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

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.

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.