Oltre il 5G: un nuovo transceiver a 140 GHz raggiunge 120 Gbps con consumi minimi

Sviluppato un transceiver wireless sub-THz a 140 GHz capace di superare i 100 Gbps, con picchi di 120 Gbps (circa 15 GB/s), grazie a un’architettura ibrida che riduce o elimina l’uso dei tradizionali DAC/ADC.

Un gruppo di ricercatori dell’Università della California ha presentato una nuova architettura di transceiver wireless che supera di un ordine di grandezza le velocità dei sistemi attuali, raggiungendo fino a ~120 Gbps, equivalenti a circa 15 GB/s di trasferimento dati. Sono prestazioni superiori di 24 volte alle velocità tipiche delle connessioni 5G mmWave e il paragone con molti collegamenti in fibra ottica usati oggi nei data center è scontato.

Le tecnologie radio tradizionali si basano su convertitori digitale-analogico (DAC) e analogico-digitale (ADC) per generare e interpretare segnali ad alta velocità. Questi componenti, se spinti verso frequenze molto elevate e throughput estremi, diventano complessi, costosi e voraci di energia, fino a rendere il sistema inefficiente o impraticabile per i dispositivi mobili.

Per aggirare questa limitazione, il team accademico ha sviluppato una nuova architettura di transceiver che riduce o elimina la dipendenza dai DAC/ADC tradizionali, sfruttando calcoli direttamente nel dominio RF (radiofrequenza) invece di effettuare conversioni intermedie costose.

Transceiver 140 GHz: fino a 120 Gbps di velocità trasferimento dati wireless

Un nuovo chip in silicio per la trasmissione wireless, sviluppato da ingegneri elettronici dell’UC Irvine, consente velocità di trasmissione dati paragonabili a quelle della fibra ottica, mantenendo un’elevata efficienza energetica. Credit foto: Payam Heydari / UC Irvine

Come funziona il nuovo transceiver: un’architettura ibrida analogico-digitale

Il nuovo transceiver (dispositivo che trasmette e riceve segnali, integrando trasmettitore e ricevitore in un unico componente) opera nella banda di frequenza attorno ai 140 GHz, molto al di sopra delle bande 5G attuali (ad esempio quelle millimetriche o mmWave fino a ~70 GHz). La scelta spalanca una larghezza di banda teorica enorme, essenziale per sostenere velocità dati dell’ordine di centinaia di gigabit al secondo.

Il progetto consiste di due chip complementari:

  • Bits-to-Antenna Transmitter: genera l’onda RF ad alta frequenza direttamente da dati digitali, eliminando il DAC tradizionale. Il segnale è prodotto da tre trasmettitori sincronizzati che lavorano insieme, riducendo drasticamente il consumo energetico rispetto ai DAC convenzionali che operano a queste velocità.
  • Antenna-to-Bits Receiver: riceve il segnale e lo demodula senza passare da un ADC ad alta risoluzione, usando tecniche avanzate in analogico per separare i dati dal rumore. Questa parte del sistema è fondamentale per evitare il cosiddetto “collo di bottiglia di campionamento” che affligge i ricevitori tradizionali.

Entrambi gli elementi sono fabbricati con un processo a 22 nm fully depleted silicon-on-insulator (FD-SOI), una tecnologia di produzione più matura e conveniente rispetto ai nodi più avanzati (come 2 nm) usati nei chip moderni. Ciò suggerisce che la produzione su larga scala potrebbe essere più economica e più rapida da realizzare rispetto ad alternative basate su processi più complessi.

Prestazioni e implicazioni pratiche

La velocità massima rilevata supera i 100 Gbps, con picchi anche a 120 Gbps (~15 GB/s), molto oltre i limiti teorici delle connessioni 5G mmWave (~5 Gb/s) e WiFi 7 (~30 Gb/s).

Uno degli aspetti più sorprendenti è il consumo energetico estremamente basso: l’intero sistema transceiver richiede soltanto circa 230 mW. In confronto, un sistema che usasse DAC/ADC tradizionali per raggiungere queste velocità consumerebbe diversi Watt, una configurazione non compatibile con dispositivi portatili come smartphone o device IoT.

Alle frequenze intorno ai 140 GHz la propagazione del segnale è comunque fortemente attenuata e la capacità di penetrare ostacoli solidi è minima. Di conseguenza, la soluzione californiana è adatta quasi esclusivamente a collegamenti in line-of-sight (LoS) o quasi-LoS, rendendo poco realistico l’uso per coperture tradizionali e orientandone l’impiego verso collegamenti punto-punto ad altissima capacità su distanze contenute. A 140 GHz la propagazione ha un raggio utile tipico compreso tra qualche decina e qualche centinaio di metri in LoS con antenne direzionali.

L’architettura proposta è comunque vista come un possibile elemento chiave delle future generazioni di standard di comunicazione — oltre il 5G, detto informalmente 6G o FutureG — dove si prevede l’uso di frequenze sempre più alte e approcci ibridi per raggiungere throughput estremi.

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