Quello che tutti abbiamo, ma non sappiamo di avere (a miliardi)

Probabilmente le parole "Field Effect Transistor" non vi diranno molto a primo impatto (a meno che non siate dei fanatici di elettronica come me), eppure vi stupirà sapere che ne usate continuamente, nell'ordine di milioni per volta. Tenterò di spiegare in modo semplice e comprensibile a tutti cosa sono sono i FET, come saranno nel futuro e perché sono la chiave di sviluppo della tecnologia negli anni a venire.

Fonte: The Nanosheet Transistor Is the Next (and Maybe Last) Step in Moore’s Law, Peide Ye, Thomas Ernst and Mukesh V. Khare, 2019

Per qualsiasi disciplina si può individuare una base, il punto di partenza, il mattoncino elementare. Quell'elemento su cui viene sviluppato tutto il resto. Per l'elettronica esso prende il nome di transistor. Si tratta di un dispositivo inventato nel 1947 da tre fisici americani John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley. Si può pensarlo come un interruttore che a seconda di un comando può risultare aperto o chiuso (e quindi permettere o meno un flusso di corrente). Un semplice concetto di funzionamento quindi, che però ha portato alla Rivoluzione Digitale, trasformando le vite di tutti noi per sempre. Infatti ben presto ci si accorse che questo genere di dispositivi poteva essere impiegato per eseguire operazioni elementari. Inoltre è risultato subito chiaro che all'aumentare del numero di dispositivi impiegati, aumentasse di conseguenza il numero di operazioni elementari eseguibili (attenzione la complessità di tali operazioni rimane invariata, ciò che cambia è solamente il volume). La ricerca ha dunque preso velocemente la via della creazione di architetture con un numero sempre maggiore di transistor. La legge di Moore, formulata nel 1965, stabilisce una previsione stimata nel raddoppio del numero di transistor nelle architetture ogni 18 mesi. Ora si può discutere sul fatto che questa previsione si sia rispecchiata negli anni o meno, tuttavia qui è stata riportata per rimarcare il trend generale all'aumento del numero di transistor.

Conseguentemente a questo fenomeno di crescita tuttavia risulta evidente la necessità di uno sviluppo in senso opposto per quanto riguarda la dimensione dei transistor. Il primo transistor misurava diversi centimetri in grandezza. Intuitivamente, pensare di creare una architettura con 10.000 transistor di quelle dimensioni risulta infattibile. La dimensione doveva andare di pari passo, e volgere in senso opposto, rispetto al numero di transistor impiegati. Così una nuova branca della microelettronica chiamata "scaling" nacque e contribuì allo sviluppo generale della tecnologia. Lo scaling si occupa di tutte le questioni e implicazioni riguardanti la miniaturizzazione di un componente (disciplina che ho scoperto essere, con stupore, molto complessa e articolata).

Il settore produttivo di semiconduttori (materiale con cui il transistor è per la maggior parte composto) e microelettronica ad oggi è una delle industrie più potenti a livello globale. L'elettronica ai giorni nostri è ovunque e chiunque possiede più dispositivi a semiconduttore. All'interno di computer, smartphones, smart-TVs e automobili per esempio troviamo processori, architetture costituite da transistor. In ognuna ci sono all'interno milioni di questi piccoli interruttori, che processano una enorme mole di dati ed eseguono una grande quantità di calcoli in brevissimo tempo. All'interno di un computer di nuova generazione troviamo solitamente centinaia di milioni di transistor. Potete immaginare quanto devono essere piccoli per essere contenuti in un chip di pochi centimetri quadrati. Ovviamente in base alla tecnologia adottata per la costruzione si hanno dimensioni diverse. Per dare un'idea: attualmente un transistor ha una misura dell'ordine di 10nm (0,00001mm). Notabile il fatto che sia una dimensione comparabile con la larghezza del DNA (che è da 2,2nm a 2,6nm).

Ora se ci si ferma qualche secondo a riflettere su quest'ultima affermazione si comprende quanto sia incredibile tutto ciò. Dopo 100 anni dalla creazione della meccanica quantistica, si riesce a sfruttarla per modificare la fisica dei materiali, fino ad un grado di precisione mai ottenuto prima. E' strabiliante pensare che ora è possibile (ed è già impiegato in produzioni commerciali) creare e gestire strati di materiale di spessore atomico (1 o pochi atomi!!). Tuttavia il rimpicciolimento dei dispositivi deve fare fronte non solo alla difficoltà di produzione, ma soprattutto alla grande quantità di fenomeni nuovi che compaiono quando si vuole fare ciò. Effettivamente "gli elementi frenanti" dello sviluppo (e quindi la miniaturizzazione) dei dispositivi a semiconduttore ad oggi sono questi fenomeni imprevisti e deleteri che si creano quando una certa soglia viene superata. Per evitarli talvolta si stravolge, anche completamente, la struttura di un dispositivo che funzionava ottimamente, ma che ora risulta troppo "grande". Quello che vedete in figura è un'innovativa e sperimentale tipologia di FET, che utilizza una struttura che potenzialmente permette la miniaturizzazione fino a 3nm. Questa tecnologia è in via di sviluppo e si prevede verrà utilizzata in dispositivi commerciali (ad esempio applicazioni 6G) negli anni a venire.

La conclusione di questo articolo vuole portare il lettore a riflettere sull'enorme progresso della tecnologia e della scienza negli ultimi 50 anni. Si prevede che questo trend tenderà a restare costante nell'immediato futuro. Tuttavia una previsione di lungo termine evidenza un drastico calo nell'aumento di prestazioni (la legge di Moore non sarà più valida), ma come la storia ci insegna è molto probabile che a quel punto avremo già inventato una tecnologia tutta nuova, che ci permetterà di raggiungere traguardi sempre più estremi.

La voglia di scrivere questo articolo proviene dalla consapevolezza che oggigiorno chiunque utilizza quotidianamente la tecnologia, ma non ne conosce per nulla il funzionamento. A mio avviso la microelettronica è una delle scienze più intriganti ed affascinanti, che ho scoperto solo recentemente in un corso universitario e prevedo rafforzerò in futuro. Questi argomenti vengono trattati ampiamente in riviste specializzate e articoli di ricerca, ma la massa ne è tagliata fuori perché non possiede le competenze sufficienti alla comprensione. Ritengo dovrebbe essere dato più spazio alla divulgazione di questi argomenti e fornire più basi nelle scuole, cosicché un adolescente possa rimanere affascinato dalla disciplina e capire la sua strada. Il futuro sarà inevitabilmente tecnologia: non vorrete rimanerne estranei?! 

Elia Vignoli, 02/2021