L'elettronica, l'informatica e le telecomunicazioni sono
probabilmente le tecnologie che hanno subito l'evoluzione più rapida nella
storia dell'uomo. Se pensiamo a 60 anni fa infatti, un elaboratore non più
potente di una calcolatrice scientifica arrivava ad occupare la dimensione di
una stanza, fatto da valvole, schede perforate e unità disco da 5 Mb grandi
come il tronco di una quercia secolare e alte un paio di metri. Poi arrivò il
transistor, il componente fondamentale di tutta l'elettronica digitale, che
rimpiazzò presto le valvole (ma non in campo audio dove tutt'oggi sono
ricercate). Le fastidiose matasse divennero quindi eleganti tavolette con
circuiti stampati e componenti saldati.
Ma il vero punto di svolta avvenne però con il SILICIO. Le proprietà di questo semiconduttore infatti, permisero la creazione di circuiti integrati. In un centimetro quadrato si riuscirono a far entrare centinaia di transistor, poi migliaia, poi milioni e oggi centinaia di milioni. La crescita è così elevata che Gordon Moore, uno dei fondatori di Intel, ipotizzò che il numero di transistor all'interno delle CPU sia destinato a raddoppiare ogni 18 mesi. Questa osservazione è ritenuta così “sacra” e importante da essere chiamata “Legge di Moore” ed è il motto a cui fa fede Intel ogni volta che sviluppa un nuovo processo produttivo.
Ma il vero punto di svolta avvenne però con il SILICIO. Le proprietà di questo semiconduttore infatti, permisero la creazione di circuiti integrati. In un centimetro quadrato si riuscirono a far entrare centinaia di transistor, poi migliaia, poi milioni e oggi centinaia di milioni. La crescita è così elevata che Gordon Moore, uno dei fondatori di Intel, ipotizzò che il numero di transistor all'interno delle CPU sia destinato a raddoppiare ogni 18 mesi. Questa osservazione è ritenuta così “sacra” e importante da essere chiamata “Legge di Moore” ed è il motto a cui fa fede Intel ogni volta che sviluppa un nuovo processo produttivo.
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| Un wafer di silicio. Pensate che in ognuno di quei chip pronti da tagliare ci sono milioni e milioni di transistor! |
Moore tuttavia non aveva previsto una cosa (oppure lo aveva
fatto ma nessuno lo aveva preso sul serio): prima o poi bisognerà fermarsi. Infatti ci si sta avvicinando sempre di più alle dimensioni dell'atomo, oltre non è possibile
andare. Oggi siamo in un periodo in cui non è più possibile tenere fede
in maniera rigorosa alla “Legge di Moore”. I processi produttivi diminuiscono
sempre di più, attualmente ci troviamo a 28nm, ma i consumi non diminuiscono e le
prestazioni non raddoppiano, contraddicendo anche l'altro aspetto della legge
che prevede anche un raddoppio di prestazioni ogni 18 mesi.
Non solo le ridottissime dimensioni dei transistor rendono sempre più complicato il processo di realizzazione, ma i problemi di diafonia dovuti dalla vicinanza dei componenti diventano sempre più difficili da gestire.* Se già tra due piste di rame poste ad un millimetro di distanza si possono creare fenomeni di accoppiamento elettromagnetico, figuriamoci se queste piste si trovano a poche decine di nanometri.
Per ridurre gli effetti di capacità ed induttanze parassite si ricorrono a piste di massa intermedie e filtri di controllo, che non fanno altro che occupare sempre più spazio all'interno del chip: ecco perché le prestazioni non raddoppiano e i consumi non calano.
Del resto i limiti del silicio hanno anche portato alla fine della “corsa ai megahertz”, portando avanti nuove idee di sviluppo, come le architetture multi-core e APU.
Non solo le ridottissime dimensioni dei transistor rendono sempre più complicato il processo di realizzazione, ma i problemi di diafonia dovuti dalla vicinanza dei componenti diventano sempre più difficili da gestire.* Se già tra due piste di rame poste ad un millimetro di distanza si possono creare fenomeni di accoppiamento elettromagnetico, figuriamoci se queste piste si trovano a poche decine di nanometri.
Per ridurre gli effetti di capacità ed induttanze parassite si ricorrono a piste di massa intermedie e filtri di controllo, che non fanno altro che occupare sempre più spazio all'interno del chip: ecco perché le prestazioni non raddoppiano e i consumi non calano.
Del resto i limiti del silicio hanno anche portato alla fine della “corsa ai megahertz”, portando avanti nuove idee di sviluppo, come le architetture multi-core e APU.
Il silicio quindi sta invecchiando, i primi capelli grigi e
le rughe cominciano a farsi vedere: c'è bisogno di un successore al trono. Dopo
anni di ricerca (fortunatamente all'estero ci investono), tutt'ora ancora in
corso, il candidato ideale sembra essere proprio questo GRAFENE.
Come è facilmente intuibile dal nome, questo materiale è ricavabile attraverso procedimenti chimici dalla grafite. La cosa che lo rende così speciale è il forte legame tra gli atomi che la compongono, in grado di mantenere una solidissima struttura cristallina. Addirittura si pensò di sfruttare questa caratteristica per trainare carichi pesantissimi utilizzando barre di grafene, tanto per fare un esempio per sollevare un ascensore pieno basterebbe un filo di grafene non più grande di un filo di nylon. Questa solidità dei legami tuttavia può essere più intelligentemente sfruttata per creare strutture piccolissime, dal momento che riuscirebbero a reggere senza collassare molto meglio di altri materiali. Quanto piccole? Come UN ATOMO.
Come è facilmente intuibile dal nome, questo materiale è ricavabile attraverso procedimenti chimici dalla grafite. La cosa che lo rende così speciale è il forte legame tra gli atomi che la compongono, in grado di mantenere una solidissima struttura cristallina. Addirittura si pensò di sfruttare questa caratteristica per trainare carichi pesantissimi utilizzando barre di grafene, tanto per fare un esempio per sollevare un ascensore pieno basterebbe un filo di grafene non più grande di un filo di nylon. Questa solidità dei legami tuttavia può essere più intelligentemente sfruttata per creare strutture piccolissime, dal momento che riuscirebbero a reggere senza collassare molto meglio di altri materiali. Quanto piccole? Come UN ATOMO.
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Esatto, è possibile realizzare “fogli” di grafene dallo
spessore di un solo atomo. Ma a che serve direte voi.
La risposta è semplice: quando un elettrone scorre in un conduttore, questo ha una certa probabilità di scontrarsi con un nucleo di un atomo di rame e “schizzare” fuori dal conduttore, proprio come una palla da biliardo. Più atomi di conduttore ci sono, più è alta la probabilità che un elettrone si scontri, quindi più è alta la resistenza parassita. Se si riesce a ridurre lo strato conduttore ad un solo atomo, la resistenza diviene bassissima, perché la distanza tra nucleo ed elettroni è molto grande rispetto alla dimensioni delle cariche, l'atomo infatti è per la maggior parte vuoto.
Avremmo quindi dei circuiti che si comportano in maniera quasi IDEALE. Molto di quello spazio occupato da circuiti per correggere i problemi creati dai limiti del silicio verrebbe utilizzato per altri transistor. La minore resistenza inoltre si tradurrebbe in un minore riscaldamento del chip, dal momento che il calore si genera proprio grazie alle resistenze parassite che trasformano parte dell'energia sprigionata dall'urto in calore.
La risposta è semplice: quando un elettrone scorre in un conduttore, questo ha una certa probabilità di scontrarsi con un nucleo di un atomo di rame e “schizzare” fuori dal conduttore, proprio come una palla da biliardo. Più atomi di conduttore ci sono, più è alta la probabilità che un elettrone si scontri, quindi più è alta la resistenza parassita. Se si riesce a ridurre lo strato conduttore ad un solo atomo, la resistenza diviene bassissima, perché la distanza tra nucleo ed elettroni è molto grande rispetto alla dimensioni delle cariche, l'atomo infatti è per la maggior parte vuoto.
Avremmo quindi dei circuiti che si comportano in maniera quasi IDEALE. Molto di quello spazio occupato da circuiti per correggere i problemi creati dai limiti del silicio verrebbe utilizzato per altri transistor. La minore resistenza inoltre si tradurrebbe in un minore riscaldamento del chip, dal momento che il calore si genera proprio grazie alle resistenze parassite che trasformano parte dell'energia sprigionata dall'urto in calore.
Il superamento di questi limiti potrebbe favorire un ritorno
allo sviluppo concentrato sull'incremento della frequenza di clock. Un gruppo
di ricerca di IBM è riuscito addirittura a ricongiungere una frequenza di
100MHz con dei transistor realizzati in grafene.
Ma grafene non vuol dire solo CPU: con questo straordinario materiale si sta lavorando (in termini di ricerca) per la realizzazione di memorie sempre più capienti e veloci, per non parlare delle batterie, che sono a tutti gli effetti la rogna maggiore dei produttori di dispositivi mobile.
Altro settore dove trova posto questo materiale sono le telecomunicazioni: tutti i vantaggi portati dalle comunicazioni ottiche vengono ad annullarsi se le si utilizzano per brevi distanze, poiché ad un certo punto i “dati ottici” devono comunque essere convertiti per lavorare su circuiti elettronici. Utilizzando materiali “normali”, questa conversione si traduce in una enorme perdita di tempo. Le alte velocità dei circuiti al grafene invece potrebbero riuscire a colmare gran parte delle latenze, garantendo alte velocità anche nei punti di scambio.
Le potenzialità per diventare il sostituto ideale del silicio ci sono tutte, ovviamente per arrivare alla fase di sviluppo saranno necessari ancora anni di ricerca, ma questo è normale, avviene per ogni nuova tecnologia “rivoluzionaria” che si sviluppa. La parte più difficile però sembra essere superata, ovvero quella di trovare la strada giusta, per il resto basta camminare ancora e ancora.
Ma grafene non vuol dire solo CPU: con questo straordinario materiale si sta lavorando (in termini di ricerca) per la realizzazione di memorie sempre più capienti e veloci, per non parlare delle batterie, che sono a tutti gli effetti la rogna maggiore dei produttori di dispositivi mobile.
Altro settore dove trova posto questo materiale sono le telecomunicazioni: tutti i vantaggi portati dalle comunicazioni ottiche vengono ad annullarsi se le si utilizzano per brevi distanze, poiché ad un certo punto i “dati ottici” devono comunque essere convertiti per lavorare su circuiti elettronici. Utilizzando materiali “normali”, questa conversione si traduce in una enorme perdita di tempo. Le alte velocità dei circuiti al grafene invece potrebbero riuscire a colmare gran parte delle latenze, garantendo alte velocità anche nei punti di scambio.
Le potenzialità per diventare il sostituto ideale del silicio ci sono tutte, ovviamente per arrivare alla fase di sviluppo saranno necessari ancora anni di ricerca, ma questo è normale, avviene per ogni nuova tecnologia “rivoluzionaria” che si sviluppa. La parte più difficile però sembra essere superata, ovvero quella di trovare la strada giusta, per il resto basta camminare ancora e ancora.
*La maggior parte del tempo impiegato da un elaboratore nel
processare dati, viene “sprecato” per il trasporto dell'informazione attraverso
i BUS.
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