour supprimer le bruit. Bien que efficaces, ils ne s'adaptent pas vraiment aux avancées technologiques en cours.

Avec l'avènement de la technologie de réseau cellulaire de cinquième génération (5G), nous bénéficions désormais de vitesses plus rapides, d'une latence plus faible et d'une capacité accrue par rapport à son prédécesseur. 

En permettant des appareils à capacité réduite qui sont à la fois plus économes en énergie et abordables, la 5G ouvre la voie à des applications IoT innovantes. Cela signifie que la prochaine génération d'appareils IoT a besoin de récepteurs capables de fonctionner sur une large gamme de fréquences tout en étant économiques et économes en énergie, ce qui est « extrêmement difficile ».

Comme l'a expliqué Araei :

« Nous devons désormais non seulement réfléchir à la puissance et au coût du récepteur, mais aussi à la flexibilité pour faire face aux nombreux interférences présents dans l'environnement. »

Cela signifie que les ingénieurs ne peuvent pas compter sur des filtres externes encombrants, généralement utilisés dans les appareils fonctionnant sur une large gamme de fréquences, afin de réduire le coût, la taille et la consommation d'énergie d'un dispositif IoT.

Bien qu'un réseau de condensateurs intégrés offrant la capacité de filtrer les signaux indésirables constitue une solution, ils sont sensibles à un type particulier de bruit appelé interférence harmonique, que l'équipe a abordé il y a quelques années.

Dans leur article précédent, publié en 2023, les chercheurs du MIT ont posé les bases de leur puce réceptrice novatrice.

À l'époque, ils ont construit un réseau de commutateurs-capaciteurs pour éliminer les signaux harmoniques indésirables dès le début de la chaîne du récepteur. Le bruit était filtré avant d'être amplifié et converti en bits numériques pour le traitement.

Avec les interférences de signal ralentissant les performances des appareils et drainant les batteries, l'objectif est de concevoir des dispositifs capables de bloquer efficacement les signaux indésirables, une tâche particulièrement difficile et aggravée par l'adoption massive des réseaux 5G et des futures générations de systèmes de communication sans fil déjà en cours de développement.

Pour éliminer le besoin de filtres encombrants et coûteux afin de bloquer une gamme de signaux, les chercheurs ont développé une architecture de circuit qui bloque le bruit à l'entrée sans affecter ses performances.

« Nous nous intéressons au développement de circuits électroniques et de systèmes qui répondent aux exigences de la 5G et des futures générations de systèmes de communication sans fil. »

– Auteur principal Negar Reiskarimian, Professeure assistante en développement de carrière du consortium X-Window en EECS à l'époque

Le récepteur a même bloqué les interférences à haute puissance sans introduire davantage de bruit dans le traitement du signal. La puce a atteint environ quarante fois de meilleures performances pour bloquer les interférences harmoniques que de nombreux récepteurs à large bande, sans nécessiter de matériel ou de circuit supplémentaire, ce qui facilite la fabrication du puce à grande échelle.

Selon Reiskarimian, qui est également membre du corps professoral du Microsystems Technology Laboratories:

« Lors de la conception de nos circuits, nous nous inspirons d'autres domaines, tels que le traitement numérique du signal et l'électromagnétisme appliqué. Nous croyons en l'élégance et la simplicité des circuits et essayons de créer du matériel multifonctionnel qui ne nécessite pas de puissance supplémentaire ni d'espace supplémentaire sur la puce. »

L'élégance d'ingénierie de la puce

Les chercheurs du MIT ont développé la puce réceptrice en utilisant une architecture mixer-first. Ici, un signal radiofréquence (RF) est converti en un signal de fréquence inférieure dès qu'il est reçu par l'appareil, avant d'être transmis au convertisseur.

Cela permet une couverture d'une large gamme de fréquences tout en filtrant le bruit proche de la fréquence de fonctionnement. Cependant, les récepteurs mixer-first sont sujets aux interférences harmoniques.

Les interférences harmoniques proviennent de signaux dont les fréquences sont supérieures à la fréquence de fonctionnement de l'appareil. Ces fréquences peuvent être difficiles à différencier du signal original lors de la conversion.

« De nombreux autres récepteurs à large bande ne font rien concernant les harmoniques jusqu'au moment où il faut interpréter les bits. Ils le font plus tard dans la chaîne, mais cela ne fonctionne pas bien si l’on a des signaux à haute puissance aux fréquences harmoniques. Au lieu de cela, nous voulons éliminer les harmoniques dès que possible afin d'éviter la perte d'information. »

– Araei 

Ainsi, l'équipe a pris le filtrage numérique par blocs et l'a adapté au domaine analogique en utilisant des condensateurs.

Les condensateurs sont chargés lorsque le signal est reçu, puis ils sont désactivés pour conserver cette charge en vue d'un traitement des données ultérieur.

Ces condensateurs peuvent être connectés de plusieurs manières. Les connecter en parallèle est une façon qui permet aux condensateurs d'échanger les charges stockées, et bien que cela puisse atténuer les interférences harmoniques, cela entraîne une perte de signal. Une autre option est d'empiler les condensateurs, mais à elle seule, elle ne suffit pas à assurer une résilience aux interférences harmoniques.

La solution consistait à disposer les condensateurs de manière très précise, ce qui a permis à l'appareil de bloquer les interférences harmoniques sans aucune perte d'information.

L'utilisation simultanée du partage de charge et de l'empilement de condensateurs n'avait jamais été réalisée auparavant, jusqu'à ce que l'équipe découvre que cela était bénéfique lorsqu'ils étaient effectués simultanément. Comme l'a noté Araei, ils ont même « découvert comment faire cela de manière passive au sein du mélangeur sans utiliser de matériel supplémentaire tout en maintenant l'intégrité du signal et en réduisant les coûts. »

Lors des tests du dispositif, qui consistaient à envoyer simultanément un signal souhaité et une interférence harmonique, les chercheurs ont constaté que leur puce était efficace pour bloquer les signaux harmoniques, avec seulement une légère réduction de la puissance du signal. 

La puce a réellement pu gérer des signaux 40 fois plus puissants que ceux des récepteurs à large bande avancés précédents.

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Vers des appareils 5G évolutifs et auto-alimentés

Dans les dernières recherches de ce mois, les chercheurs du MIT ont étendu leur approche. Ce qu'ils ont fait est d'utiliser le réseau de commutateurs-capaciteurs comme chemin de rétroaction dans un amplificateur à gain négatif. Cette configuration particulière exploite l'effet Miller.

Nommé d'après John Milton Miller, qui l'a décrit pour la première fois en 1920, l'effet Miller décrit la situation où la capacité (la capacité d'un objet à stocker une charge électrique) entre l'entrée et la sortie d'un amplificateur (un composant électronique qui augmente la force des signaux électriques faibles) apparaît comme une capacité plus grande à l'entrée.

Cet effet permet à de petits condensateurs de se comporter comme des condensateurs beaucoup plus grands.

« Cette astuce nous permet de répondre aux exigences de filtrage pour l'IoT à bande étroite sans composants physiquement grands, ce qui réduit drastiquement la taille du circuit. »

– Araei 

Le récepteur conçu par les chercheurs possède une zone active de moins de 0,05 millimètre carré. Un défi que les chercheurs ont dû surmonter était de déterminer comment appliquer suffisamment de tension pour piloter les commutateurs tout en maintenant l'alimentation globale du puce à un niveau bas, seulement 0,6 volt.

Cependant, si la tension nécessaire pour le commutateur est trop basse, ces minuscules commutateurs peuvent s'activer et se désactiver par erreur en présence de signaux interférents. Pour cela, les chercheurs ont utilisé une méthode de circuit spéciale.

La méthode appelée « bootstrap clocking » augmente la tension de contrôle suffisamment pour garantir que les commutateurs fonctionnent avec précision tout en consommant moins d'énergie et moins d'éléments que les techniques conventionnelles d'amplification d'horloge.

Toutes les innovations combinées permettent au nouveau récepteur d'utiliser moins d'un milliwatt (mW) tout en bloquant beaucoup plus d'interférences harmoniques que les récepteurs IoT conventionnels. Selon Araei :

« Notre puce est également très silencieuse, en ce sens qu'elle ne pollue pas les ondes radio. Cela provient du fait que nos commutateurs sont très petits, de sorte que la quantité de signal qui peut fuir de l'antenne est également très faible. »

Le récepteur prototype (RX) est implémenté en technologie 22 nm fully depleted silicon-on-insulator (FD‑SOI), occupant 0,048 mm² et consommant entre 1,27 et 5,48 mW. Le récepteur fonctionne sur une gamme de fréquences de 0,25 à 3 GHz et atteint un point de compression de blocage de 1 dB (B1dB) de -3/-2 dBm aux 3ᵉ/5ᵉ harmoniques, respectivement. La fuite de l'oscillateur local (LO) au port d'antenne montre également des performances supérieures par rapport aux conceptions de pointe, avec un pire cas de -73 dBm sur l'ensemble de la gamme de fréquences.

En raison de sa taille plus petite que les dispositifs conventionnels, ainsi que de son recours à des condensateurs préchargés et à des commutateurs plutôt qu'à une électronique plus complexe, le récepteur pourrait être plus rentable à fabriquer. 

De plus, grâce à la capacité du récepteur à couvrir une large gamme de fréquences de signal, il peut être implémenté sur une variété d'appareils IoT existants et futurs.

En partie soutenus par la National Science Foundation, les chercheurs ont développé le prototype et visent maintenant à permettre à leur récepteur de fonctionner sans alimentation dédiée. Pour alimenter la puce, ils peuvent envisager d'utiliser les signaux Bluetooth ou Wi‑Fi provenant de l'environnement.

Investissement dans le marché des circuits intégrés analogiques et mixtes

En ce qui concerne l'investissement dans le secteur, l'une des entreprises les plus pertinentes à explorer ici est Analog Devices (ADI ). Un acteur majeur des semi-conducteurs analogiques et mixtes, ADI développe des convertisseurs de données, des amplificateurs, des circuits intégrés radiofréquence (RF), des processeurs de bord, de la gestion d'énergie et d'autres capteurs. Elle investit également dans des architectures à faible consommation d'énergie pour les appareils sans fil.

Analog Devices  

Si nous examinons la performance du cours des actions ADI, elles se négocient actuellement à 234,68 $, en hausse de 10,46 % depuis le début de l'année. Les actions de la société connaissent en fait une tendance positive depuis plus d'une décennie, avec des prix atteignant un sommet historique d'environ 244 $ plus tôt cette année. Même après une chute à près de 164 $ en avril, parallèlement au marché large, elles se sont depuis bien redressées, enregistrant une performance positive d'environ 42,5 %.

Avec cela, elle affiche un BPA (TTM) de 3,67 et un PER (TTM) de 64,03. Un rendement du dividende de 1,69 % est également offert aux actionnaires.

En ce qui concerne les finances de l'entreprise, Analog Devices a déclaré un chiffre d'affaires de 2,64 milliards de dollars pour son deuxième trimestre fiscal 2025, qui s'est terminé le 3 mai 2025. Avec une croissance à deux chiffres en glissement annuel enregistrée sur tous les marchés finaux, l'entreprise a généré 3,9 milliards de dollars de flux de trésorerie d'exploitation et un flux de trésorerie disponible de 3,3 milliards de dollars sur les douze derniers mois.

« ADI a livré un chiffre d'affaires du deuxième trimestre et un bénéfice par action supérieurs à la partie haute des prévisions », a déclaré le PDG Vincent Roche. « Dans un contexte de volatilité du commerce mondial, notre performance reflète la reprise cyclique en cours, ainsi que la solidité et la résilience de notre modèle d'affaires. Notre engagement inébranlable envers l'innovation et le succès client permet à ADI de continuer à étendre notre leadership sur l'Intelligent Edge de plus en plus piloté par l'IA, offrant une valeur exceptionnelle aux actionnaires à la fois à court et à long terme. »

La demande accrue enregistrée par Analog Devices ce dernier trimestre, selon le directeur financier Richard Puccio, soutient également leurs perspectives de croissance continue au prochain trimestre et renforce leur conviction « que nous sommes dans une reprise cyclique ».

Pour le troisième trimestre de l'exercice 2025, ils prévoient un chiffre d'affaires de 2,75 milliards de dollars et une marge opérationnelle de 27,2 %. Le BPA devrait être d'environ 1,23 $.

Au cours du deuxième trimestre, l'entreprise a également reversé 0,7 milliard de dollars aux actionnaires sous forme de dividendes et de rachats. Un dividende en espèces trimestriel de 0,99 $ par action a également été annoncé par le conseil, qui sera payé le 18 juin 2025.

Ce dividende reflète une hausse de 8 %, annoncée en février de cette année, marquant 21 années consécutives de dividendes en hausse. En même temps, ils ont obtenu l'autorisation de racheter 10 milliards de dollars supplémentaires de leurs actions ordinaires.

« Le modèle d'affaires résilient d'ADI et son historique de croissance rentable permettent de restituer 100 % du flux de trésorerie disponible aux actionnaires sur le long terme. »

– Roche

Par ailleurs, ce mois-ci, l'entreprise a lancé un fonds de capital-risque d'entreprise (CVC) appelé ADVentures (ADV) dans le but d'investir dans des opportunités émergentes qui définiront de nouvelles frontières en matière d'innovation et d'impact.

L'accent sera mis sur des idées naissantes développant des solutions révolutionnaires dans la santé humaine, les systèmes avancés et la robotique, ainsi que le climat et l'énergie, avec un intérêt particulier pour des domaines tels que l'IA, les architectures informatiques, les nouvelles modalités de détection et la connectivité sécurisée.

En janvier de cette année, Analog Devices a également obtenu le soutien du Département du Commerce des États-Unis, qui a signé quatre contrats non contraignants, prévoyant jusqu: 105 millions de dollars de financement direct à l'entreprise. Ces contrats font partie du CHIPS and Science Act, destiné à stimuler l'industrie nationale des semi-conducteurs.

Axé sur la promotion de l'innovation à l'Intelligent Edge, cet investissement l'aidera à renforcer la formation de son personnel et ses partenariats ainsi qu'à gérer son empreinte environnementale.

Dernières actualités et développements des actions Analog Devices (ADI)

Conclusion

Avec les appareils IoT de prochaine génération qui utiliseront la technologie 5G, les récepteurs doivent être capables de gérer une large gamme de fréquences avec une faible consommation d'énergie et un coût réduit. 

Une technologie de récepteur améliorée peut conduire à une meilleure connectivité, une autonomie de batterie plus longue et des performances plus fiables pour les appareils IoT, permettant ainsi une gamme plus large d'applications dans des domaines tels que les maisons intelligentes, l'automatisation industrielle, les soins de santé et la surveillance environnementale.

Alors que la demande pour une technologie de récepteur économe en énergie et résiliente aux interférences devient cruciale, le design compact et à faible consommation du récepteur du MIT peut aider les appareils intelligents à atteindre de meilleures performances et une fonctionnalité accrue, conduisant à des wearables et des appareils IoT plus intelligents, plus petits et plus durables pour un monde véritablement interconnecté !

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