Negli anni sono state proposte molte alternative a questo materiale, ma le alternative più promettenti, legate prevalentemente al campo informatico, non sembrano ancora in grado di muoversi autonomamente.
di Lakshmi Chandrasekaran
Quando fu creato il primo transistor, nel 1947, pochi avrebbero potuto immaginare l’impatto di questo interruttore che si trova nel cuore dei chip logici. Dobbiamo ringraziare il silicio per i progressi dell’informatica. Se si aggiunge un pizzico di impurità all’elemento, il silicio forma un materiale quasi ideale per i transistor nei chip dei computer.
Per più di cinque decenni, gli ingegneri hanno ridotto più e più volte i transistor a base di silicio, creando computer progressivamente più piccoli, più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico. Ma la lunga serie di vittorie tecnologiche – e la miniaturizzazione che l’ha resa possibile – non possono durare per sempre. “C’è bisogno di una tecnologia per battere il silicio, perché siamo al limite”, afferma Nicholas Malaya, uno scienziato computazionale di AMD, in California.
Quale potrebbe essere questa tecnologia successiva? Negli ultimi 50 anni non sono mancati gli approcci informatici alternativi proposti. Ne ricordiamo cinque dei più memorabili. Tutti hanno suscitato clamore, solo per essere travolti dal silicio. Ma forse c’è ancora speranza per loro.
Spintronica
I chip dei computer sono costruiti attorno a strategie per controllare il flusso di elettroni, o meglio la loro carica. Oltre a questa, tuttavia, gli elettroni hanno anche un momento angolare, o spin, che può essere manipolato con campi magnetici. La spintronica è emersa negli anni 1980, con l’idea che lo spin può essere utilizzato per rappresentare i bit: una direzione potrebbe rappresentare 1 e l’altra 0 .
In teoria, i transistor spintronici possono essere ridotti, consentendo chip densamente imballati. Ma in pratica è stata dura trovare le sostanze giuste per costruirli. I ricercatori affermano che molti aspetti dei materiali di base devono ancora essere elaborati. Tuttavia, le tecnologie spintroniche sono state commercializzate in alcune aree molto specifiche, afferma Gregory Fuchs, fisico applicato della Cornell University di Ithaca, a New York.
Finora, il più grande successo per la spintronica è stata la memoria non volatile, che impedisce la perdita di dati in caso di interruzione di corrente. La STT-RAM (per “memoria ad accesso casuale di coppia di trasferimento di spin”) è in produzione dal 2012 e si ritrova nelle strutture di archiviazione cloud.
Memristori
L’elettronica classica si basa su tre componenti: condensatore, resistore e induttore. Nel 1971, l’ingegnere elettrico Leon Chua teorizzò un quarto componente che chiamò memristore, per “resistore di memoria”. Nel 2008, i ricercatori della Hewlett-Packard hanno sviluppato il primo memristore, utilizzando il biossido di titanio.
In teoria i memristori possono essere usati sia per la memoria che per la logica. I dispositivi “ricordano” l’ultima tensione applicata, quindi conservano le informazioni anche se spenti. Differiscono anche dai normali resistori in quanto la loro resistenza può cambiare a seconda della quantità di tensione applicata. Tale modulazione può essere utilizzata per eseguire operazioni logiche. Se eseguite all’interno della memoria di un computer, tali operazioni possono ridurre la quantità di dati da trasferire tra la memoria e il processore.
I memristori hanno fatto il loro debutto commerciale come memoria non volatile, chiamata RRAM o ReRAM, per “memoria ad accesso casuale resistivo”. Ma il campo si è sviluppato ulteriormente. Nel 2019, i ricercatori hanno sviluppato un chip da 5.832 memristori che può essere utilizzato per l’intelligenza artificiale.
Nanotubi di carbonio
Il carbonio non è un semiconduttore ideale, ma nelle giuste condizioni può essere utilizzato per formare nanotubi eccellenti. I nanotubi di carbonio sono stati trasformati per la prima volta in transistor nei primi anni 2000 e gli studi hanno dimostrato che potrebbero essere 10 volte più efficienti dal punto di vista energetico del silicio.
In effetti, dei cinque transistor alternativi discussi qui, i nanotubi di carbonio potrebbero essere i più lontani a venire. Nel 2013, i ricercatori di Stanford hanno costruito il primo computer funzionale al mondo alimentato interamente da transistor a nanotubi di carbonio, anche se semplice. Il problema è che i nanotubi di carbonio tendono a rotolare in piccole palline e ad ammassarsi come spaghetti.
Inoltre, i metodi di sintesi più convenzionali creano semiconduttori e nanotubi metallici in un mix disordinato. Gli scienziati e gli ingegneri dei materiali hanno cercato modi per correggere e aggirare queste imperfezioni. Nel 2019, i ricercatori del MIT hanno utilizzato tecniche avanzate per produrre un microprocessore a 16 bit con oltre 14.000 transistor a nanotubi di carbonio. È ancora lontano da un chip di silicio con milioni o miliardi di transistor, ma è comunque un progresso.
Computer a DNA
Nel 1994, Leonard Adleman, un informatico della University of Southern California, a Los Angeles, ha creato un computer con una zuppa di DNA. Dimostrò che il DNA poteva autoassemblarsi in una provetta per esplorare tutti i possibili percorsi nel famoso problema del “commesso viaggiatore”. Gli esperti hanno predetto che il calcolo del DNA avrebbe battuto la tecnologia basata sul silicio, in particolare con il calcolo massicciamente parallelo. Successivamente, i ricercatori hanno concluso che il computer a DNA non è abbastanza veloce per farlo.
Ma il DNA ha alcuni vantaggi. I ricercatori hanno dimostrato che è possibile codificare poesie, GIF e filmati digitali nelle molecole. La densità potenziale è sbalorditiva. Tutti i dati digitali del mondo potrebbero essere archiviati in una tazza da caffè piena di DNA, secondo i bioingegneri del MIT in un articolo all’inizio di quest’anno. Il problema è il costo: uno degli autori in seguito ha affermato che la sintesi del DNA dovrebbe essere di sei ordini di grandezza più economica per competere con il nastro magnetico. Se i ricercatori non riescono a ridurre i costi di conservazione del DNA, difficilmente il settore andrà avanti.
Elettronica molecolare
È una prospettiva avvincente: i transistor continuano a diventare sempre più piccoli, quindi perché non fare un salto in avanti e ricavarli dalle singole molecole? Gli interruttori su scala nanometrica renderebbero un chip estremamente conveniente e densamente imballato. I chip potrebbero persino essere in grado di assemblarsi grazie alle interazioni tra le molecole. Hewlett-Packard e altri nei primi anni 2000 hanno gareggiato per far funzionare insieme chimica ed elettronica.
Ma dopo decenni di lavoro, il sogno dell’elettronica molecolare rimane tale. I ricercatori hanno scoperto che le singole molecole possono funzionare come transistor solo in condizioni molto ristrette. “Nessuno ha dimostrato come i dispositivi a singola molecola possano essere integrati in modo affidabile nella microelettronica massicciamente parallela”, afferma Richard McCreery, un chimico dell’Università dell’Alberta.
Le prospettive future sono in gran parte relegate nei laboratori di chimica e fisica, dove i ricercatori continuano a lavorare senza sosta sulle molecole.
Quale futuro?
Il silicio regna ancora supremo, ma il tempo stringe per il semiconduttore preferito da tutti. L’ultima International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) indica che i transistor dovrebbero smettere di ridursi dopo il 2028 e che i circuiti integrati dovranno essere impilati in tre dimensioni per continuare a rendere possibili chip più veloci ed efficienti.
Questo potrebbe essere il momento in cui altri dispositivi informatici trovano uno spazio, ma solo in combinazione con la tecnologia al silicio. I ricercatori stanno esplorando approcci ibridi per produrre chip. Nel 2017, i ricercatori che avevano compiuto progressi con i transistor a nanotubi di carbonio li hanno integrati con strati di memristori non volatili e dispositivi al silicio, un prototipo per migliorare la velocità e il consumo di energia nell’informatica allontanandosi dall’architettura tradizionale.
I classici chip a base di silicio faranno ancora dei progressi, afferma Malaya di AMD, “ma il futuro sarà eterogeneo e tutte le tecnologie verranno utilizzate probabilmente in modo complementare all’informatica tradizionale”.
Lakshmi Chandrasekaran è una scrittrice scientifica freelance con sede a Chicago.
Immagine: Spintronica
(rp)
