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Oltre la legge di Moore, ecco la frontiera del silicio 4.0

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Oltre la legge di Moore, ecco la frontiera del silicio 4.0

Era il 1965 quando Gordon Moore, a suo tempo a capo della divisione R&D della Fairchild Semiconductor pubblicava su una rivista specializzata la teoria (poi assunta a legge) secondo cui il numero di transistor in un circuito integrato sarebbe raddoppiato ogni 12 mesi circa. Più di cinquant'anni dopo il dibattito intorno al teorema che porta il nome del co-fondatore di Intel è sempre vivo. La legge di Moore è veramente morta come ha sentenziato di fatto, circa un anno fa, l'International Technology Roadmap for Semiconductors (Itrs) in ragione del fatto che la miniaturizzazione dei transistor da inserire nei chip potrebbe arrivare al capolinea, per ragioni di natura economica, entro il 2020? Ed è dunque corretta la linea di pensiero che ferma ai 28 nanometri l'ultimo suo nodo evolutivo? Non c'è una risposta unica ed assoluta al quesito. Ridurre le dimensioni dei transistor al solo scopo di incrementarne il loro numero presto non sarà più conveniente, questo è certo, con buona pace della previsione, sempre dell'Itrs, che osservava come i transistor avrebbero visto limitare i propri ingombri almeno fino al 2028. Teoria che rimane sempre valida, dal punto di vista puramente tecnologico, ma non più applicabile a parametri di ingegnerizzazione sostenibile. Da qui l'idea, condivisa da molti, che i cinque nanometri potrebbero essere l'ultima tappa dell'innovazione di processo per i componenti in silicio.
Lo scorso ottobre, una scoperta dei Barkeley Lab ha riportato però in auge la questione portando alla luce un transistor con un “gate” da un nanometro. L'utilizzo di materiali alternativi come il grafene (nanotubi di carbonio) e il disolfuro di molibdeno allungherà quindi la vita della legge di Moore ben oltre il previsto? È anche questa una supposizione, che i ricercatori di Barkeley ovviamente ritengono veritiera e punto di partenza per ridare fiato all'aumento delle capacità di elaborazione dei dispositivi elettronici. Ma di transistor da 1-nm in grafene si parla dal lontano 2008 e prima di portare in produzione componenti simili ci potrebbero volere anni. Oggi siamo alla frontiera dei 14 nanometri, con Intel, Samsung e Tsmc (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) non troppo lontane, si parla del 2018, dal portare sul mercato prima i chip a 10 nanometri. I limiti fisici dello “scaling” lineare dei transistor sono comunque stati raggiunti o quasi. Procedere sulle le architetture tridimensionali che ne faciliteranno la disposizione (nello spazio) all'interno dei circuiti è quindi la strada, l'unica, che permetterà di spingersi oltre i limiti di oggi e dare nuova linfa all'innovazione (e alla profittabilità) dell'industria dei semiconduttori.
Di questo ne è convinto Nicky Lu, presidente, Ceo e fondatore di Etron Technology (nonché Executive Board Director della Taiwan Semiconductor Industry Association). A suo dire stiamo entrando nell'era della Legge di Moore “virtuale”, in un nuovo trentennio di crescita per un settore, quello dei semiconduttori, che ha finito di correre circa una decina di anni fa e che per circa una decade è stato un mercato asfittico, stagnante, che solo quest'anno dovrebbe tornare a marciare (le stime sono di Gartner) al ritmo del 7%. L'annuncio della tecnologia Tri-gate da parte di Intel nel 2011, che ha dato il là allo sviluppo di transistor tridimensionali e all'era del silicio 2.0, è quindi stata una tappa fondamentale per il futuro prossimo dei semiconduttori. L'aver imboccato strade non lineari, secondo Lu, conduce proprio alla legge di Moore “virtuale” e quindi alla continuità del percorso di scaling di processori e memorie. La sfida da vincere, ora, è quella dell'integrazione eterogenea di più tecnologie e della combinazione di componenti a base di silicio con altri che sfruttano altri conduttori. Cosa significa? Significa pensare a una “pila” di chip costruiti con tecnologie diverse, a un metodo di progettazione verticale ed olistico fino al livello del dispositivo, “attraverso il quale gli ingegneri potranno realmente incorporare materiali diversi e creare un nano-sistema centrato sul silicio”. Lu definisce tutto questo “Silicon 3.0” ed è il ponte per traguardare l'era successiva, quella di “Silicon 4.0”, in cui l'industria dei chip dovrà perseguire tecnologie di integrazione eterogenee in grado di lavorare con sistemi applicativi non basati sui semiconduttori.
L'obiettivo, comune a tutti i produttori, è chiaro: ridurre lo spessore del package, incrementare le prestazioni, migliorare le caratteristiche termiche e le capacità di connessione (verso sensori o attuatori) dei chip. Per il numero uno di Etron Technology i passi in avanti da poter compiere sono ancora enormi, sia in termini di consumo energetico (quello ottimale, a suo dire, è di alcuni ordini di grandezza inferiore rispetto all'attuale) sia di evoluzione della tecnologia al silicio, “che potrà arrivare fino a cinque nanometri con le prestazioni di un nanometro”. Serve, ha detto ancora Lu in un articolo pubblicato da eetimes.com, che l'industria dei semiconduttori adotti un nuovo modello di collaborazione tra i vari attori perché la legge di Moore non può più essere usata come coperta di sicurezza. Se da una parte ha smesso di essere una guida tecnologica per gli ingegneri dei circuiti integrati, questa la sintesi del messaggio del manager taiwanese, dall'altra ha assunto i contorni di un paradigma economico che giustifica il ritorno sugli investimenti.
I produttori di chip, insomma, non possono permettersi di riconoscerne l'obsolescenza perché l'intuizione di Moore rimane il tassello che muove i capitali degli investitori. L'industria dei semiconduttori, conclude Lu, deve però riconoscere che le regole del gioco sono cambiate con l'avvento delle architetture tri-gate (Intel ha fatto da apripista a Tsmc e Samsung) e la sostituzione dello “scaling” lineare (la riduzione delle dimensioni del transistor) con la compressione e la miniaturizzazione dell'area dell'unità. Così facendo è cambiata in modo fondamentale la stessa natura della legge di Moore, che non sopravviverà grazie al pensionamento del transistor tradizionale, bensì per l'avvento di diverse tecnologie avanzate. Da qui la sua naturale evoluzione dal modello originale a quello “virtuale”.

Articolo pubblicato sul Sole 24 Ore del 21 maggio 2017

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