컴퓨팅
새로운 5G 수신기 칩, 웨어러블 및 IoT 디바이스를 강화하다
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MIT 연구원들은 더 작고 저전력의 5G 스마트 디바이스용 컴팩트한 수신기 칩을 설계했으며,이를 통해 디바이스를 보다 효율적이고 기능적으로 만들겠다고 약속합니다.
이 수신기는 간섭에 대한 뛰어난 내성을 보여줍니다. 이 새로운 칩은 기존 무선 수신기보다 고조파 간섭에 대해 최대 30배 더 높은 내성을 가지고 있습니다.
또한, 이 칩은 배터리 수명을 늘려 디바이스의 지속 시간을 연장시킬 수 있습니다. 이로 인해 새로운 수신기는 스마트 온도조절기 및 환경 센서와 같은 배터리 구동 사물인터넷(IoT) 디바이스는 물론, 스마트 카메라, 산업 모니터링 센서, 장시간 작동이 요구되는 웨어러블에 이상적입니다.
수신기의 핵심 혁신 설계와 수동 필터링 메커니즘 덕분에 디바이스는 정적 전력으로 1밀리와트(와트의 천분의 일) 미만을 소비할 수 있습니다. 이는 에너지를 절약할 뿐만 아니라, 수신기 증폭기의 입력과 출력을 원치 않는 신호로부터 보호하여 디바이스의 방해를 방지합니다.
연구원들이 시도한 또 다른 새로운 접근법은 사전 충전된 적층 커패시터의 새로운 배열을 사용하는 것입니다. 이러한 커패시터는 또한 작은 스위치 네트워크로 연결되어 있어, 기존 IoT 수신기에 사용되는 스위치보다 켜고 끄는 데 훨씬 적은 전력을 필요로 합니다.
수신기의 증폭기와 커패시터 네트워크는 증폭 현상을 활용하도록 정밀하게 배치되어, 일반적으로 필요로 하는 것보다 훨씬 작은 커패시터를 사용할 수 있게 합니다.
MIT 전기공학 및 컴퓨터과학(EECS) 대학원생이자 논문의 주 저자인 소루시 아라에이(Soroush Araei)는 이로 인해 웨어러블 및 센서와 같은 스마트 디바이스를 더 작게 만들면서도 배터리 수명을 연장할 수 있다고 밝혔습니다.
또한 이러한 디바이스는 스마트 시티 네트워크나 공장 현장과 같이 무선 혼잡이 심한 환경에서도 더 신뢰성을 가질 것입니다. 전반적으로 아라에이는 “이 수신기가 IoT 기기의 기능을 확장하는 데 도움이 될 수 있다”고 말했습니다.
새로운 수신기 설계에 관한 논문, “A Harmonic-Suppressing Gain-Boosted N-Path Receiver with Clock Bootstrapping for IoT Applications”는 최근 IEEE 라디오 주파수 집적 회로 심포지엄에서 발표되었습니다.
수신기 재고하기
IoT 디바이스에서 수신기는 디바이스와 주변 환경 사이의 중개자 역할을 합니다.
이 구성 요소의 임무는 다른 디바이스나 센서가 전송하는 무선 신호를 감지하고 증폭하며, 잡음과 간섭을 필터링한 뒤, 그 신호를 디지털 데이터로 변환하여 처리하는 것입니다. 따라서 수신기는 IoT 디바이스의 연결성 및 배터리 수명에 큰 영향을 미칩니다.
수신기를 설계할 때 주요 초점은 저전력 동작과 소형화입니다. 배터리 구동 IoT 디바이스에 맞게 작고 가벼워야 하며, 비용 효율성을 통해 광범위한 채택을 촉진하고, 다양한 통신 표준 및 프로토콜과 호환되며, 혼잡한 환경에서 원치 않는 신호를 필터링할 수 있는 높은 선택성을 가져야 합니다.
일반적으로 IoT 수신기는 고정 주파수에서 동작하고, 간단하고 저렴한 단일 좁은 대역 필터를 사용해 잡음을 억제합니다. 이러한 방식은 효과적이지만, 지속적인 기술 발전과는 잘 맞지 않습니다.
5세대(5G) 이동통신 기술이 도입되면서, 우리는 이전 세대에 비해 더 빠른 속도, 낮은 지연시간, 그리고 높은 용량을 얻고 있습니다.
5G는 에너지 효율이 높고 비용이 저렴한 디바이스를 가능하게 함으로써 혁신적인 IoT 애플리케이션의 문을 열고 있습니다. 이는 차세대 IoT 디바이스가 넓은 주파수 범위에서 동작하면서도 경제적이고 에너지 효율적이어야 함을 의미하며, 이는 “극도로 어려운” 과제입니다.
아라에이가 설명했듯이:
“이제 우리는 수신기의 전력과 비용뿐만 아니라, 환경에 존재하는 다양한 간섭원을 다룰 수 있는 유연성도 고려해야 합니다.”
이는 엔지니어들이 넓은 주파수 범위에서 동작하는 디바이스에 일반적으로 사용되는 부피가 큰 외부 필터에 의존할 수 없게 만든다는 뜻입니다. 이를 통해 IoT 디바이스의 비용, 크기, 전력 소비를 낮출 수 있습니다.
온-커패시터 네트워크가 원치 않는 신호를 필터링하는 솔루션을 제공하지만, 이들은 고조파 간섭이라는 특수한 잡음에 취약합니다. 팀은 몇 년 전 이 문제를 해결했습니다.
2023년에 발표된 이전 논문에서 MIT 연구원들은 새로운 수신기 칩의 기반을 마련했습니다.
당시 그들은 스위치-커패시터 네트워크를 구축하여 수신기 체인의 초기 단계에서 원치 않는 고조파 신호를 차단했습니다. 잡음은 증폭되고 디지털 비트로 변환되기 전에 필터링되었습니다.
신호 간섭이 디바이스 성능을 저하시켜 배터리를 소모함에 따라, 원치 않는 신호를 효율적으로 차단할 수 있는 설계가 필요합니다. 이는 특히 5G 네트워크와 향후 무선 통신 시스템이 널리 채택됨에 따라 더욱 어려워지고 있습니다.
부피가 크고 비용이 많이 드는 필터가 필요 없도록 하기 위해, 연구팀은 입력 단계에서 잡음을 차단하면서 성능에 영향을 주지 않는 회로 아키텍처를 개발했습니다.
“우리는 5G 및 차세대 무선 통신 시스템의 요구를 충족하는 전자 회로와 시스템을 개발하는 데 관심이 있습니다.”
– 당시 EECS의 X-Window Consortium 경력 개발 조교수인 선임 저자 네가르 레이스카리미안(Negar Reiskarimian)
수신기는 고전력 간섭도 차단했으며, 신호 처리에 추가 잡음을 유입시키지 않았습니다. 이 칩은 많은 광대역 수신기보다 약 40배 뛰어난 고조파 간섭 차단 성능을 보였으며, 추가 하드웨어나 회로 없이도 대량 생산이 용이합니다.
마이크로시스템 기술 연구소의 핵심 교수이기도 한 레이스카리미안에 따르면:
“우리 회로를 설계할 때 디지털 신호 처리와 응용 전자기학 등 다른 분야에서 영감을 얻습니다. 우리는 회로의 우아함과 단순성을 믿으며, 추가 전력이나 칩 면적을 필요로 하지 않는 다기능 하드웨어를 만들고자 합니다.”
칩의 엔지니어링 우아함
MIT 연구원들은 믹서-우선 아키텍처를 사용해 수신기 칩을 개발했습니다. 여기서 무선 주파수(RF) 신호는 디바이스가 수신한 후 낮은 주파수 신호로 변환되어 변환기로 전달됩니다.
이것은 작동 주파수에 가까운 잡음을 필터링하면서 넓은 주파수 범위를 커버할 수 있게 합니다. 그러나 믹서-우선 수신기는 고조파 간섭에 취약합니다.
고조파 간섭은 디바이스의 작동 주파수보다 높은 주파수의 신호에서 발생합니다. 변환 시점에 이러한 주파수는 원래 신호와 구분하기 어려울 수 있습니다.
“많은 다른 광대역 수신기들은 비트를 해석할 때까지 고조파에 대해 아무 조치를 취하지 않습니다. 체인 후반에서 처리하지만, 고조파 주파수에 고전력 신호가 있으면 효과가 좋지 않습니다. 따라서 우리는 정보를 잃지 않도록 가능한 빨리 고조파를 제거하고자 합니다.”
– 아라에이
그래서 팀은 블록 디지털 필터링을 아날로그 영역으로 옮겨 커패시터를 이용했습니다.
신호가 수신될 때 커패시터가 충전되고, 이후 스위치를 끄어 그 전하를 보관하여 나중에 데이터 처리를 수행합니다.
이 커패시터들은 다양한 방식으로 연결될 수 있습니다. 병렬 연결은 커패시터 간에 저장된 전하를 교환하도록 하며, 고조파 간섭을 완화할 수 있지만 신호 손실을 초래합니다. 또 다른 옵션은 커패시터를 적층하는 것이지만, 단독으로는 고조파 간섭에 대한 내성을 충분히 제공하지 못합니다.
해결책은 커패시터를 매우 정밀하게 배열하는 것이었으며, 이를 통해 디바이스는 고조파 간섭을 차단하면서도 정보 손실이 없었습니다.
전하 공유와 커패시터 적층을 동시에 사용하는 것은 이전에 시도되지 않았지만, 팀은 이를 동시에 수행할 때 유익함을 발견했습니다. 아라에이가 언급했듯이, 그들은 “믹서 내부에서 추가 하드웨어 없이도 수동적으로 이를 구현하면서 신호 무결성을 유지하고 비용을 낮추는 방법을 찾아냈다”고 말했습니다.
디바이스를 테스트할 때, 원하는 신호와 고조파 간섭을 동시에 전송했으며, 연구팀은 칩이 고조파 신호를 차단하는 데 효과적이며 신호 강도 감소는 미미하다는 것을 확인했습니다.
이 칩은 기존 고급 광대역 수신기보다 40배 더 강력한 신호를 처리할 수 있었습니다.
클릭하면 6G 경로가 그래핀으로 포장될 수 있는 방법을 알아볼 수 있습니다.
확장 가능하고 에너지 수확이 가능한 5G 디바이스를 향하여
이번 달 최신 연구에서 MIT 연구원들은 접근 방식을 확장했습니다.그들은 스위치-커패시터 네트워크를 부정 이득을 가진 증폭기의 피드백 경로로 사용했습니다. 이 특정 구성은 밀러 효과를 활용합니다.
1920년에 처음 기술한 존 밀턴 밀러의 이름을 딴 밀러 효과는 증폭기의 입력과 출력 사이에 존재하는 커패시턴스(전하를 저장하는 능력)가 입력에서 더 큰 커패시턴스로 보이게 만드는 현상을 설명합니다.
이 효과 덕분에 작은 커패시터가 훨씬 큰 커패시터처럼 동작할 수 있습니다.
“이 트릭을 통해 물리적으로 큰 부품 없이도 좁은 대역 IoT의 필터링 요구를 충족시킬 수 있어 회로 크기를 크게 줄일 수 있습니다.”
– 아라에이
연구원들이 설계한 수신기의 활성 면적은 0.05 제곱밀리미터 미만입니다.그들은 스위치를 구동하기에 충분한 전압을 적용하면서도 전체 전원 공급을 0.6볼트로 낮게 유지하는 과제를 해결해야 했습니다.
하지만 스위칭에 필요한 전압이 너무 낮으면, 간섭 신호가 존재할 때 이러한 초소형 스위치가 오류로 켜지고 꺼질 수 있습니다. 이를 위해 연구팀은 특수 회로 방식을 활용했습니다.
부트스트랩 클럭킹이라고 불리는 이 방법은 제어 전압을 충분히 높여 스위치가 정확히 동작하도록 하면서도 기존 클럭 부스팅 기법보다 적은 전력과 부품을 사용합니다.
이 모든 혁신을 결합하면 새로운 수신기는 1밀리와트(mW) 미만의 전력으로 동작하면서 기존 IoT 수신기보다 훨씬 더 많은 고조파 간섭을 차단할 수 있습니다. 아라에이에 따르면:
“우리 칩은 전파 오염이 거의 없을 정도로 조용합니다. 이는 스위치가 매우 작아 안테나에서 누출될 수 있는 신호량도 매우 적기 때문입니다.”
프로토타입 수신기(RX)는 22nm 완전 고갈 실리콘 온 인슐레이터(FD-SOI) 기술로 구현되어 0.048 mm²를 차지하며 전력 소비는 1.27~5.48 mW 범위입니다. 수신기는 0.25~3 GHz 주파수 범위에서 동작하고, 3차 및 5차 고조파에서 각각 -3/-2 dBm의 차단 1-dB 압축점(B1dB)을 달성합니다. 안테나 포트에서의 로컬 오실레이터(LO) 누설도 전체 주파수 범위에서 최악의 경우 -73 dBm으로, 최신 설계 대비 우수한 성능을 보입니다.
전통적인 디바이스보다 크기가 작고, 복잡한 전자 회로 대신 사전 충전된 커패시터와 스위치를 사용하기 때문에, 이 수신기는 제조 비용을 절감할 수 있습니다.
또한, 수신기 설계가 다양한 신호 주파수를 포괄할 수 있기 때문에 기존 및 미래의 다양한 IoT 디바이스에 적용할 수 있습니다.
국립 과학 재단(NSF)의 지원을 받아 연구팀은 프로토타입을 개발했으며, 이제 전용 전원 없이도 수신기가 동작하도록 하는 것을 목표로 하고 있습니다. 칩에 전력을 공급하기 위해 환경에서 발생하는 블루투스 또는 Wi-Fi 신호를 활용할 수 있습니다.
아날로그 및 혼합신호 집적 회로 시장에 대한 투자
투자 관점에서 가장 주목할 만한 기업 중 하나는 Analog Devices (ADI ) 입니다. 아날로그 및 혼합신호 반도체 분야의 주요 기업인 ADI는 데이터 변환기, 증폭기, 무선 주파수(RF) IC, 엣지 프로세서, 전력 관리 및 기타 센서를 개발합니다. 또한 무선 디바이스를 위한 에너지 효율적인 아키텍처에도 투자하고 있습니다.
Analog Devices
ADI 주식의 시장 성과를 살펴보면, 현재 주가는 $234.68이며 연초 대비 10.46% 상승했습니다. 이 회사 주식은 10년 이상 긍정적인 시장 추세를 유지해 왔으며, 올해 초 거의 $244에 사상 최고치를 기록했습니다. 4월에 전체 시장과 함께 거의 $164까지 급락했지만 이후 회복하여 약 42.5%의 긍정적인 실적을 보였습니다.
이에 따라 EPS(TTM)는 3.67, P/E(TTM)는 64.03이며, 주주에게 1.69%의 배당 수익률을 제공하고 있습니다.
회사 재무 상황에 대해, Analog Devices는 2025 회계연도 2분기(2025년 5월 3일 종료) 매출이 26억 4천만 달러라고 보고했습니다. 모든 최종 시장에서 두 자릿수 연간 성장률을 기록했으며, 영업 현금 흐름은 39억 달러, 자유 현금 흐름은 33억 달러(지난 12개월 기준)였습니다.
“ADI는 2분기 매출과 주당순이익이 가이던스 상한을 초과했다”고 CEO 빈센트 로체(Vincent Roche)가 말했습니다. “글로벌 무역 변동성 속에서도 우리의 실적은 순환 회복과 비즈니스 모델의 강점 및 회복력을 반영합니다. 혁신과 고객 성공에 대한 변함없는 헌신은 AI 중심의 인텔리전트 엣지에서 우리의 리더십을 지속적으로 확장하고, 단기 및 장기 주주 가치를 제공하는 데 기여합니다.”
CFO 리처드 푸치오(Richard Puccio)에 따르면, 이번 분기에 기록된 수요 증가가 다음 분기의 지속적인 성장 전망을 뒷받침하며, “우리는 순환 상승 국면에 있다”는 견해를 강화합니다.
2025 회계연도 3분기에 매출은 27억 달러, 영업 마진은 27.2%를 예상하고 있습니다. EPS는 약 $1.23로 예상됩니다.
ADI 가격 차트
2분기 동안 회사는 배당 및 자사주 매입을 통해 주주에게 70억 달러를 반환했습니다. 또한 주당 $0.99의 현금 배당을 발표했으며, 이는 2025년 6월 18일에 지급될 예정입니다.
이 배당은 올해 2월에 발표된 8% 인상으로, 21년 연속 배당 증가를 의미합니다. 동시에 추가로 100억 달러 규모의 자사주 매입 권한을 부여받았습니다.
“ADI의 회복력 있는 비즈니스 모델과 수익성 있는 성장 실적은 장기적으로 자유 현금 흐름의 100%를 주주에게 반환할 수 있게 합니다.”
– 로체
한편, 이번 달에 회사는 ADVentures(ADV)라는 기업 벤처 캐피털(CVC) 펀드를 출시했으며, 이는 혁신과 영향을 정의하는 새로운 프론티어에 투자하기 위한 것입니다.
초기 단계의 아이디어에 초점을 맞추어 인간 건강, 첨단 시스템 및 로보틱스, 기후 및 에너지 분야에서 혁신적인 솔루션을 개발하는 데 중점을 둘 것이며, AI, 컴퓨팅 아키텍처, 새로운 센싱 방식, 보안 연결과 같은 분야에 특히 관심을 가집니다.
올해 1월, Analog Devices는 미국 상무부로부터 지원을 받아 네 건의 비구속 계약을 체결했으며, 이를 통해 회사에 최대 1억 5천만 달러의 직접 자금을 제공받게 됩니다. 이 계약은 반도체 산업을 강화하기 위한 CHIPS 및 과학법의 일환입니다.
인텔리전트 엣지에서 혁신을 촉진하는 데 초점을 맞춘 이번 투자는 인력 교육 및 파트너십 강화와 환경 발자국 관리에 도움이 될 것입니다.
최신 Analog Devices (ADI) 주식 뉴스 및 개발
결론
차세대 IoT 디바이스가 5G 기술을 활용하려면, 수신기는 넓은 주파수 범위를 낮은 전력 소비와 비용으로 처리할 수 있어야 합니다.
여기서 향상된 수신기 기술은 더 나은 연결성, 더 긴 배터리 수명 및 더 신뢰할 수 있는 IoT 디바이스 성능을 제공하며, 이는 스마트 홈, 산업 자동화, 의료 및 환경 모니터링과 같은 분야에서 더 다양한 응용을 가능하게 합니다.
에너지 효율이 높고 간섭에 강한 수신기 기술에 대한 수요가 중요해짐에 따라, MIT의 컴팩트하고 저전력인 수신기 설계는 스마트 디바이스가 더 나은 성능과 기능성을 달성하도록 도와주어, 진정으로 상호 연결된 세상을 위한 더 똑똑하고, 더 작으며, 더 오래 지속되는 웨어러블 및 IoT 디바이스를 만들 수 있게 합니다.
