Il nuovo chip ricevitore 5G destinato a potenziare i dispositivi indossabili e IoT

I ricercatori del MIT hanno progettato un chip ricevitore compatto e a basso consumo per dispositivi intelligenti 5G più piccoli, promettendo di renderli più efficienti e funzionali.

Il ricevitore mostra una grande resilienza alle interferenze. Questo nuovo chip è in realtà fino a trenta volte più resiliente alle interferenze armoniche rispetto a molti dei ricevitori wireless esistenti.

Inoltre, il chip può consentire ai dispositivi di durare più a lungo fornendo loro una maggiore autonomia della batteria. Questo rende il nuovo ricevitore perfetto per dispositivi IoT alimentati a batteria, come termostati intelligenti e sensori ambientali, nonché telecamere smart, sensori di monitoraggio industriale e dispositivi indossabili che devono funzionare per periodi prolungati.

Il design innovativo chiave del ricevitore, insieme al suo meccanismo di filtraggio passivo, consente ai dispositivi di consumare meno di un milliwatt (un millesimo di watt) di potenza statica. Non solo conserva energia, ma impedisce anche il jamming del dispositivo proteggendo sia l’ingresso che l’uscita dell’amplificatore del ricevitore da segnali indesiderati.

Un altro approccio innovativo adottato dai ricercatori qui prevede una nuova disposizione di condensatori impilati precaricati. Questi condensatori sono anche collegati da una rete di minuscoli interruttori che richiedono significativamente meno energia per accendersi e spegnersi rispetto a quelli solitamente usati nei ricevitori IoT.

Sia l’amplificatore sia la rete di condensatori del ricevitore sono disposti con cura per sfruttare un fenomeno di amplificazione che permette al chip di utilizzare condensatori molto più piccoli di quanto normalmente richiesto.

Ciò significa che dispositivi intelligenti come indossabili e sensori possono essere resi più piccoli mantenendo una durata della batteria più lunga, ha osservato l’autore principale del documento, Soroush Araei, studente laureato in ingegneria elettrica e informatica (EECS) al MIT.

Inoltre, questi dispositivi saranno più affidabili in ambienti radio affollati come le reti di città intelligenti o i pavimenti delle fabbriche. In generale, “il ricevitore potrebbe aiutare ad espandere le capacità dei gadget IoT”, ha affermato Araei.

Il documento sul nuovo design del ricevitore, intitolato “Un Ricevitore N-Path a Guadagno Incrementato e Soppressione Armonica con Avvio dell’Orologio per Applicazioni IoT, è stato presentato recentemente al IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.

Ripensare il Ricevitore

In un dispositivo IoT, un ricevitore svolge il ruolo di intermediario tra il dispositivo e il suo ambiente. 

Il compito di questo componente è rilevare e amplificare i segnali wireless trasmessi da altri dispositivi o sensori, filtrare rumore e interferenze, e poi convertire quei segnali in dati digitali per l’elaborazione. Pertanto, i ricevitori hanno un impatto significativo sulla connettività del dispositivo IoT così come sulla durata della batteria.

Quando si progettano i ricevitori, l’attenzione principale è sul funzionamento a basso consumo e su dimensioni compatte. Devono essere piccoli e leggeri abbastanza da adattarsi a vari dispositivi IoT alimentati a batteria. Oltre a essere economicamente vantaggiosi per una più ampia adozione, i ricevitori devono anche essere compatibili con diversi standard e protocolli di comunicazione e avere alta selettività per filtrare segnali indesiderati in ambienti affollati.

Tipicamente, i ricevitori IoT operano su frequenze fisse e utilizzano filtri a banda stretta semplici ed economici per sopprimere il rumore. Sebbene efficaci, non riescono a tenere il passo con i continui progressi tecnologici.

Con l’avvento della tecnologia di rete cellulare di quinta generazione (5G), ora otteniamo velocità più rapide, latenza più bassa e capacità aumentata rispetto al suo predecessore. 

Abilitando dispositivi a capacità ridotta che siano sia più efficienti dal punto di vista energetico sia più economici, il 5G sta aprendo le porte a applicazioni IoT innovative. Ciò significa che la prossima generazione di dispositivi IoT necessita di ricevitori capaci di operare su un ampio intervallo di frequenze mantenendo costi contenuti ed efficienza energetica, il che è “estremamente impegnativo”.

Come ha spiegato Araei:

“Ora dobbiamo considerare non solo la potenza e il costo del ricevitore, ma anche la flessibilità per affrontare i numerosi interferenti presenti nell’ambiente.”

Ciò significa che gli ingegneri non possono dipendere da filtri ingombranti esterni al chip, solitamente usati in dispositivi che operano su un ampio intervallo di frequenze, per ridurre costo, dimensioni e consumo energetico di un dispositivo IoT.

Mentre una rete di condensatori integrati con capacità di filtrare segnali indesiderati offre una soluzione, questi sono soggetti a un tipo speciale di rumore chiamato interferenza armonica, che il team ha affrontato qualche anno fa.

Nel loro documento precedente, pubblicato nel 2023, i ricercatori del MIT hanno posto le basi per il loro nuovo chip ricevitore.

All’epoca, hanno costruito una rete switch-capacitor per affrontare i segnali armonici indesiderati già nelle prime fasi della catena del ricevitore. Il rumore veniva filtrato prima di essere amplificato e convertito in bit digitali per l’elaborazione.

Con l’interferenza del segnale che rallenta le prestazioni del dispositivo e scarica le batterie, l’obiettivo è progettare dispositivi che possano bloccare i segnali indesiderati in modo efficiente, un compito particolarmente difficile e ulteriormente aggravato dalla diffusione delle reti 5G e delle future generazioni di sistemi di comunicazione wireless già in sviluppo.

Per eliminare la necessità di filtri ingombranti e costosi per bloccare una gamma di segnali, i ricercatori hanno sviluppato un’architettura di circuito che blocca il rumore all’ingresso senza influire sulle prestazioni.

“Siamo interessati a sviluppare circuiti elettronici e sistemi che soddisfino le esigenze del 5G e delle future generazioni di sistemi di comunicazione wireless.”

– Autrice senior Negar Reiskarimian, Assistente Professore per lo Sviluppo di Carriera nel Consorzio X-Window in EECS al tempo

Il ricevitore ha persino bloccato interferenze ad alta potenza senza introdurre ulteriore rumore nell’elaborazione del segnale. Il chip ha raggiunto circa quaranta volte migliori prestazioni nel bloccare interferenze armoniche rispetto a molti ricevitori a banda larga, senza necessità di hardware o circuiteria aggiuntivi, facilitando la produzione del chip su larga scala.
Secondo Reiskarimian, che è anche membro principale del Microsystems Technology Laboratories:

“Nel progettare i nostri circuiti, cerchiamo ispirazione in altri domini, come l’elaborazione digitale del segnale e l’elettromagnetismo applicato. Crediamo nell’eleganza e nella semplicità dei circuiti e cerchiamo di creare hardware multifunzionale che non richieda energia e area chip aggiuntive.” 

L’Eleganza Ingengeristica del Chip

I ricercatori del MIT hanno sviluppato il chip ricevitore usando un’architettura mixer-first. Qui, un segnale a radiofrequenza (RF) viene convertito in un segnale a frequenza più bassa una volta ricevuto dal dispositivo, prima di essere passato al convertitore.

Questo consente una copertura di un ampio intervallo di frequenze filtrando al contempo il rumore vicino alla frequenza operativa. Tuttavia, i ricevitori mixer-first sono soggetti a interferenza armonica.
L’interferenza armonica deriva da segnali con frequenze superiori a quella operativa del dispositivo. Queste frequenze possono essere difficili da distinguere dal segnale originale al momento della conversione.

“Molti altri ricevitori a banda larga non fanno nulla riguardo agli armonici fino al momento di interpretare i bit. Lo fanno più tardi nella catena, ma questo non funziona bene se si hanno segnali ad alta potenza alle frequenze armoniche. Invece, vogliamo rimuovere gli armonici il prima possibile per evitare la perdita di informazioni.”

– Araei 

Quindi, ciò che il team ha fatto è stato prendere il filtraggio digitale a blocchi e adattarlo al dominio analogico usando i condensatori.

I condensatori si caricano quando il segnale viene ricevuto, e poi vengono spenti per mantenere quella carica per l’elaborazione dei dati successiva.

Questi condensatori possono essere collegati in molti modi diversi. Collegarli in parallelo è un modo che consente a questi condensatori di scambiare le cariche immagazzinate, e mentre questo può affrontare l’interferenza armonica, porta alla perdita del segnale. Un’altra opzione è impilare i condensatori, ma da sola non è sufficiente a fornire resilienza all’interferenza armonica.

La soluzione è stata disporre i condensatori in modo molto preciso, il che ha permesso al dispositivo di bloccare l’interferenza armonica senza perdita di informazioni.

Usare la condivisione di carica e l’impilamento dei condensatori insieme non era stato fatto prima, finché il team non ha scoperto che era vantaggioso quando eseguito simultaneamente. Come ha osservato Araei, hanno persino “scoperto come farlo in modo passivo all’interno del mixer senza usare hardware aggiuntivo mantenendo l’integrità del segnale e contenendo i costi.”

Durante i test del dispositivo, che prevedevano l’invio simultaneo di un segnale desiderato e interferenza armonica, i ricercatori hanno constatato che il loro chip era efficace nel bloccare i segnali armonici, con solo una leggera riduzione dell’intensità del segnale. 

Il chip è stato effettivamente in grado di gestire segnali 40 volte più potenti rispetto ai precedenti ricevitori a banda larga avanzati.

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Verso Dispositivi 5G Scalabili e a Raccolta di Energia

Nelle ricerche più recenti di questo mese, i ricercatori del MIT hanno esteso il loro approccio. Ciò che hanno fatto è stato utilizzare la rete switch-capacitor come percorso di retroazione in un amplificatore con guadagno negativo. Questa configurazione sfrutta l’effetto Miller.

Intitolato a John Milton Miller, che lo descrisse per la prima volta nel 1920, l’effetto Miller descrive la situazione in cui la capacità (la capacità di un oggetto di immagazzinare carica elettrica) tra l’ingresso e l’uscita di un amplificatore (un componente elettronico che aumenta la forza di segnali elettrici deboli) appare come una capacità maggiore all’ingresso. 

L’effetto consente a piccoli condensatori di comportarsi come condensatori molto più grandi.

“Questo trucco ci permette di soddisfare il requisito di filtraggio per l’IoT a banda stretta senza componenti fisicamente grandi, il che riduce drasticamente le dimensioni del circuito.”

– Araei 

Il ricevitore progettato dai ricercatori ha un’area attiva inferiore a 0,05 millimetri quadrati. C’era una sfida che i ricercatori hanno dovuto superare, ovvero decidere come applicare una tensione sufficiente per attivare gli interruttori mantenendo l’alimentazione complessiva del chip bassa, a soli 0,6 volt.

Tuttavia, se la tensione necessaria per l’interruttore è troppo bassa, tali interruttori minuscoli possono attivarsi o disattivarsi erroneamente in presenza di segnali interferenti. Per questo, i ricercatori hanno utilizzato un metodo di circuito speciale.

Il metodo chiamato bootstrap clocking potenzia la tensione di controllo abbastanza da garantire che gli interruttori funzionino accuratamente consumando meno energia e meno componenti rispetto alle tecniche convenzionali di potenziamento dell’orologio.

Tutte le innovazioni insieme consentono al nuovo ricevitore di utilizzare meno di un milliwatt (mW) di potenza bloccando molto più interferenza armonica rispetto ai ricevitori IoT convenzionali. Secondo Araei:

“Il nostro chip è anche molto silenzioso, nel senso di non inquinare le onde radio. Questo deriva dal fatto che i nostri interruttori sono molto piccoli, quindi la quantità di segnale che può fuoriuscire dall’antenna è anch’essa molto piccola.” 

Il prototipo del ricevitore (RX) è implementato in tecnologia a 22 nm fully depleted silicon-on-insulator (FD‑SOI), occupando 0,048 mm² e consumando una potenza compresa tra 1,27‑5,48 mW. Il ricevitore opera su un intervallo di frequenza di 0,25‑3 GHz e raggiunge un punto di compressione blocker 1‑dB (B1dB) di -3/-2 dBm ai 3°/5° armonici, rispettivamente. La perdita di segnale del local oscillator (LO) alla porta dell’antenna mostra anche prestazioni superiori rispetto ai progetti all’avanguardia, con un valore peggiore di -73 dBm su tutto l’intervallo di frequenza.

Grazie alle dimensioni più piccole rispetto ai dispositivi convenzionali, nonché all’uso di condensatori precaricati e interruttori anziché elettronica più complessa, il ricevitore potrebbe risultare più conveniente da fabbricare. 

Inoltre, con il design del ricevitore in grado di coprire un’ampia gamma di frequenze di segnale, può essere implementato su una varietà di dispositivi IoT esistenti e futuri.

Supportato in parte dalla National Science Foundation, i ricercatori hanno sviluppato il prototipo e ora mirano a far funzionare il loro ricevitore senza un’alimentazione dedicata. Per alimentare il chip, possono considerare l’utilizzo di segnali Bluetooth o Wi‑Fi presenti nell’ambiente.

Investimento nel Mercato dei Circuiti Integrati Analogici e Mixed-Signal

Quando si tratta di investire nel settore, una delle aziende più rilevanti da esplorare è Analog Devices (ADI ). Un attore importante nei semiconduttori analogici e mixed-signal, ADI sviluppa convertitori di dati, amplificatori, circuiti integrati a radiofrequenza (RF), processori edge, gestione dell’energia e altri sensori. Investisce anche in architetture a basso consumo energetico per dispositivi wireless.

Analog Devices  

Se osserviamo le performance di mercato delle azioni ADI, attualmente sono scambiate a $234,68, in rialzo del 10,46 % YTD. Le azioni dell’azienda hanno goduto di una tendenza di mercato positiva per più di un decennio, con prezzi che hanno toccato un massimo storico di quasi $244 all’inizio di quest’anno. Anche dopo una caduta a quasi $164 ad aprile insieme al mercato più ampio, si sono poi riprese bene, registrando una performance positiva di circa il 42,5 %.

Con ciò, ha un EPS (TTM) di 3,67 e un P/E (TTM) di 64,03. Un rendimento da dividendo dell’1,69 % è anche offerto dalla società ai suoi azionisti.

Per quanto riguarda i dati finanziari, Analog Devices ha registrato un fatturato di $2,64 miliardi per il suo secondo trimestre fiscale del 2025, conclusosi il 3 maggio 2025. Con una crescita a doppia cifra YoY registrata in tutti i mercati finali, l’azienda ha avuto $3,9 miliardi di flusso di cassa operativo e $3,3 miliardi di free cash flow su base trailing twelve‑month.

“ADI ha conseguito fatturato e utili per azione del secondo trimestre superiori al limite superiore delle previsioni”, ha dichiarato il CEO Vincent Roche. “In un contesto di volatilità del commercio globale, la nostra performance riflette la continua ripresa ciclica, e la forza e resilienza del nostro modello di business. Il nostro impegno incrollabile verso l’innovazione e il successo dei clienti consente ad ADI di continuare a estendere la nostra leadership all’Intelligent Edge sempre più guidato dall’AI, offrendo valore eccezionale per gli azionisti sia a breve che a lungo termine.”

La domanda migliorata registrata da Analog Devices lo scorso trimestre, secondo il CFO Richard Puccio, supporta anche le loro prospettive di crescita continua nel prossimo trimestre e rafforza la loro visione “che siamo in una fase di ripresa ciclica”.

Per il terzo trimestre fiscale 2025, prevedono un fatturato di $2,75 miliardi e un margine operativo del 27,2 %. L’EPS dovrebbe aggirarsi intorno a $1,23.

Durante il secondo trimestre, nel frattempo, l’azienda ha restituito $0,7 miliardi agli azionisti tramite dividendi e riacquisti. È stato anche annunciato un dividendo in contanti trimestrale di $0,99 per azione, che sarà pagato il 18 giugno 2025.

Questo dividendo riflette un aumento dell’8 %, annunciato a febbraio di quest’anno, che ha segnato 21 anni consecutivi di aumenti dei dividendi. Allo stesso tempo, hanno ottenuto l’autorizzazione a riacquistare ulteriori $10 miliardi delle proprie azioni ordinarie.

“Il modello di business resiliente di ADI e la sua storia di crescita profittevole consentono di restituire il 100 % del free cash flow agli azionisti nel lungo termine.”

– Roche

Nel frattempo, questo mese, l’azienda ha lanciato un fondo di venture capital corporate (CVC) chiamato ADVentures (ADV) con l’obiettivo di investire in opportunità emergenti che definiranno nuove frontiere nell’innovazione e nell’impatto.

Il focus sarà su idee nascenti che sviluppano soluzioni rivoluzionarie in Salute Umana, Sistemi Avanzati & Robotica, e Clima & Energia, con particolare interesse in aree come AI, architetture di calcolo, nuove modalità di sensing e connettività sicura.

A gennaio di quest’anno, Analog Devices ha anche ottenuto il supporto del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti, che ha firmato quattro contratti non vincolanti, secondo i quali fornirà fino a $105 milioni di finanziamento diretto all’azienda. I contratti fanno parte del CHIPS and Science Act, progettato per potenziare l’industria dei semiconduttori domestica.

Concentrato sull’abilitare l’innovazione all’Intelligent Edge, l’investimento aiuterà a rafforzare la formazione della forza lavoro e le partnership così come a gestire l’impronta ambientale.

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni di Analog Devices (ADI)

Conclusione

Con i dispositivi IoT di prossima generazione che utilizzeranno la tecnologia 5G, i ricevitori devono essere in grado di gestire un ampio intervallo di frequenze con basso consumo energetico e costi contenuti. 

La tecnologia dei ricevitori migliorata può portare a una migliore connettività, una durata della batteria più lunga e prestazioni più affidabili per i dispositivi IoT, consentendo a loro volta una gamma più ampia di applicazioni in settori come case intelligenti, automazione industriale, assistenza sanitaria e monitoraggio ambientale.

Man mano che la domanda di ricevitori a basso consumo energetico e resilienti alle interferenze diventa cruciale, il design compatto e a basso consumo del ricevitore MIT può aiutare i dispositivi intelligenti a ottenere prestazioni migliori e funzionalità aumentata, portando a dispositivi indossabili e IoT più intelligenti, più piccoli e dalla durata più prolungata per un mondo davvero interconnesso!

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