コンピューティング
ウェアラブルとIoTデバイスを強化する新しい5G受信チップ
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MITの研究者は、より小型の5Gスマートデバイス向けに、コンパクトで低消費電力の受信チップを設計し、これらをより効率的かつ機能的にすることを約束しています。
この受信機は干渉に対して高い耐性を示します。この新しいチップは、既存のいくつかのワイヤレス受信機に比べて調和干渉に対して最大で30倍の耐性があります。
さらに、このチップはバッテリー寿命を延ばすことでデバイスの稼働時間を長くすることができます。これにより、スマートサーモスタットや環境センサーなどのバッテリー駆動型IoT（モノのインターネット）デバイス、スマートカメラ、産業用モニタリングセンサー、長時間稼働が求められるウェアラブルに最適です。
受信機の革新的な設計と受動的フィルタリング機構により、デバイスは静的電力として1ミリワット（1/1000ワット）未満の電力しか消費しません。エネルギーを節約するだけでなく、受信増幅器の入力と出力を不要な信号から保護することでデバイスのジャミングも防止します。
研究者が採用したもう一つの新しいアプローチは、事前に充電されたスタック型コンデンサの新しい配置です。これらのコンデンサは、従来のIoT受信機で使用されるものよりもはるかに少ない電力でオン・オフできる小型スイッチのネットワークで接続されています。
受信機の増幅器とコンデンサネットワークは、増幅における現象を利用して、通常よりもはるかに小さなコンデンサで済むように慎重に配置されています。
このことは、ウェアラブルやセンサーなどのスマートデバイスが、サイズを小さくしながらバッテリー寿命を延ばすことができると、論文の第一著者でMITの電気工学・コンピュータサイエンス（EECS）大学院生であるSoroush Araeiは述べています。
さらに、これらのデバイスはスマートシティネットワークや工場フロアなどの混雑した無線環境でも信頼性が向上します。全体として、「この受信機はIoTガジェットの機能拡張に貢献できる」とAraeiは語っています。
新しい受信機設計に関する論文は「A Harmonic-Suppressing Gain-Boosted N-Path Receiver with Clock Bootstrapping for IoT Applications」というタイトルで、最近IEEEラジオ周波数集積回路シンポジウムで発表されました。
受信機の再考
IoTデバイスにおいて、受信機はデバイスとその環境との仲介役を果たします。
このコンポーネントの役割は、他のデバイスやセンサーから送信された無線信号を検出・増幅し、ノイズや干渉を除去した上で、デジタルデータに変換して処理できるようにすることです。したがって、受信機はIoTデバイスの接続性とバッテリー寿命に大きな影響を与えます。
受信機を設計する際の重要な焦点は、低消費電力とコンパクトさです。さまざまなバッテリー駆動型IoTデバイスに収まるほど小型で軽量である必要があります。広範な採用のためのコスト効率に加えて、受信機はさまざまな通信規格やプロトコルに対応し、混雑した環境で不要な信号を除去できる高い選択性を持つ必要があります。
通常、IoT受信機は固定周波数で動作し、シンプルで低コストな単一狭帯域フィルタを使用してノイズを抑制します。効果的ではありますが、進化し続ける技術革新には十分に対応できません。
第5世代（5G）セルラーネットワーク技術の登場により、前世代に比べて高速化、低遅延、容量増大が実現しました。
5Gは、エネルギー効率が高く手頃な価格の低機能デバイスを可能にし、革新的なIoTアプリケーションへの道を開きます。つまり、次世代のIoTデバイスは、広い周波数帯で動作でき、かつ経済的かつエネルギー効率の高い受信機を必要とし、これは「極めて困難」な課題です。
Araeiは次のように説明しています:
「現在、受信機の電力とコストだけでなく、環境に存在する多数の干渉源に対応できる柔軟性も考慮しなければなりません。」
これは、広い周波数帯で動作するデバイスに通常使用される大型のオフチップフィルタに依存できないことを意味し、IoTデバイスのコスト、サイズ、消費電力を削減することが求められます。
オンチップのコンデンサネットワークが不要な信号をフィルタリングするソリューションを提供しますが、これらは「調和干渉」と呼ばれる特殊なノイズに対して脆弱であり、チームは数年前にこの課題に取り組みました。
2023年に発表された前回の論文で、MITの研究者は新しい受信チップの基礎を築きました。
当時、彼らは受信チェーンの早い段階で不要な調和信号に対処するためにスイッチ・コンデンサネットワークを構築しました。ノイズは増幅されデジタルビットに変換される前に除去されました。
信号干渉がデバイス性能を低下させバッテリーを消耗させる中、広範な5Gネットワークの普及や将来の無線通信システムの開発に伴い、不要な信号を効率的にブロックできるデバイス設計が特に重要であり、さらに困難さが増しています。
大型で高価なフィルタを不要にし、幅広い信号をブロックできる回路アーキテクチャを研究者は開発しました。
「私たちは5Gや将来の無線通信システムの要求を満たす電子回路とシステムの開発に取り組んでいます。」
– シニア著者 Negar Reiskarimian、当時EECSのX-Window Consortiumキャリア開発助教授
この受信機は高出力干渉をブロックしつつ、信号処理に余計なノイズを持ち込むことはありませんでした。チップは従来の広帯域受信機に比べて調和干渉のブロック性能が約40倍向上し、追加のハードウェアや回路を必要とせず、スケール製造が容易になっています。
Reiskarimian（同社のマイクロシステム技術ラボラトリーの主要メンバー）によれば:
「回路設計においては、デジタル信号処理や応用電磁気学など他分野からインスピレーションを得ています。回路のエレガンスとシンプルさを重視し、追加の電力やチップ面積を必要としない多機能ハードウェアの実現を目指しています。」
チップのエンジニアリングエレガンス
MITの研究者はミキサー・ファーストアーキテクチャを用いて受信チップを開発しました。ここでは、デバイスが受信したラジオ周波数（RF）信号が低周波数信号に変換され、コンバータへ渡されます。
この方式により、広い周波数帯域をカバーしつつ、動作周波数近傍のノイズを除去できます。ただし、ミキサー・ファースト受信機は調和干渉に弱いという課題があります。
調和干渉は、デバイスの動作周波数より高い周波数の信号から生じます。変換タイミングになると、元の信号と区別しにくくなります。
「多くの広帯域受信機は、ビットの意味を確認するまで調和成分に対処しません。チェーンの後半で処理しますが、高出力の調和周波数信号がある場合はうまく機能しません。したがって、情報損失を防ぐためにできるだけ早く調和成分を除去したいのです。」
– Araei
そこでチームは、デジタルフィルタリングをアナログ領域に適用するためにコンデンサを利用しました。
信号が受信されるとコンデンサが充電され、後でデータ処理のためにその電荷を保持できるようにスイッチオフされます。
これらのコンデンサはさまざまな接続方法があります。並列接続はコンデンサ間で電荷を交換でき、調和干渉に対処できますが、信号損失が発生します。もう一つの選択肢はスタック型コンデンサですが、単独では調和干渉に対する耐性は十分ではありません。
解決策は、コンデンサを極めて精密に配置することで、情報損失なく調和干渉をブロックできるようにしたことです。
電荷共有とコンデンサスタックを同時に使用する手法はこれまで行われていませんでしたが、チームは同時に行うことで有益であることを発見しました。Araeiは「ミキサー内部で追加ハードウェアを使用せず、受動的に実現しながら信号の完全性を保ち、コストを抑える方法を見つけた」と述べています。
デバイスのテストでは、目的信号と調和干渉を同時に送信し、チップは調和信号を効果的にブロックし、信号強度のわずかな低下のみを示しました。
このチップは、従来の高度な広帯域受信機の40倍以上の強力な信号にも対応できました。
6Gへの道がグラフェンで舗装される可能性についてはこちらをご覧ください。
スケーラブルでエネルギーハーベスティング可能な5Gデバイスへ向けて
今月の最新研究で、MITの研究者はアプローチを拡張しました。 具体的には、スイッチ・コンデンサネットワークを負のゲインを持つ増幅器のフィードバック経路として使用しました。この構成はミラー効果を活用しています。
ジョン・ミルトン・ミラーにちなんで名付けられたミラー効果は、増幅器の入力と出力間の容量（電荷を蓄える能力）が、入力側でより大きな容量として現れる現象です。
この効果により、小さなコンデンサがはるかに大きなコンデンサのように機能します。
「このトリックにより、物理的に大きな部品を使用せずに狭帯域IoTのフィルタ要件を満たすことができ、回路サイズが劇的に縮小します。」
– Araei
研究者が設計した受信機の有効面積は0.05平方ミリメートル未満です。 彼らが克服しなければならなかった課題の一つは、スイッチを駆動するのに十分な電圧を供給しつつ、チップ全体の電源電圧を0.6ボルトという低電圧に抑えることでした。
しかし、スイッチングに必要な電圧が低すぎると、干渉信号が存在する際に小型スイッチが誤作動する可能性があります。このため、研究者は特別な回路手法を採用しました。
ブートストラップクロッキングと呼ばれる手法は、制御電圧を十分に高め、スイッチが正確に動作するようにしつつ、従来のクロックブースト技術よりも少ない電力と部品で実現します。
これらすべてのイノベーションにより、新しい受信機は1ミリワット未満の電力で動作し、従来のIoT受信機に比べてはるかに多くの調和干渉をブロックできます。Araeiによれば:
「私たちのチップは非常に静かです。スイッチが極小であるため、アンテナから漏れ出す信号も極めて少なくなります。」
プロトタイプ受信機（RX）は22nmフルデプレーテッドシリコンオンインシュレーター（FD-SOI）技術で実装され、面積は0.048 mm²、消費電力は1.27〜5.48 mWの範囲です。受信機は0.25〜3 GHzの周波数帯で動作し、3次/5次調和におけるブロッカー1‑dB圧縮点（B1dB）はそれぞれ‑3/‑2 dBmです。ローカルオシレータ（LO）リークは全周波数帯で‑73 dBmという、最先端設計を上回る性能を示しています。
従来のデバイスよりも小型で、事前充電コンデンサとスイッチを使用するため、製造コストを削減できる可能性があります。
さらに、受信機は広範な信号周波数をカバーできる設計であるため、既存および将来のさまざまなIoTデバイスに実装可能です。
米国国立科学財団（NSF）の支援を受けて、研究者はプロトタイプを開発し、現在は専用電源なしで受信機を動作させることを目指しています。チップへの電力供給は、環境中のBluetoothやWi‑Fi信号を利用する方向で検討中です。
アナログ・ミックスドシグナル集積回路市場への投資
このセクターへの投資で注目すべき企業の一つはAnalog Devices (ADI ) です。アナログ・ミックスドシグナル半導体の大手であるADIは、データコンバータ、増幅器、ラジオ周波数（RF）IC、エッジプロセッサ、電源管理、その他のセンサーを開発しています。また、ワイヤレスデバイス向けのエネルギー効率の高いアーキテクチャにも投資しています。
Analog Devices
ADI株の市場パフォーマンスを見ると、現在は1株あたり$234.68で取引され、年初来で10.46%上昇しています。同社株は10年以上にわたり上昇トレンドを維持しており、今年初めにはほぼ$244という史上最高値に達しました。4月に市場全体と同様に約$164まで下落したものの、その後は回復し、約42.5%のプラスパフォーマンスを記録しています。
EPS（TTM）は3.67、P/E（TTM）は64.03です。配当利回りは1.69%で、株主に提供されています。
財務面では、Analog Devicesは2025会計年度第2四半期（2025年5月3日終了）に売上高$2.64 billionを報告しました。全エンドマーケットで二桁の前年比成長を記録し、営業キャッシュフローは$3.9 billion、フリーキャッシュフローは$3.3 billion（過去12か月ベース）でした。
「ADIは第2四半期の売上と1株当たり利益がガイダンス上限を上回りました」とCEO Vincent Rocheは述べています。「世界的な貿易変動の中で、当社の業績はサイクル回復とビジネスモデルの強さと回復力を反映しています。当社はイノベーションと顧客成功への揺るぎないコミットメントにより、AI駆動のインテリジェントエッジでのリーダーシップを拡大し、短期・長期の両方で株主に卓越した価値を提供し続けます。」
CFO Richard Puccioによれば、過去四半期の需要増加は次四半期の継続的成長見通しを支え、「サイクル上向き局面にある」との見解を強化しています。
2025会計年度第3四半期の売上は$2.75 billion、営業利益率は27.2%と予測され、EPSは約$1.23と見込まれています。
ADI 価格チャート
第2四半期には、同社は配当と自社株買いで株主に$0.7 billionを還元しました。また、1株あたり$0.99の四半期配当も発表され、2025年6月18日に支払われます。
この配当は8%増加したもので、今年2月に発表され、21年連続で配当が増加しています。同時に、同社は追加で$10 billionの普通株式買い戻し権限を取得しました。
「ADIの回復力のあるビジネスモデルと利益成長の実績により、長期にわたりフリーキャッシュフローの100%を株主に還元できる。」
– Roche
今月、同社は企業ベンチャーキャピタル（CVC）ファンド「ADVentures（ADV）」を立ち上げ、イノベーションとインパクトの新たなフロンティアを定義する機会への投資を目指しています。
重点は、ヒューマンヘルス、先進システム＆ロボティクス、気候＆エネルギーの分野で、AI、コンピューティングアーキテクチャ、新しいセンシングモダリティ、セキュアな接続性などに特に関心があります。
今年1月、Analog Devicesは米国商務省から支援を受け、CHIPS and Science Actの一環として、同社に最大$105 millionの直接資金提供を行う4つの非拘束契約を締結しました。
インテリジェントエッジでのイノベーションを可能にすることに焦点を当て、今回の投資は人材育成とパートナーシップの強化、環境フットプリントの管理に役立ちます。
Latest Analog Devices (ADI) Stock News and Developments
結論
次世代のIoTデバイスが5G技術を活用するにあたり、受信機は広い周波数帯を低消費電力・低コストで処理できる能力が求められます。
ここで紹介した受信機技術の向上は、接続性の向上、バッテリー寿命の延長、IoTデバイスの信頼性向上につながり、スマートホーム、産業オートメーション、ヘルスケア、環境モニタリングなどの幅広い応用を可能にします。
エネルギー効率が高く干渉に強い受信機技術への需要が高まる中、MITのコンパクトで低消費電力な受信機設計は、スマートデバイスの性能と機能性を向上させ、よりスマートで小型、かつ長寿命のウェアラブルとIoTデバイスを実現し、真に相互接続された世界を実現します！
