Il percorso verso il 6G potrebbe essere lastricato di grafene

Il futuro della tecnologia delle comunicazioni wireless sta avanzando rapidamente. È stato solo nel 2019 che gli operatori globali hanno iniziato a lanciare il 5G. Mentre il 5G è ancora in fase di implementazione globale, il 6G ha già iniziato a svilupparsi. 

Il 6G è la sesta generazione della tecnologia wireless. La prima generazione, 1G, è comparsa negli anni ’80 e forniva voce analogica. Poi, all’inizio degli anni ’90, è stato introdotto il 2G, portando la voce digitale e migliorando non solo la qualità della voce ma anche la durata della batteria e la sicurezza della rete.

Ciò è stato seguito dal 3G all’inizio degli anni 2000, che ha introdotto i dati mobili e ha aperto nuove possibilità, come le videochiamate e il supporto per i messaggi multimediali. La quarta generazione, 4G, negli anni 2010, ha inaugurato l’era del broadband mobile con latenza ridotta e larghezza di banda ad alta velocità. Nel frattempo, il 5G ha ulteriormente aumentato la velocità e supporta applicazioni come la realtà aumentata (AR) e la guida autonoma.

Quindi, ogni nuova generazione della tecnologia di comunicazione wireless è arrivata con nuove capacità, e lo stesso vale per il 6G.

Continuando con la tendenza all’innovazione e al miglioramento nelle comunicazioni wireless, il 6G ci offrirà una maggiore larghezza di banda e velocità, latenza estremamente bassa e affidabilità. Con questa tecnologia, l’obiettivo è fornire davvero un’intelligenza e una comunicazione wireless ubiquiste.

La nuova tecnologia utilizzerà gli stessi mattoni fondamentali delle reti precedenti, come stazioni base, router, antenne, ecc., ma ciò che la renderà diversa è l’uso di nuove tecnologie per avanzare ulteriormente le capacità di comunicazione wireless.

Ciò significa che il 6G si baserà sul 5G per perfezionare ulteriormente i miglioramenti apportati dalla tecnologia attuale nella connettività di rete per l’utente finale.

Oltre a fornire connettività ad alta velocità con latenza prevedibilmente bassa, ci si prevede che la rete 6G gestirà la domanda di traffico in crescita esponenziale in modo economicamente efficiente. Potrebbe anche finalmente raggiungere una copertura globale completa, offrendo a tutti l’accesso. Tuttavia, supportare un numero così elevato di dispositivi richiederà costi sostenibili sia per i fornitori di servizi sia per i consumatori.

Tuttavia, non è sufficiente. Oltre a questi miglioramenti e alla copertura globale collegando le aree remote, i progressi tecnologici devono anche offrire resistenza agli attacchi malevoli deliberati sull’infrastruttura e resilienza contro disastri naturali e disturbi locali.

Tutti questi progressi nella tecnologia 6G ci aiuteranno nella sanità di precisione, nell’agricoltura intelligente, nelle città intelligenti, nei gemelli digitali, nelle comunicazioni spaziali e nella navigazione robotica. Consentirà inoltre l’elaborazione e l’analisi dei dati in tempo reale al bordo della rete, nonché l’integrazione senza soluzione di continuità di miliardi di dispositivi interconnessi nella vita quotidiana. Si prevede che il dispiegamento del 6G contribuirà anche a innovazioni ecocompatibili per ridurre l’impatto ambientale e promuovere lo sviluppo sostenibile.

Mentre il 6G promette un futuro altamente avanzato, affronta diverse sfide, tra cui costi e sicurezza. Per avere questa tecnologia operativa, avremmo bisogno di una nuova infrastruttura su larga scala, costosa da costruire. Inoltre, la tecnologia open source, le reti virtuali e l’IoT aumenteranno la sua vulnerabilità a violazioni della sicurezza.

Qui, la crittografia quantistica, la blockchain e le capacità predittive dell’IA sono esplorate come possibili soluzioni di sicurezza, mentre la virtualizzazione di molti componenti fisici dovrebbe aiutare a contenere i costi.

Per quanto riguarda la dimensione del mercato globale di questa tecnologia, si prevede che varrà $40,5 miliardi entro il 2032, spinta dalla domanda di iper‑connettività, dai benefici di bassa latenza e alte velocità di dati, dalla promessa di applicazioni di nuova generazione, dall’utilizzo delle frequenze terahertz e dell’IA, e dal potenziale di colmare il divario digitale.

Si prevede che la tecnologia 6G inizi il suo rollout entro la fine di questo decennio. Per ora, è ancora nelle fasi iniziali di ricerca.

Migliorare la comunicazione wireless con materiale quantistico

Con un’attenzione crescente al miglioramento drastico della tecnologia di comunicazione wireless a livello globale, i ricercatori stanno esplorando diversi modi per sbloccare tecnologie più rapide ed efficienti nella comunicazione wireless.

Un team di ricercatori ha ora trovato modi per amplificare la conversione di frequenza delle onde terahertz (THz) in strutture basate sul grafene. 

I sistemi di comunicazione wireless terahertz (THz) hanno guadagnato molta attenzione grazie alla spinta verso larghezze di banda e frequenze sempre più elevate nello spettro THz, soprattutto bande larghe.

Mentre una larghezza di banda in megahertz è sufficiente per le applicazioni attuali, gli scenari di comunicazione di rete futuri richiederanno larghezze di banda di diversi gigahertz (GHz) per funzionare bene. Essendo onde ad alta frequenza con lunghezze d’onda estremamente brevi, le onde THz possono trasmettere dati più rapidamente.

Il terahertz (THz) è un’unità di frequenza che misura le onde elettromagnetiche nell’intervallo 0,1-10 THz. Queste onde, non invasive e sicure per esseri umani, animali e piante, si trovano tra l’infrarosso e le onde millimetriche nello spettro elettromagnetico (EM).

Ciò significa che le onde THz possono essere utilizzate per l’imaging non invasivo attraverso materiali opachi per applicazioni di controllo qualità e sicurezza.

Il suo potenziale di larghezza di banda estremamente ampia consente ulteriormente tassi di dati ultra‑alti e, naturalmente, abilita capacità che vanno oltre il 5G. Tuttavia, questa tecnologia promettente è facilmente assorbita dai componenti atmosferici come l’aria e il vapore acqueo, il che riduce la forza del segnale con la distanza. 

Per quanto riguarda il potenziale delle onde THz per la comunicazione wireless, sono stati fatti progressi nell’ottica non lineare THz. L’ottica non lineare riguarda lo studio dell’interazione della luce con i materiali per creare fenomeni unici, inclusa la generazione di armoniche ottiche.

Man mano che le tecnologie THz continuano a evolversi, i ricercatori dell’Università di Ottawa hanno sviluppato un modo per costruire dispositivi che possono upconvertire i segnali elettromagnetici a frequenze di oscillazione più elevate. Questo può ridurre efficacemente il divario tra l’elettronica GHz e la fotonica THz.

I risultati dell’ultimo studio, pubblicato su Nature¹ hanno mostrato le strategie innovative del team per migliorare le non linearità THz nei dispositivi basati sul grafene.

“[Questo] segna un passo significativo in avanti nel migliorare l’efficienza dei convertitori di frequenza THz, un aspetto critico per le applicazioni THz multispettrali e soprattutto per il futuro dei sistemi di comunicazione, come il 6G.”

Utilizzando il metodo dimostrato nella nuova ricerca, le proprietà ottiche uniche del grafene possono anche essere sfruttate.

Estratto dalla grafite, il grafene è composto da carbonio puro, uno degli elementi più importanti della natura. Questo materiale quantistico emergente è in realtà costituito da un singolo strato di atomi di carbonio ed è noto per la sua resistenza, leggerezza e flessibilità. 

Questo materiale 2D è anche noto per la sua resistenza e l’alta conduttività termica ed elettrica. Ancora più importante, il grafene ha proprietà ottiche notevoli. Queste includono un’alta trasparenza nello spettro visibile, che dipende dalla sua struttura a bande, assorbimento ottico infrarosso regolabile e risposta fotoelettrica fino alla gamma di frequenze THz.

Tutte queste straordinarie proprietà rendono il grafene un materiale prezioso nei settori dell’energia, della costruzione, della salute e dell’elettronica. In particolare, la sua grande non linearità ottica, insieme alla facilità di integrazione nei dispositivi, lo rende un candidato ideale per diventare un componente chiave per lo switching tutto‑ottico e le tecnologie di conversione di frequenza per l’elaborazione del segnale e le applicazioni di comunicazione wireless.

Gli studi che in precedenza hanno combinato luce THz e grafene si sono concentrati principalmente sulle interazioni fondamentali luce‑materia. Valutare solo l’effetto di un singolo parametro produce effetti non lineari piuttosto deboli.

Quindi, la ricerca più recente ha invece combinato più approcci innovativi per migliorare questi effetti non lineari e, allo stesso tempo, sfruttare appieno le proprietà uniche del grafene.

Per potenziare le non linearità THz nelle strutture basate sul grafene, il team ha aumentato la lunghezza di interazione usando un design multistrato, controllato la densità di portatori con un gate elettrico e modulato la distribuzione spaziale del campo THz con un substrato metasuperficie metallico.

Il nuovo esperimento, insieme alle sue architetture di dispositivo, Ali Maleki, dottorando del gruppo Ultrafast THz presso uOttawa, ha osservato, “offre la possibilità di esplorare un’ampia gamma di materiali oltre il grafene e potenzialmente identificare nuovi meccanismi ottici non lineari”. 

Il team ha riportato fattori di miglioramento della generazione di terza armonica (THG) superiori a trenta e ha proposto architetture capaci di ottenere un aumento di due ordini di grandezza.

Maleki, che ha raccolto e analizzato i risultati dello studio, crede che la ricerca sia cruciale per perfezionare le tecniche di conversione di frequenza THz. Lo sviluppo, secondo lui, aiuterà eventualmente a integrare questa tecnologia nelle applicazioni reali, “in particolare per abilitare convertitori di segnale THz non lineari efficienti e integrati su chip che guideranno i futuri sistemi di comunicazione”.

Principali attori nel 6G

La corsa per dominare lo sviluppo del 6G coinvolge tutti, dalla Cina e dagli Stati Uniti alla Corea del Sud, Europa e India, che stanno implementando piani avanzati. 

Le aziende stanno anche collaborando per accelerare il loro sviluppo. Samsung Electronics ha ha collaborato con il più grande operatore mobile del Giappone, NTT Docomo, per “accelerare l’innovazione basata sull’IA nell’industria delle telecomunicazioni”, che realizzerà anche le future comunicazioni come il 6G. SoftBank Corp ha firmato un MoU con Nokia per lo sviluppo di un sistema di comunicazione che sfrutta l’IA per la tecnologia 6G. Nel frattempo, Apple sta espandendo il suo team per approfondire il settore del 6G.

Quindi, mentre tutti sono a bordo del treno 6G, diamo un’occhiata a un paio di grandi aziende quotate in borsa che trarranno grandi benefici da questo avanzamento.

1. Qualcomm Inc. (QCOM )

Questo gigante dei semiconduttori è già coinvolto nella fornitura di modem 5G e continua a investire per mantenere la sua leadership. Qualcomm fornisce regolarmente la sua visione per il 6G e ha lavorato su soluzioni avanzate di semiconduttori e standard wireless per alimentare l’infrastruttura e i dispositivi per lo stesso.

Il mese scorso, l’azienda ha osservato che il 6G è posizionato per affrontare le sfide della disponibilità di spettro ampliata e una maggiore efficienza nel suo utilizzo. Mira anche a sbloccare opportunità nei bande spettrali basse, medie e alte, dove aumenterà copertura e capacità e abiliterà applicazioni ad alte prestazioni come l’IA generativa e la realtà immersiva XR.

L’obiettivo di Qualcomm è guidare le innovazioni che aprono la strada a un nuovo spettro migliorando al contempo l’efficienza operativa delle bande esistenti.

Per prepararsi all’imminente era del 6G, Qualcomm ha lavorato con i regolatori dello spettro, gli operatori mobili, gli OEM e il mondo accademico. In particolare, ha preparato la banda media superiore (intervallo 7 GHz – 16 GHz) per il 6G.

Chiamata ‘Giga-MIMO’, la tecnologia prevede un array di antenne molto più denso nella stazione base e un design più complesso del baseband del dispositivo e della radiofrequenza (RF). Qualcomm ha anche introdotto la sua rete di test 5G mmWave ampliata, che sarà anche un abilitante fondamentale per le comunicazioni integrate e il sensing.

Il 6G si baserà ulteriormente sulla fondazione dell’interfaccia aerea e sulla rete integrata terrestre/non terrestre (TN/NTN), ha detto John Smee, Global Head of Wireless Research di Qualcomm, in un intervista. Per quanto riguarda la transizione dal 5G al 6G, si aspetta che migliori significativamente la connettività wireless abilitando nuovi servizi come IA, sensing e gemelli digitali.

Parlando in particolare di IA, Smee ha osservato che essa è destinata a migliorare non solo il 5G ma anche le prestazioni del sistema 6G, l’efficienza operativa e l’esperienza degli utenti, sbloccando nuovi casi d’uso su larga scala. Il paradigma nativo dell’IA, secondo lui, può portare più innovazione ai dispositivi e alle reti.

Ora, per quanto riguarda i dati finanziari di Qualcomm, le azioni della società con una capitalizzazione di mercato di $190,24 miliardi, al momento della scrittura, sono scambiate a $174. Le azioni della società sono in rialzo del 12,04% YTD. Il suo EPS (TTM) è 8,95 e il rapporto P/E (TTM) è 19,24. Inoltre paga un dividendo con rendimento dell’1,98%.

Per l’ultimo trimestre riportato che si è concluso a settembre 2024, la società ha registrato un fatturato non GAAP di $10,2 miliardi mentre l’utile per azione non GAAP era $2,69, con una crescita anno su anno dell’EPS di oltre il 30%. Qualcomm ha anche pagato $2,2 miliardi in ritorni agli azionisti, includendo $1,3 miliardi in riacquisti di azioni e $947 milioni in dividendi. Il flusso di cassa libero per l’anno fiscale 2024 è stato riportato a $11,2 miliardi.

L’azienda ha anche fatto progressi significativi nella sua strategia di diversificazione, che le ha permesso di produrre chip per PC, auto e macchine.

“Continueremo a trasformare Qualcomm da un’azienda di comunicazioni wireless a un’azienda di computing connesso per l’era dell’IA.”

– CEO Cristiano Amon al momento

2. Verizon Communications (VZ )

Nel 2020, il CTO di questo fornitore di telecomunicazioni ha detto che “non sa cosa diavolo sia il 6G”, e il loro focus rimane sul miglioramento del 5G. Tuttavia, l’azienda si è unita in modo significativo ad altri leader dell’industria wireless per formare la Next G Alliance.

Verizon, insieme a Qualcomm, Samsung, AT&T, Apple, Google, Ericsson, Microsoft, Nokia, Facebook, Bell Canada, Ciena, InterDigital, JMA Wireless, TELUS, Telnyx, T‑Mobile e US Cellular, si è unita per formare l’Alliance. L’Alliance mira a sviluppare una roadmap nazionale per il 6G, allineare le priorità degli stakeholder per le politiche governative e i finanziamenti, e identificare strategie per accelerare l’adozione della tecnologia 6G nei vari settori.

Per quanto riguarda i dati finanziari di Verizon, le azioni della società con una capitalizzazione di mercato di $166,45 miliardi, al momento della scrittura, sono scambiate a $40,10. Le azioni della società sono in calo dell’1,13% YTD. Il suo EPS (TTM) è 4,15 e il rapporto P/E (TTM) è 9,54. Verizon paga un dividendo con rendimento fino al 6,85%.

Per il Q4 2024, Verizon ha riportato quello che chiama “ricavi di servizi wireless leader di settore” a $20 miliardi. Il suo fatturato operativo totale è stato $35,7 miliardi, e l’utile netto consolidato è stato $5,1 miliardi. Il debito non garantito totale dell’azienda era $117,9 miliardi.

Il Q4 è stato in realtà il miglior trimestre per Verizon in cinque anni in termini di crescita degli abbonati wireless, spinto da myPlan personalizzabile e offerte del Black Friday. L’azienda ha anche aggiunto quasi 1 milione di abbonati postpagati mobile e broadband, il miglior risultato trimestrale in oltre un decennio. I suoi abbonati fixed wireless, nel frattempo, erano quasi 4,6 milioni. L’azienda ha inoltre lanciato Verizon AI Connect, che sfrutta il boom dell’IA consentendo alle imprese di gestire i loro carichi di lavoro IA su larga scala.

Conclusione

Dopo aver concentrato l’attenzione sulla comunicazione uomo‑uomo nelle generazioni precedenti di tecnologia e poi aver creato un cambiamento fondamentale nel consumo di dati, ora il focus è connettere l’IoT e i sistemi di automazione. Ma con il 6G, i mondi umano e digitale si fonderanno senza soluzione di continuità per esperienze migliorate.

I progressi tecnologici, la crescente digitalizzazione, i casi d’uso avanzati e la fornitura di prestazioni estreme spingeranno il mercato del 6G in avanti. Con le sue velocità ultra‑rapide, bassa latenza e connettività globale, la tecnologia 6G alimenterà il nuovo futuro attraverso auto a guida autonoma, città intelligenti e realtà virtuale. 

Si prevede che questa nuova generazione di tecnologia wireless modellerà l’economia e la società una volta lanciata all’inizio degli anni 2030. Tuttavia, ci sono ostacoli in termini di alto costo iniziale, disponibilità limitata di spettro e sfide di standardizzazione che devono essere prima superati.

La ricerca, come quella discussa qui, svolge un ruolo cruciale nel rendere questa tecnologia una realtà. Dimostra il valore del grafene per abilitare la comunicazione a frequenza terahertz (THz), fondamentale per le future capacità del 6G. Quindi, con la ricerca in corso, i governi che introducono iniziative e le aziende che collaborano, abbiamo già iniziato a fare progressi verso la sesta generazione di tecnologia wireless che promette un futuro più connesso e innovativo!

Pulire il grafene è fondamentale per la sua commercializzazione.

Riferimento allo studio:

^{1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Strategie per migliorare la generazione di armoniche THz combinando architetture multistrato, con gate e basate su metamateriali. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}