Allo stato attuale, i progettisti di chip sono in grado di garantire progressi teoricamente soltanto fino al 2016, dopodiché i circuiti integrati basati sul silicio si troveranno di fronte ad alcuni limiti fisici fondamentali. Per 36 anni, la “Legge di Moore”, decretata dal padre fondatore della Intel, ha diligentemente previsto un raddoppio della densità dei transistor ogni 18 mesi. L'ultimo processore di casa Intel, il Pentium 4, arriva fino a 2 GHz con 42 milioni di transistor.

I progetti più avanzati suggeriscono che entro il 2010 vedremo CPU ad almeno dieci gigahertz, con circuiti delle dimensioni intorno ai 50 nanometri. Che renderanno la velocità e la potenza di elaborazione dei computer 100 volte superiore a quella di un'attuale CPU a un gigahertz. Nel disperato tentativo di mantenere ancora vive le aspettative della “legge di Moore”, nell'agosto del 200, l'IBM annunciava una nuova tecnologia, “V-Groove”, per incidere circuiti a forma di V riducendo in questo modo le diafonie elettriche, che avrebbe consentito di realizzare componenti delle dimensioni di 10 nanometri, sfidando i limiti fondamentali.

Anche senza l'aiuto dell'informatica ottica e molecolare-quantistica, questa innovazione, rimasta per il momento solo teorica, porterebbe al di là di qualunque previsione logica in pieno “iperspazio acustico”, come previsto da Marshall Mcluhan, nel regno dello “spazio einsteiniano”, al punto in cui vedremo le capacità delle macchine cominciare ad avvicinarsi a quelle umane. “La considerazione che l'uomo non è stato concepito per vivere alla velocità della luce è una delle più grande intuizioni del ventunesimo secolo. I nuovi media collegati al video produrranno un'implosione dell'uomo.

Marshall Mcluhan

L'uomo disincarnato diventa insensibile alla forza di gravità, come succede ad un astronauta, ma diventa capace di muoversi molto più rapidamente. Egli perde il senso della propria identità in quanto le percezioni elettroniche non sono legate ad un luogo fisso. Immerso in questa energia ibrida emessa dalle tecnologie video, si troverà in una realtà chimerica che coinvolgerà al massimo grado tutti i suoi sensi, quasi come sotto l'effetto di una droga. La mente, come figura, si immerge nello sfondo, e viene trascinata in un luogo sconosciuto, ai confini tra realtà e fantasia. A questo punto, la tecnologia risulta incontrollabile..." (Marshall Mcluhan, "The Global Village", 1986, Oxford University Press).

INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP

L'evoluzione della tecnologia elettronica, che è alla base del progresso nel settore dell'informazione, è stabilita da un documento, the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), che ogni anno viene redatto da esperti delle maggiori industrie di dispositivi a semiconduttore d'Europa, Stati Uniti, Giappone, Corea e Taiwan. La roadmap rappresenta un documento importante nel settore dell'elettronica in quanto formula, sulla base di uno studio dettagliato, delle previsioni sul trend dell'industria dei semiconduttori per i prossimi 15 anni.

Uno dei risultati di questa analisi di previsione è la cosiddetta “legge di Moore”, che stabilisce un raddoppio del numero dei componenti per chip ogni diciotto mesi. Fino ad ora la legge di Moore è stata ben rispettata, a dimostrazione che l'ITRS rappresenta una linea guida estremamente utile per le industrie del settore. A tutt'oggi la stragrande maggioranza dei dispositivi a semiconduttore (microprocessori, memorie, ecc.) viene realizzata con un'unica tecnologia (denominata CMOS) e secondo le previsioni questo trend dovrebbe continuare anche nei prossimi anni.

Se l'evoluzione tecnologica è ben stabilita dalla roadmap, non è altrettanto chiaro come verrano utilizzate le nuove potenzialità messe a disposizione dalle industrie di semiconduttori. Cosa ci riserverà il futuro dell'elettronica? Elettronica quantistica o molecolare? Nanofotonica o optoelettronica? Probabilmente tutto questo, e anche di più.

http://public.itrs.net

I LIMITI DELL'INFORMATION TECHNOLOGY

Notevole è la sfida che si presenta agli scienziati. Entro il 2016 è previsto il il raggiungimento di una dimensione minima (intorno ai 40 nanometri) oltre la quale non sarà possibile scendere ulteriormente. In vista di questo limite, sono allo studio tutta una serie di alternative per superare anche questa barriera. Ci si affida soprattutto alla nanotecnologia, in particolare alla nanoelettronica, per realizzare dispositivi quantistico-molecolari in grado di sostituire la tecnologia basata sul silicio, elemento fondamentale dell'information technology, che stà per raggiungere il suo punto critico.

Un articolo pubblicato su Science nel settembre del 2001, sosteneva che l'industria dei semiconduttori basata sul silicio aveva al massimo altre due decadi di ulteriore sviluppo, continuando nella miniaturizzazione dei componenti, dopodiché avrebbe raggiunto i suoi limiti fondamentali. Per questo, lo stesso articolo, incoraggiava la ricerca nel campo della nanoelettronica come unica speranza per il superamento della barriera. “Le leggi della fisica parlano chiaro”, diceva James D. Meindl, professore di ingegneria elettrica e informatica al Microelectronics Research Center del Georgia Institute of Technology. “L'unica speranza è realizzare strutture nanoelettroniche ragionevolmente flessibili”.

Secondo Meindl, grazie alla nanolettronica si potrà giungere a super-chips contenenti più di un trillion transistors. (Chips poised for production today contain a billion transistors). Il che significa realizzare transistor MOSFETs (ad effetto di campo) nanometrici, andadosi a scontrare con i limiti fisici fondamentali dell'information technology. I limiti fondamentali definiscono il minimo ammontare di energia necessaria per effettuare la più basilare operazione di calcolo: il cambiamento di stato di un circuito logico binario da 0 a 1, o viceversa (che corrisponde fisicamente all'impiego dei transistors). E anche il minimo ammontare di energia necessaria per spedire il segnale risultante attraverso un canale di comunicazione (in entrambi i casi la minima energia necessaria è la stessa).

Li ha stabiliti, circa 50 anni fa, lo stesso che ha inventato l'architettura dei computer così come li conosciamo, John Von Neumann, con la seguente formula: E(min) = (ln2)kT, in cui T rappresenta la temperatura assoluta, In2 il logaritmo naturale di 2 e k la costante di Boltzmann. Come si può notare, l'energia minima necessaria dipende soprattutto da una variabile: la temperatura assoluta. Meindl dice che nessun dispositivo potrà mai operare con valori vicini a quelli della temperatura assoluta senza incappare in questi limiti fondamentali. Il problema che si pone ai progettisti è che al diminuire delle dimensioni dei transistor aumenta in modo sostanziale la dispersione di corrente elettrica, un fattore che costringe i progettisti ad alimentare i chip con voltaggi sempre maggiori e, di conseguenza, ad innalzare i consumi.

Una parziale soluzione a questo problema è dato dalle soluzioni “multi-core”, ovvero dall'integrazione di più CPU in un singolo chip: soluzione che, dopo essere già stata adottata da alcuni produttori di processori RISC, come IBM e Sun, verrà presto abbracciata anche da Intel e AMD. Inoltre, più i transistors si rimpiccioliscono, più ne vengono utilizzati in uno stesso chip, maggiore è il calore prodotto in uno spazio sempre più ridotto. Occorre trovare dunque il modo di dissiparlo per evitare pericolosi surriscaldamenti.

Inoltre, vi sono altri limiti da considerare. I segnali elettronici non possono muoversi a velocità superiori a quelle della luce. Mentre la teoria della meccanica quantistica definisce le minime dimensioni di un dispositivo (intorno ai 40 nanometri) per non incappare nei paradossi incontrollabili del mondo subatomico. E ancora, vi sono anche dei limiti economici. “Ciò che ha permesso la rivoluzione informatica è stata la progressiva diminuizione dei costi per funzione, se questo non sarà più possibile, non potremo più aumentare la produttività” dice Meindl.

Più salirà il costo degli investimenti più diminuirà il numero di aziende in grado di sostenerli, con conseguente impoverimento della concorrenza e della competitività. Già oggi, in tempi di brutale globalizzazione ad opera delle più potenti corporazioni mondiali, i veri “deus ex machina” del governo transnazionale, stiamo assaggiando gli effetti di questa neo-economia tecnocratica e oligarchica. Insomma, il futuro dei semiconduttori al silicio dipende dalla tecnologia. E dal futuro della tecnologia dipenderà anche quello della democrazia.

LA GUERRA DEI NANOMETRI

Nell'agosto del 2002, Intel aveva annunciato di essere pronta al balzo dai 0,13 micron ai 0.09 micron, ossia dai 130 ai 90 nanometri, impiegando wafer al silicio da 300 mm, mediante la tecnologia già usata per produrre memorie SDRAM da 52 Mbit che racchiudono 330 milioni di transistor nello spazio di 109 mm quadrati, più o meno le dimensioni di un'unghia.

Il nuovo processo a 90 nm combina transistor di circa 50 nm a prestazioni più elevate e a minore consumo di energia grazie alla tecnologia “strained silicon” (multi-strati di silicio, connessioni in rame ad alta velocità e un nuovo materiale dielettrico a bassa costante k che permettono di aumentare la velocità dei segnali all'interno del chip e ridurre il consumo di energia) che, a partire dalla seconda metà del 2003, è stata utilizzata per spingere i Pentium 4 con core Prescott a frequenze di clock superiori ai 3,2 GHz.

Più o meno nello stesso periodo anche AMD aveva annunciato il passaggio, per la sua famiglia di chip ClawHammer, ad un processo produttivo a 90 nm per la realizzazione di chip a 32/64 bit in grado di spingere le CPU oltre i 3 GHz. Lunedì 30 Agosto 2004, Intel ha annunciato un ulteriore balzo nel mondo dell' “infinitamente piccolo”: memorie SRAM (static RAM) di 0.065 micron (65 nanometri), in previsione di CPU pronte a debuttare sul mercato agli inizi del 2006 (se tutto andrà bene), esattamente 2 anni dopo il debutto dei primi processori a 0.09 micron.

L'obiettivo principale di Intel non è tanto quello di ottenere margini più elevati in termini di frequenza di clock dei processori, quanto tenerne a freno il consumo complessivo. Quello del consumo è un tema divenuto di forte attualità con i processori Pentium 4 basati su core Prescott, i primi prodotti con tecnologia a 0.09 micron; nonostante il più sofisticato processo produttivo, questi processori soffrono di “Leakage Power”, un fenomeno per il quale il processore genera una notevole potenza durante il funzionamento al punto da renderne difficoltosa la dissipazione.

UN MILIARDO DI TRANSISTOR

Ancora la Intel protagonista. La più nota azienda del mondo dedita allo sviluppo di micro-chip ha affermato che già a partire dal prossimo anno all'interno dei PC potrebbe battere un cuore di silicio contenente 1 miliardo di transistor, un numero otto volte maggiore a quello che caratterizza il Pentium 4 Prescott. La stessa Intel, soltanto un paio d'anni fa contava di raggiungere tale traguardo non prima del 2007. La meta del miliardo di transistor è del resto già stata raggiunta dai chip di memoria DRAM da 1 gigabit.

Il nuovo obiettivo è reso possibile dai progressi legati soprattutto alla tecnologia EUV (Extreme Ultraviolet Lithography), che utilizza le radiazioni ultraviolette per indirizzare la luce con una larghezza d'onda di 13,5 nanometri e stampare geometrie di dimensioni inferiori a 45 nm. Una lunghezza d'onda circa 20 volte più piccola di quella impiegata nelle tecniche più comuni di fotolitografia per la produzione dei chip.

Lo sviluppo di questa nuova tecnologia è regolata dall'EUV LLC, un consorzio di aziende operanti nel settore dei microprocessori (al quale partecipano aziende come AMD, IBM, Infineon, Micron e Motorola, oltre a Intel). In accordo con la legge di Moore, la EUV consentirebbe dunque in teoria di produrre processori con velocità superiori ai 10 GHz.

L'interesse degli USA nei confronti della realizzazione di macchine ad alte prestazioni è grande perché, nei prossimi anni, la battaglia con l'Europa sull'energia nucleare e le biotecnologie sarà combattuta a colpi di Gigahertz.

Fonte: punto informatico 16 luglio 2004

AUTO-ASSEMBLAGGIO

Nel dicembre del 2003, l'IBM presentava un nuovo tipo di materiale polimerico le cui molecole sono in grado di auto-assemblarsi, ossia di disporsi in un certo ordine seguendo una trama costituita da microscopici percorsi. Big Blue spiegava che la tecnica, già impiegata per costruire alcuni prototipi di memoria flash, è compatibile con gli attuali processi di produzione dei semiconduttori e potrà quindi essere adottata senza troppi traumi nei tradizionali impianti di fabbricazione dei chip.

Il grande vantaggio portato dalle tecniche di auto-assemblaggio è dato, secondo IBM, dalla possibilità di lavorare a dimensioni più ridotte rispetto a quelle oggi permesse dalle tecnologie tradizionali e di tagliare i costi di produzione dei chip grazie alla semplificazione degli attuali metodi litografici. IBM ha affermato che la nuova tecnologia potrà essere utilizzata in processi di produzione sperimentali entro un periodo di tempo compreso fra i tre i cinque anni.

CRESCITA CONTROLLATA

All'Institute for Semiconductor and Solid State Physics della University of Linz, il team guidato da Günther Bauer, con il supporto dell' Austrian Science Fund, già nel 2001 aveva annunciato la realizzazione di nano-semiconduttori sfruttando la tecnologia laser. “Le proprietà elettriche, ottiche e magnetiche di queste nanostrutture dipendono non solo dalla composizione chimica ma anche dallo spessore degli strati”, spiegava Bauer. “Con la nuova tecnica, chimnata 'crescita auto-organizzata', siamo riusciti a forgiare strutture piramidali che misurano appena 10 nanomentri in altezza”.

“Cotti” ad una temperatura di 600 gradi, i materiali di partenza vengono fusi automaticamente distribuendo la concentrazione di germanio a partire dal basso verso l'alto seguendo una struttura piramidale. È fondamentale poter controllare l' “impasto” degli ingredienti perché influenza direttamente le proprietà meccanico-quantistiche della nanostruttura.

Per poter determinare con precisione queste nano-caratteristiche, il gruppo di Linz, in cooperazione con alcuni fisici di Grenoble, ha sviluppato un processo tomografico a raggi-X che consente una estrema precisione anche operando su una scala nanometrica. Le tecniche di “crescita controllata” potrebbero forse consentire la realizzazione di nano-componenti capaci di sfidare i limiti fondamentali.

NANOTRANSISTOR

Nell'ottobre del 2001, tre scienziati dei Bell Labs annunciavano di aver scoperto il modo di sviluppare minuscoli transitors un milione di volte più piccoli di un granello di sabbia. Hendrik Schon, Zhenan Bao e Hong Meng, hanno creato un nanotransistor con un canale lungo quanto una singola molecola. La lunghezza del canale si riferisce allo spazio necessario al funzionamento degli elettrodi, direttamente correlati agli stati logici 0 e 1, da cui dipende la velocità e la potenza complessiva del micro-chip.

Più un chip dispone di transistors e di elettrodi, più informazione può trattare. Più piccoli sono i transistors, più aumenta la potenza di ogni singolo chip. Attualmente, i transistors basati sul silicio vengono prodotti con uno spazio per canale di circa 5 atomi. Il nanotransistor molecolare ottenuto nei Bell Labs con una tecnica di “auto-assemblaggio” da un materiale organico conosciuto come Thiolo, sfrutterebbe dei nano-elettrodi separati l'un l'altro da una distanza di 1-2 nanometri, ovvero una o due molecole. Il problema da superare è sempre quello della dissipazione del calore, oltre la capacità di governare gli effetti nano-quantistici.

SINGLE ELECTRON TRANSISTOR

Un altro tipo di nanotransistor, 50 mila volte più sottile di un capello umano, è il SET (Single-Electron Transistor), un nano-dispositivo in grado di permettere il passaggio di un solo elettrone per volta, realizzato da ricercatori dell'Università di Delft, in Olanda. Una specie di «isola» metallica protetta dal flusso elettronico, che viaggia dall'elettrodo «sorgente» a quello «ricevente», da due barriere che, quando viene applicata tensione al sistema (stato «On»), permettono il transito di un elettrone per volta.

Una piccolissima quantità di calore, capace di sfuggire alle protezioni, però potrebbe fornire energia sufficiente al passaggio di elettroni aggiuntivi, rendendo inefficiente il dispositivo. Per questo motivo, la maggior parte dei SET sono progettati per operare a basse temperature, e questo limita notevolmente le loro capacità di applicazione. Cees Dekker e i suoi colleghi dell'Università di Delft, provando la via della nanoelettronica, sono riusciti a realizzare un nano-dispositivo formato da un singolo nanotubo di carbonio lungo appena 20 milionesimi di millimetro.

Utilizzando il fascio di un microscopio a forza atomica, gli autori della ricerca hanno creato due piccole pieghe lungo il percorso rettilineo della lunga molecola di carbonio, creando così delle barriere al flusso di elettroni. Poiché più piccolo è lo spazio in cui sono confinati gli elettroni più energia è necessaria per farli passare, in un dispositivo grande come quello realizzato da Dekker e colleghi, l'effetto delle fluttuazioni di calore è completamente irrilevante anche a temperatura ambiente.

Ora però si tratta di combinare questi elementi in circuiti complessi e giungere ad un sistema di produzione veloce, efficiente e dai costi contenuti. Proprio a questo proposito, il 1 luglio scorso, ricercatori della Purdue University hanno reso noto un nuovo metodo per testare i nano-dispositivi molecolari. Alle dimensioni della nanosfera, il comportamento dei dispositivi elettronici subisce mutamenti radicali. Il metodo sviluppato alla Purdue University potrebbe rendere possibile valutare con esattezza le potenzialità dei nanotransistors molecolari.

Per il momento si stanno facendo i seguenti tentativi: usando un campo elettrico per cambiare lo stato di conduttività molecolare, in modo simile a come funzionano i transistors al silicio; modificando la forma della molecola per creare un contatto tra gli elettrodi, oppure per alterarne la conduttività interna. Secondo i ricercatori della Purdue, per le prime applicazioni pratiche di tali dispositivi, ci vorranno almeno 10 anni.

CARBURO DI SILICIO

In Giappone si stà sperimentando un altra via, quella dei SiC (silicon carbide semiconductors), transistors in carburo di silicio più adatti per lavorare in ambienti “estremi”, perché più resistenti al calore, anche se sono più difficili da fabbricare. Un team giapponese guidato da Kazumasa Takatori dei Toyota Central R&D Labs Inc.sostiene di aver messo a punto un metodo per produrre cristalli SiC più efficienti, lavorando sul cristallo per stadi successivi. Proprio per la loro caratteristica super-resistenza, si spera molto nei componenti SiC come base per avventurose esplorazioni spaziali.

Fonte: Associated France Press 25 agosto 2004

MEMORIE 3D

Sono trascorsi più di due anni da quando Matrix, una piccola start-up californiana, annunciò lo sviluppo di chip di memoria basati su di una nuova tecnologia chiamata 3D Memory (3DM). Dopo aver superato diversi problemi tecnici, la società ha recentemente la consegna dei primi chip commerciali. Le 3DM sono memorie flash che promettono di tagliare drasticamente il costo per megabyte e di ridurre le dimensioni dei chip, grazie alla tecnologia 3D che lavora su multi-strati di silicio che possono essere prodotti con gli attuali impianti di produzione e gli attuali materiali semiconduttori, a costi ancora più ridotti.

NANOTRANSISTOR Le tecniche convenzionali di litografia non riescono a produrre contatti metallici più piccoli dei 100 nanometri, un ordine di grandezza, per quanto minuscola, notevolmente superiore a quella di nanocavi e nanotubi (un nanometro corrisponde ad un milionesimo di millimetro, all'incirca lo span di 10 atomi di idrogeno).

Ricercatori della Harvard University hanno trovato il modo di trasformare sezioni di nanocavi al silicio in nickel silicide mettallico, usando lo stesso processo che viene utilizzato per produrre nanocavi ibridi composti di metallo e semiconduttore, che possono essere usati come transistors.

I nuovi “nanotransistors”, lunghi circa 20 nanometri, potrebbero portare a memorie e circuiti logici ultra-densi, almeno è la speranza dei ricercatori, grazie al più piccolo canale che è possibile realizzare mediante le odierne tecnologie di produzione dei chip. Si tratta ora di testarne gli effetti nano-quantistici. Secondo i ricercatori, il metodo non vedrà applicazioni pratiche prima di una decina d'anni.

Fonte: Technology Review 1 settembre 2004

LA LEGGENDA DI MOORE

“La potenza dei processori raddoppia ogni diciotto mesi”. Concepita nel 1964, questa pseudo-legge accompagna l'informatica da più di trentacinque anni, e continuerà a farlo, secondo il suo autore, fino al 2017. Era nata come un'intuizione lungimirante, è diventata più che altro una speculazione commerciale, un eccellente strumento di propaganda al consumo. Legato a doppio filo ad un altro mito dell'Information Technology: quello della velocità.

Una delle campagne più menzognere dell'Intel fu quella che investì parecchi miliardi in pubblicità nel tentativo di far credere che occorresse un Pentium 3 per collegarsi a Internet - scoraggiando molti che avrebbero potuto tranquillamente collegarsi con le macchine che già avevano. Nessuno dice ad esempio che la velocità non corrisponde ai i megahertz e che questi ultimi in realtà non sono mai raddoppiati ogni diciotto mesi.

Una calcolatrice scientifica o un buon foglio di calcolo mostrano che dal 1962 (anno da cui partono le statistiche di Moore) a fine 2000 sono passati venticinque (virgola tre) periodi di diciotto mesi. Raddoppiando un megahertz per venticinque volte si arriva a 35.184.372.088.832 hertz: sono trentacinque terahertz, ossia un valore trentacinquemila volte superiore ai clock delle CPU di oggi. Un processore capace di calcolare con questa frequenza mostruosa porrebbe, in piccolo, gli stessi problemi di dispersione di calore di una centrale nucleare.

La spiegazione di questo divario tra aspettative e risultati è semplice: l'aumentare della densità dei transistor sulla superficie del chip non incide sempre e solo sui megahertz. Incide sui costi di produzione, sul consumo energetico, sul funzionamento complessivo del micro-chip. Certi raddoppi della “legge di Moore” sono andati più verso le riduzioni di costo e di consumi che verso gli aumenti di velocità.

Inoltre, non sempre la “miniaturizzazione” (concetto alla base dell'affermazione originaria di Moore) rappresenta un progresso. Che cos'è allora la velocità pura di un processore? Difficile stabilirlo con esattezza. C'è chi la esprime in Mips (milioni di istruzioni per secondo), senza considerare che le istruzioni eseguite possono essere più o meno complesse. Il vantaggio dei processori Motorola PowerPC rispetto ai processori Intel Pentium dipende esattamente dal confronto tra istruzioni molto potenti, ma eseguite lentamente, contro istruzioni più elementari ma elaborate con maggiore rapidità.

Oppure si possono prendere in esame le velocità di calcolo di numeri interi oppure di numeri in virgola mobile, cioè con decimali (gigaflop). Di fatto, però, se intorno a un processore potente c'è un'architettura di bassa qualità o un disco rigido poco efficiente, il risultato finale non rispecchierà le potenzialità del processore. Occorre cioè valutare il sistema nel suo complesso.

Tornando alla “leggenda di Moore”, secondo il suo stesso fondatore, potrebbe rimanere valida per un'altra ventina di anni. Nel 2017 circa verranno raggiunti i limiti fisici delle attuali tecnologie. Per proseguire ulteriormente nei raddoppi bisognerà affidarsi alla nanotecnologia e ai chip molecolari-quantistici, attualmente in fase di sperimentazione. “Stiamo lottando contro le leggi della fisica”, ha dichiarato Moore durante una conferenza organizzata dall'IEEE. “Nessuna crescita esponenziale può durare per sempre”.

“Siamo ormai davvero vicini al limite”, gli ha fatto eco Richard Doherty, direttore delle ricerche presso l'Envisioneering Group. Parole confermate anche da Gerald Marcyk, direttore del Components Research Lab di Intel. Insomma, la legge di Moore non sarà più capace di fare previsioni sui processori del futuro, e si trasformerà definitivamente in quello che è sempre stata: una leggenda.

E-mail: Alessio Mannucci