È difficile sopravvalutare quanto della nostra esistenza moderna si basi su un dispositivo nato come semplice strumento audio. Prima della metà del XX secolo, l’elettronica era pesante, calda e inaffidabile. Il pubblico dipendeva dai tubi a vuoto per qualsiasi cosa, dalle radio ai primi computer. Erano fragili. Si bruciavano frequentemente. Hanno generato abbastanza calore da deformare l’attrezzatura. Poi è arrivato il transistor.
Sviluppato nel 1947 dagli ingegneri dei Bell Laboratories, l’obiettivo originale era modesto. Avevano bisogno di un modo per amplificare il suono sulle linee telefoniche. Il tubo a vuoto era lo standard, ma era goffo. Il nuovo dispositivo lo ha sostituito con qualcosa a stato solido. Era più piccolo. Era più fresco. Era più affidabile.
La prima iterazione era un transistor a punto di contatto. Misurava mezzo pollice di altezza. Circa 1,27 centimetri. Non era particolarmente potente per gli standard odierni, ma i fisici ne videro immediatamente il potenziale. Gli ingegneri iniziarono a inserire questi minuscoli interruttori nelle radio e in altri dispositivi elettronici. Hanno imparato a rimpicciolirli. Hanno imparato a renderli più efficienti.
Questa incessante miniaturizzazione portò a un grande passo avanti nel 1958. Gli ingegneri collegarono due transistor a un singolo cristallo di silicio. Hanno creato il primo circuito integrato. Questo era il ponte verso il microprocessore. Se un computer è un corpo, il microprocessore è il cervello. Elabora i dati. Fa calcoli. Senza il circuito integrato, quel cervello non si formerebbe mai.
La legge di Moore e il Silicon Crunch
Negli anni ’60 il ritmo dell’innovazione aveva un nome. Gordon Moore, scienziato informatico e co-fondatore di Intel, ha notato uno schema. Osservò che gli ingegneri raddoppiavano il numero di transistor su un pollice quadrato di silicio ogni dodici mesi. È successo come un orologio. Le dimensioni sono diminuite. La densità è aumentata.
Questa tendenza ci ha dato il personal computer. Lo smartphone. Il lettore MP3. Senza questi minuscoli interruttori, continueremmo a premere interruttori meccanici e a fare affidamento sui tubi a vuoto per eseguire i calcoli di base. La tendenza alla contrazione è continuata per decenni. Ma non ha tenuto il passo con la previsione originale di Moore. Oggi il ciclo di raddoppio dura circa 24 mesi. È più lento. Ma il risultato è lo stesso. Mettiamo più energia in spazi più piccoli.
Quindi, quanto può essere piccolo un transistor? Nel 1947 quel primo apparecchio superava il centesimo di metro di altezza. Negli anni 2010, Intel produceva microprocessori con transistor larghi appena 45 nanometri. Un nanometro è un miliardesimo di metro. La scala è difficile da comprendere.
Limiti fisici e chip futuri
I produttori stanno già lavorando alla prossima generazione. I chip si stanno spostando verso transistor larghi solo 32 nanometri. Ma alcuni fisici e ingegneri lanciano l’allarme. Potremmo scontrarci con limiti fisici fondamentali. Gli effetti quantistici iniziano a interferire quando le cose diventano così piccole. Gli elettroni attraversano barriere che non dovrebbero. Il caldo diventa un incubo.
La storia del transistor non riguarda solo l’ingegneria. Riguarda la nostra incessante spinta a rendere le cose più piccole. Più veloce. Più efficiente. Ci siamo scontrati con un muro. Il muro è una legge fisica. Ma continuiamo a spingere. I prossimi anni ci diranno se riusciremo a sfondare o se avremo raggiunto il capolinea per il silicio.
Anatomia di un transistor
Per capire perché i computer stanno colpendo un muro, devi prima capire cos’è un transistor. Non è magia. È un interruttore. E non un interruttore qualsiasi. È un interruttore costruito dalla materia che si comporta in modo strano sotto pressione.
La materia generalmente rientra in tre categorie.
I Conduttori lasciano circolare liberamente l’elettricità. Pensa al rame. Ha molti elettroni liberi pronti a muoversi.
Gli Isolatori bloccano completamente il flusso. Bicchiere. Ceramica. Gli elettroni sono bloccati.
Poi ci sono i semiconduttori. Il silicio si trova nel mezzo. Ha un po’ di spazio per gli elettroni, ma non abbastanza per condurre come un metallo. È testardo. Ha bisogno di una spinta.
Quella spinta è la chiave. Modificando le condizioni, gli ingegneri costringono il silicio a alternare tra conduttore e isolante. Questo comportamento binario, acceso e spento, è il fondamento di tutta l’informatica moderna. Ma far sì che il silicio si comporti bene richiede un processo chiamato doping.
Il doping e il substrato
Gli ingegneri introducono impurità specifiche nel silicio per modificarne le proprietà elettriche. Iniziano con un materiale di base chiamato substrato.
Nel nostro esempio, stiamo osservando un transistor di tipo n. Ciò significa che il substrato è carico positivamente.
Per farlo funzionare, sono necessari tre terminali specifici sopra quel substrato:
- Fonte
- Scarico
- Porta
Il cancello si trova tra la sorgente e lo scarico. Funziona come una valvola unidirezionale per la tensione. Permette all’elettricità di penetrare nel silicio, ma il design ne impedisce il riflusso.
Come? Il gate è separato dal substrato da un sottile strato di ossido. Questo isolante impedisce agli elettroni di attraversare direttamente il terminale di gate.
In un transistor di tipo n, la sorgente e il drain sono caricati negativamente. Quando applichi una tensione positiva al gate, accade qualcosa di fisico all’interno del silicio.
Il canale elettronico
Applicare una tensione positiva al gate.
Ciò attrae gli elettroni liberi nel substrato caricato positivamente. Si accumulano contro lo strato di ossido sotto il cancello.
Questo crea un canale elettronico.
Tra la sorgente e lo scarico si forma un ponte di conduttività.
Se poi si spinge una tensione positiva nello scarico, gli elettroni fluiscono. Viaggiano dalla sorgente, attraverso il canale appena formato, e verso lo scarico.
Togliere tensione al cancello? L’attrazione svanisce. Gli elettroni si diffondono. Il canale crolla.
Le fermate attuali.
Ecco come un transistor funge da interruttore.
Tensione sul cancello = On
* Nessuna tensione sul gate = Spento *
Computers read this binary state as bits. Uno. Zero. Uno. Zero. La tua intera vita digitale è costruita su miliardi di questi minuscoli interruttori fisici che si muovono avanti e indietro.
Variazioni di tipo P
Per maggiore chiarezza abbiamo utilizzato un transistor di tipo n. Ma esistono anche i transistor di tipo p.
In una configurazione di tipo p, inverti le spese. Il substrato è drogato con materiale caricato negativamente. I terminali portano una carica positiva. La logica rimane la stessa, ma la fisica dei portatori di carica si ribalta.
La maggior parte dei chip moderni utilizza una combinazione di entrambi i tipi, nota come tecnologia CMOS, per ridurre al minimo il consumo energetico. Ma prima di arrivare all’architettura, dobbiamo affrontare l’hardware.
Transistors on the Nanoscale
Il problema non è il concetto. Il concetto funziona. Il problema è la dimensione.
Man mano che i transistor si restringono per inserirne di più su un chip, gli effetti quantistici iniziano a penetrare. Gli elettroni attraversano barriere che non dovrebbero essere in grado di attraversare. Lo strato di ossido diventa così sottile che gli elettroni lo attraversano anche quando il gate è spento.
Questa perdita riduce la durata della batteria. Genera calore. E crea errori.
Miniaturizziamo i transistor da decenni. Stiamo esaurendo lo spazio per rimpicciolirli senza infrangere le leggi della fisica.
Cosa succede quando l’interruttore stesso diventa inaffidabile?
Perché il restringimento dei transistor sta colpendo un muro fisico
I giornalisti amano predire la morte della Legge di Moore. Ogni anno qualcuno pubblica un articolo in cui dichiara che i transistor hanno raggiunto il limite di dimensione. Quindi gli ingegneri trovano una soluzione alternativa. Il transistor diventa più piccolo. La previsione è sbagliata. Siamo in un ciclo di falsi allarmi, in parte perché gli scrittori sono diventati timidi nel definire la fine dei giochi.
Ma il finale è reale. Non è una questione di abilità ingegneristiche. È una questione di fisica.
Una volta raggiunta la nanoscala, ti lasci alle spalle la fisica classica. Entrerai nel mondo della meccanica quantistica. Qui materia ed energia agiscono secondo regole che sembrano controintuitive. Non è nemmeno possibile osservare un sistema quantistico senza modificarne il comportamento.
Se gli elettroni possono passare attraverso una porta in qualsiasi circostanza, non c’è modo di controllarne il flusso.
Il problema più grande è il tunneling degli elettroni. Consideratelo come un teletrasporto. Quando una barriera materiale è estremamente sottile – circa un nanometro, o la larghezza di dieci atomi – gli elettroni possono attraversarla. Non fanno un buco. Non perforano. L’elettrone semplicemente scompare da un lato e riappare dall’altro.
Si suppone che le porte controllino il flusso di elettroni. Se gli elettroni attraversano il cancello, il controllo viene perso. Ottieni transistor che perdono. Il processore diventa inefficace. Potrebbe anche non funzionare.
Aziende come Intel stanno già lavorando con transistor larghi circa 32 nanometri. Lo strato di ossido sta diventando pericolosamente sottile. In passato, gli ingegneri hanno sempre trovato un modo per aggirare questi ostacoli. Stanno al passo con la legge di Moore. Ma questa volta si trovano ad affrontare una legge fondamentale della natura.
Gli ingegneri potrebbero trovare un isolante efficace a un nanometro. È possibile. Ma anche in questo caso, non c’è molto da fare con i transistor tradizionali. Oltre la nanoscala c’è la scala atomica. Qui i materiali hanno le dimensioni di pochi atomi. Hai finito il materiale su cui lavorare.
Ciò non significa che i transistor svaniranno. Ciò significa che la crescita esponenziale nello sviluppo dei microprocessori rallenterà. Si stabilizzerà. I miglioramenti nella potenza di elaborazione grezza non continueranno allo stesso ritmo vertiginoso.
Ma i produttori troveranno comunque il modo di migliorare l’efficienza. Le prestazioni aumenteranno, ma non in modo esponenziale.
C’è un’altra possibilità. I produttori di microprocessori sono alla ricerca di alternative ai transistor tradizionali. Alcuni stanno già cercando di sfruttare gli effetti quantistici su scala nanometrica. Stanno trasformando i nano-limoni in nano-limonata.
La Legge di Moore potrebbe durare solo ancora qualche anno. Ma se si guarda indietro di decenni, i giornalisti hanno fatto la stessa affermazione. Gli ingegneri probabilmente vedono queste previsioni come una sfida personale. Continueranno a spingere. Ma le leggi della fisica sono un muro difficile da abbattere.
Piccoli pacchetti
Intel Atom è una raccolta di processori piccoli ma potenti progettati per funzionare sugli smartphone.
