Nanoelettronica e numeri primi

Per continuare la riflessione del post "Numeri primi ed il crivello di Eratostene", si vuole evidenziare come la matematica dei numeri primi e la nanoelettronica possano coesistere in un ambito di multidisciplinarità.
I numeri primi sono dunque infiniti, ma come possiamo determinarli?
Esiste un algoritmo in grado di generare i numeri primi?
Come possiamo stabilire se un dato numero è primo?
Nel corso dei secoli sono stati fatti numerosi tentativi per determinare un algoritmo capace di generare solo numeri primi, e sono state fatte numerose congetture sulla primalità dei numeri appartenenti a determinate classi, alcune di queste congetture sono state in seguito smentite, altre sono ancora da dimostrare.

Per calcolare numeri primi sempre più grandi (ad oggi il più grande numero primo scoperto è composto da 6.320.430 cifre e la cui scrittura occuperebbe ben 20 chilometri),occorono sistemi di calcolo complessi come lo sono i supercomputer, che per aumentare la loro potenza di calcolo, devono affidarsi sempre di più alle logiche progettuali della nanoelettronica.
Un altro contesto multidisciplinare in cui l'infinito e l'ultrapiccolo si aiutano vicendevolmente per svelare i segreti dell'universo.



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Moore's Law e Dally's Law

La “legge di Moore”, intuizione straordinaria per longevità, ha beneficiato durante la sua vita, di diversi lifting.
Se nel 1964 si poteva parlare di “raddoppio” ogni 12 mesi, poi “si è detto” 18 mesi ora si è passati a parlare di 24 o forse 30 mesi.
Secondo il suo stesso scopritore la legge di Moore potrebbe rimanere valida per un’altra ventina di anni, solo nel 2017/18 verranno raggiunti i limiti fisici delle attuali tecnologie, pertanto per proseguire ulteriormente nei raddoppi bisognerà inventare qualcos’altro, come i chip biologici, o quelli a effetto quantico.
Oggi però si sta affermando un'altra leggenda, quella di Dally che dice:
"Possiamo aumentare il numero dei transistor e dei core di quattro volte ogni tre anni. Facendo lavorare ogni core leggermente più lentamente e perciò in maniera più efficiente, possiamo più che triplicare le prestazioni mantenendo lo stesso consumo totale".
Passa il tempo ma le leggende sullo scaling rimangono.

Nanoelettronica: molibdenite meglio del grafene

Fonte immagine: http://www.minerva.unito.it/chimica&industria/Sistemaperiodico/Immagini/Molibdeno/Molibdenite.gif




La molibdenite, o MoS2, è un semiconduttore che nella nanoelettronica potrebbe rivelarsi molto più efficace del grafene.
Questo semiconduttore può essere usato per costruire transistor che consumano 100.000volte meno di energia in condizioni di standby rispetto ai tradizionali transistor al silicio.
La molibdenite ha una banda proibita di 1,8 elettronvolt, il che la rende ideale per accendere e spegnere i transistor, dandone un decisivo vantaggio rispetto al grafene, che non ha una banda proibita nel suo stato originario.

SCHEDA DEL MINERALE MOLIBDENITE:

- MoS2 -
CLASSE MINERALOGICA: Solfuro
GRUPPO: Dimetrico
SISTEMA: Esagonale
GRUPPO SPAZIALE: P63/mmc
GEMINAZIONE:
ABITO: Cristalli tabulari esagonali dipiramidali. Ha una struttura a strati formati da prismi trigonali. Si presenta raramente in piccoli cristalli; più spesso in scaglie e aggregati lamellari
DUREZZA: 1 - 1,5
PESO SPECIFICO: 5
INDICE DI RIFRAZIONE:
COLORE: Grigio, grigio-blu, grigio piombo, nero.
LUCENTEZZA: Metallico
TRASPARENZA: Opaco
SFALDATURA: {0001} perfetto
STRISCIO: Grigio-blu, grigio-verde
FRATTURA: A scaglie, tipo Grafite.
PLEOCROISMO: Molto forte.
GENESI: Si rinviene in pegmatiti, in rocce granitiche e nei giacimenti di ferro e solfuri (Porphyry type).
GIACIMENTI: Ha una vasta diffusione mondiale; i principali giacimenti sono però in Colorado (Climax), Canada (Ontario), Inghilterra (Cornovaglia), Svezia, Norvegia e Lapponia.
CENNI STORICI: Il nome fu dato nel 1807 e deriva dal greco molybdos=piombo poichè all'inizio ci fu un po' di confusione tra piombo, molibdenite ed anche grafite. L'importanza di questo minerale ha seguito negli anni quella dell'elemento molibdeno sul mercato industriale
ALTRE CARATTERISTICHE ED UTILIZZO: Nell'industria dell'acciaio, dell'elettronica e della chimica. È un eccezionale lubrificante secco, attivo anche a temperature estremamente basse, sotto forma di polvere impalpabile. Ha la caratteristica di formare depositi pulverulenti di spessore submicroscopico che conservano intatto il potere lubrificante. Viene anche usato come additivo a grassi lubrificanti per ottenere prestazioni elevate a basse temperature.




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Intel gioca sulla leggenda di Moore

La legge di Moore è un assioma del settore elettronico in cui si afferma che il numero di transistor su un chip sarà circa il doppio ogni 18 mesi.
Per la precisione, nel 1965, Moore ipotizzò che le prestazioni dei microprocessori sarebbero raddoppiate ogni 24 mesi circa. Questa previsione si rivelò corretta per tutti gli anni ottanta. La legge, che verrà estesa per tutti gli anni novanta e resterà valida fino ai nostri giorni, viene riformulata alla fine degli anni ottanta ed elaborata nella sua forma definitiva, ovvero che le prestazione dei processori raddoppiano ogni 18 mesi.
In questo video, si evidenzia quanti hanno da tempo previsto la fine della Legge di Moore e di come la stessa continui a resistere, anche quando Intel ha iniziato a commercializzare i suoi primi transistor a 45 nm.





Fonte video: You tube ( channelintel )


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PROGRAMMA CORNET II PROVE DI MECCATRONICA AVANZATA

CORNET II (COLLECTIVE RESEARCH NETWORK) è un progetto che coinvolge la ATI composta da Confindustria Perugia-Spoleto e Confindustria Terni, che avrà il compito di coordinare il progetto sia a livello nazionale che internazionale, il Dipartimento di Ingegneria Elettronica e Informatica che garantirà la realizzazione delle attività di ricerca, e Umbria Innovazione che ha supportato la costituende ATI nella progettazione, operando nella gestione delle attività progettuali di trasferimento tec¬nologico e ricoprendo il ruolo di facilitatore per le azioni inerenti lo sfruttamento dei risultati.
Nel progetto il partner internazionale è rappresentato da RTC, un’organizzazione no-profit, fondata nel 2000 da aziende automobilistiche in Slovenia.
RTC con i suoi 50 anni di esperienza nell’industria automobilistica unitamente ad una rete consolidata di fornitori ed istituti di ricerca specializzati, propone, sviluppa, progetta e produce prototipi se¬condo le esigenze del cliente.
La RTC offre servizi nel campo della ricerca e dello sviluppo, mettendo in contatto le aziende su vari progetti.
L’azienda focalizza la sua attenzione tecnologica sul settore dello svi¬luppo automobilistico ed affini come le scienze informatiche, l’elettronica, l’economia e la gestione aziendale.
Gli ambiti di ricaduta per le applicazioni sviluppate nel progetto coinvolgono tutti i settori industriali di produzione della componentistica, in particolare nei settori della produzione di motori elettrici ed azionamenti di potenza, di elettronica digitale e sensoristica avanzata ( meccatronica), di sistemi di visione artificiale, di meccanica di precisione, per arrivare ad applicazioni di automotive ibride e PHV (veicoli elettrici).

William Dally celebra il funerale della legge di Moore

La “legge di Moore” non è una legge, in altre parole non è un principio scientifico che abbia conferma nell’osservazione dei fenomeni, ma è una affermazione trattata universalmente come “verità rivelata” e continuamente ripetuta senza verificarne la rigorosa attendibilità.
La prima legge di Moore, che verrà estesa per tutti gli anni novanta e resterà valida fino ai nostri giorni, afferma che le prestazione dei processori raddoppiano ogni 18 mesi.
William Dally chief scientist e vice-presidente di NVIDIA, avvalora l’ ipotesi secondo cui la legge di Moore non sarebbe più valida se solo si cambiasse in modo sostanziale le progettazioni dei processori della famiglia x86.
Si apre in questo modo un confronto serrato tra la INTEL e la NVIDIA, quest’ultima famosa per le sue GPU (Graphic Processing Unit) che potrebbero rivelarsi l’alternativa tecnologica alla architettura x86.
Sicuramente nei prossimi anni la nanoelettronica sarà arbitro imparziale nel decretare o meno il funerale della legge di Moore.

iPad fratello maggiore dell’iPod touch

Molti esperti di telefonia mobile dichiarano che l’iPad è un iPod Touch un po’ più grande come dimensioni, con poche e quasi insignificanti differenze di hardware.
Altri autorevoli commentatori hanno definito l’iPad come una batteria gigante con una piccola scheda incorporata, cercando di convincere il mercato che l’ultima novità Apple è un iPod Touch con dimensioni maggiori.
L’ iPod Touch è stato presentato ufficialmente da Steve Jobs il 5 settembre 2007, ad un evento Apple intitolato "The beats goes on", ed è un palmare, spesso utilizzato come lettore di media digitali, composto da memoria flash di 8, 16, 32 o 64 GB.
Ricordo didatticamente che la memoria flash è una memoria a semi-conduttori, non volatile e riscrivibile, in altre parole una memoria che mantiene integri i suoi dati anche se viene sospesa l’alimentazione elettrica.
Quindi la memoria flash è una tipologia di EEPROM, che per le sue prestazioni può anche essere usata come memoria a lettura-scrittura, in quanto immagazzina i bit in cellule di memoria, e i suoi dati rimangono conservati in memoria anche quando l'alimentazione elettrica è interrotta.
Approfondiamo di più l’argomento flash memory, considerando le memorie di tipo NOR.
In questa tipologia di memoria ogni cella è simile ad un MOSFET con due gate, dove il primo è CG (Control Gate) mentre il secondo è chiamato Floating Gate (FG).
Il floating gate si trova tra il CG e il substrato ed è completamente isolato da uno strato di ossido . Poiché il FG è isolato, ogni elettrone che gli passa sopra viene intrappolato, permettendo così di conservare il bit di informazione. Quando gli elettroni si posizionano sul FG, influenzano la tensione di soglia (Vt) della cella, di conseguenza durante un'operazione di lettura, quando si applica una tensione sul CG, la corrente passa in funzione della Vt della cella che è determinata dal numero di elettroni presenti sul FG.
Il valore del bit memorizzato dipende dalla presenza o assenza della corrente sopra descritta, che viene espressa in una sequenza binaria.

L’accelerometro cambia la telefonia mobile

Il principio di funzionamento di un accelerometro si basa sulla rilevazione dell’inerzia di una massa quando la stessa è sottoposta ad una accelerazione, in pratica un elemento elastico tiene sospesa la massa in questione, mentre un trasduttore ne rileva lo spostamento rispetto alla struttura fissa del dispositivo.
La massa, quando si verifica un’accelerazione, si sposta dalla propria posizione di riposo proporzionalmente all’accelerazione ricevuta, in seguito un trasduttore trasforma questo spostamento in un segnale elettrico acquisibile dai moderni sistemi hardware che caratterizzano gli iPhone o l’ ultimissimo iPad.
Alcuni accelerometri miniaturizzati che sono utilizzati come inclinometri, si ritrovano in apparecchi portatili allo scopo di ruotare automaticamente l'orientamento della visualizzazione sul display, a seconda che il device sia posto in orizzontale o verticale. Anche i gamepad di alcune console giochi hanno la stessa tecnologia, permettendo, con la sola inclinazione dei medesimi, di comandare lo svolgimento dei giochi.
L’importanza di questo componente nello sviluppo della telefonia mobile è evidenziata dalle possibili conseguenze legali che potrebbero investire la misteriosa e sconosciuta società Durham Holdings LLC che ha brevettato l’accelerometro per PDA e telefoni cellulari, e la Apple che ha brevettato un accelerometro similare solo nell’ottobre del 2007, ovvero circa un anno dopo la pubblicazione da parte della Durham.
Nel video sotto riportato è possibile vedere un’applicazione dell’accelerometro nei sistemi di telefonia mobile.



Fonte video: http://www.youtube.com/watch?v=lgNDLmzPeqM

Scoppierà la iPad-mania?

Apple, l'azienda di Cupertino, comunica di aver venduto oltre 300mila iPad durante il primo giorno di vendita.
Vediamo alcune specifiche del iPad:

1. Peso di circa 600 grammi e spessore di mezzo pollice.
2. Batteria che può arrivare a 10 ore di funzionamento (fino ad un mese in standby).
3. Accelerometro, per essere utilizzato in orizzontale e verticale ( come si vede nel video).
4. Schermo multitouch simile a quello dell’ iPhone, con un display da 9.7 pollici avente una risoluzione di 1024 x 768 pixel.
5. Processore Apple A4 da 1-GH.
6. Memoria flash da 16-GB fino a 64-GB.
7. Speaker e microfono.
8. Avviamento le applicazioni di iPhone.
9. Avviamento giochi dedicati.
10. Connettività Wi-Fi e Bluetooth.
11. Funzionalità tipiche degli eBook.

Ai punti 3 e 6 si parla rispettivamente di accelerometro e memorie flash, due componenti nati e sviluppati dalla ricerca della nanoelettronica.




Fonte video: http://www.youtube.com/watch?v=lhKhN_91IAc

E.N.I.A.C. - gli acronimi a volte ritornano

Per automa di Turing si definisce un insieme di regole che determinano il comportamento di una macchina su un nastro di Input-Output, ovvero di lettura e scrittura. Da quanto esposto, quindi, una macchina di Turing può essere considerata, in grandi linee, come un registratore a nastro che utilizzi una testina di lettura, scrittura e cancellazione. La stessa testina deve avere un indicatore che possa determinare, per ogni passaggio di calcolo, lo stato in cui si trova la macchina mentre sta leggendo il simbolo corrispondente alla cella del nastro sulla quale è posizionata. Il know-how necessario per costruire questo tipo di macchine di calcolo universali che traducevano in realtà la macchina universale di Alan Turing fu raggiunto dall’industria elettronica subito dopo la fine della II guerra mondiale.
In particolare il 16 Febbraio 1946, fu presentato l’Eniac (Electronic Numerical Integrator And Computer), il primo calcolatore elettronico della storia, ponendo in questo modo fine all’epoca dei calcolatori meccanici e introducendo la prima generazione di computer. Per il suo funzionamento servivano ben 18000 valvole termoioniche che a causa dell’elevato calore prodotto dovevano essere sostituite ogni 2 minuti della loro attività.
Questo pantagruelico sistema informatico pesava 30 tonnellate ed era costituito da 42 pannelli posti su tre pareti, la sua memoria poteva contenere 20 numeri di 10 cifre e per le operazioni di input venivano utilizzate le schede perforate, il tutto in 180 metri quadrati di superficie.
Il primo esemplare funzionante di computer era in grado di riconoscere il segno di un numero, poteva confrontare il valore di due o più numeri tra loro, ed aveva la capacità di eseguire le operazioni di addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione e radice quadrata.
In ogni modo, qualche anno prima della costruzione in laboratorio del primo transistor, con l’acronimo ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) si considerava il primo computer elettronico della storia.
Ricordo che la ricerca tecnologica per sostituire le valvole termoioniche con un dispositivo più piccolo, dai costi di produzione più bassi ed energeticamente più efficiente, era iniziata già dagli anni trenta e si concluse nel 1947 con l’invenzione del transistor, che per almeno un decennio fu costruito come singolo componente elettronico usando il semiconduttore germanio.
Così come alla fine degli anni quaranta l'attività dell'ENIAC, era interessata al calcolo delle traiettorie balistiche che questo primitivo computer poteva eseguire in svariate situazioni, trovando le opportune soluzioni numeriche di alcune equazioni differenziali correlate, anche nel primo decennio del nuovo millennio ritorna l’acronimo ENIAC, con un altro significato letterale, valido per diversi obiettivi strategici.
ENIAC, al giorno di oggi, è una sigla che sta per European nanoelectronics initiative advisory council, e rappresenta un tavolo di consultazione attorno al quale si confrontano dodici dei maggiori esperti nei comparti scientifici e finanziari interessati alla nanotecnologia.
Questo tavolo di consultazione ha per obiettivo il prossimo livello di miniaturizzazione richiesto per superare la barriera che separa la microelettronica della nanoelettronica, vista la tendenza di raggruppare un numero crescente di funzioni integrate in semplici prodotti commerciali. Questa tecnologia aprirà nuove prospettive nei settori della comunicazione e dell’informatica, con l’introduzione di MEMS in ogni oggetto di uso comune, nei trasporti attraverso l’elettronica integrata per la guida assistita, consentendo una maggiore autonomia dei veicoli ed un controllo più sicuro ed efficace della circolazione stradale, nella salute grazie a nuovi tipi di cure mediche che rendono più comodi i trattamenti a domicilio e che permettono una diagnosi precoce delle malattie.
Inoltre si avranno importanti vantaggi tecnologici nella gestione energetica e ambientale con la costruzione di edifici intelligenti che controlleranno e ridurranno il loro consumo energetico, nella progettazione di piccoli dispositivi intelligenti messi in rete per monitorare e gestire l’inquinamento e i rischi ambientali, e nel settore della sicurezza e del divertimento.
In altre parole la nanoelettronica dovrà costituire un settore strategico per l'Europa, perché offre ed offrirà nel medio termine la possibilità di creare un numero importante di nuove figure professionali altamente specializzate, creando un impulso alla crescita e alla competitività in molti altri settori industriali.
Questa impresa comune mira a promuovere la collaborazione e il coordinamento di sforzi comunitari e nazionali, pubblici e privati, per sostenere la R&S e gli investimenti, attraverso questa concentrazione di intenti si arriverà ad assicurare un migliore sfruttamento dei risultati, infatti, tra il 2008 e il 2013 oltre la metà dei finanziamenti previsti per la ricerca nel campo della nanoelettronica saranno messi subito a disposizione delle imprese. L’obiettivo finale auspicabile si basa sul fatto che ogni euro investito dall’Unione europea dovrebbe generare quasi 8 euro per la ricerca con un importante ritorno finanziario.
Possiamo evidenziare in conclusione, che alla vigilia di un cambiamento tecnologico, come quello dalle valvole termoioniche al transistor, così come quello dalla microelettronica alla nanoelettronica, a volte gli acronimi ritornano.

Grafene più “silenzioso” del silicio

La prima distinzione necessaria da fare, in un circuito elettrico, è quella tra rumore e disturbo, per rumore solitamente si intende l’insieme dei segnali di origine interna, mentre i disturbi sono i segnali che provengono dall'esterno. Secondo quanto definito nel dizionario del IEEE ( Institute of Electrical and Electronic Engineers), il rumore in un sistema elettrico si può considerare come l’insieme di tutte le perturbazioni indesiderate che si sovrappongono al segnale utile e tendono a mascherarne il contenuto. Quindi in elettronica per rumore spesso si indica l’agitazione che hanno gli atomi e gli elettroni a causa della agitazione termica, dell’intrappolamento e del rilassamento dei portatori.
In modo analogo a livello macroscopico il rumore dei sistemi elettrici può essere rappresentato, per far comprendere meglio il fenomeno, dalle bolle generate in un becher pieno d’acqua posto sopra un fornello. Infatti, appena il fornello è acceso si nota l'appannamento del becher, dopo pochi minuti l'appannamento scompare e la temperatura dell'acqua sale, all’inizio in modo regolare, poi più lentamente finché, raggiunti i 100 °C, si stabilizza mentre l'acqua comincia a bollire vigorosamente.
Tornando all’elettronica, si può dire che la sorgente di rumore più comune nei dispositivi elettronici è il rumore termico, questo è intrinseco in ogni elemento dissipativo, come ad esempio il resistore, che si trova ad una temperatura diversa dallo zero assoluto. Si è soliti intendere, per convenzione, come rumore interno solo quello termico, poiché questo ultimo è la principale sorgente del rumore interno. In realtà in elettronica si considerano altri rumori come, ad esempio, il rumore shot prodotto dai portatori di carica quando attraversano una barriera di potenziale come nelle giunzioni p-n. Dal punto di vista pratico e funzionale il rumore presente nei circuiti elettronici limita la massima risoluzione strumentale del sistema in cui essi sono inseriti, come succede nel caso di elevati livelli di rumore, al suono distorto di un altoparlante, o al degrado di un’immagine di un sistema televisivo.
I transistor moderni, che compongono la quasi totalità dei sistemi elettronici, sono divisi in due categorie principali i transistor bipolari (BJT) e i transistor ad effetto di campo (FET). Nel transistor bipolare il meccanismo di amplificazione dipende dai portatori minoritari (controllati dalla corrente o tensione di base), mentre i FET sono più semplicemente resistenze variabili controllate dal gate.
La loro progressiva riduzione dimensionale, coerente con la prima legge di Moore, spalanca le porte alle nanotecnologie nei sistemi elettronici, evidenziando nuovi problemi progettuali che possono mettere a rischio l’affidabilità stessa del componente.
Possiamo considerare il "nanoscaling" come una progressione che mette in contrapposizione due definizioni di nanotecnologia. Secondo la prima, strettamente dimensionale, è nanotecnologia ciò che produce componenti sotto i 100 nanometri o miliardesimi di metro. Per la seconda definizione, più scientifica e massimalista, la nanotecnologia è ciò che manipola componenti in modo da cambiarne le proprietà, sfruttando effetti quantistici a livello nanometrico.
In ogni caso, la corsa verso la riduzione dimensionale dei circuiti integrati è in pieno svolgimento, e con essa tutti i problemi correlati tra cui la riduzione del rumore elettrico.
Uno dei maggiori problemi legati all'uso dei sempre più ridotti componenti nanotech è la relazione inversa tra le dimensioni del dispositivo e la quantità di rumore elettrico incontrollato che viene generato, infatti, più sono ridotti nelle dimensioni, tanto più cresce il rumore.
La crescita del rumore è dovuta alle cariche elettriche che rimbalzano intorno al materiale e che causano molteplici interferenze, vanificando l'utilità del dispositivo stesso. Questo fenomeno è noto come Effetto Hooge e si verifica nei dispositivi tradizionali costituiti da silicio.
A dimensioni nanometriche, l'impatto sul rumore dell'Effetto Hooge è molto amplificato, perché le dimensioni si avvicinano a quelle di pochi atomi, e il rumore generato può essere superiore al segnale elettrico che si deve ottenere. Si può pertanto asserire che a livello nanometrico il rumore coincide con il segnale, in altre parole, non è possibile produrre alcun dispositivo elettronico, utile a dimensioni nanometriche, se il rumore è paragonabile al segnale che si sta tentando di generare.
Per risolvere questo problema i ricercatori IBM hanno scoperto che il rumore nei dispositivi semiconduttori basati sul grafene può essere quasi totalmente soppresso. Nei loro esperimenti hanno scoperto che utilizzando due fogli di grafene, posti uno sopra l'altro, al posto di un solo strato, come è stato fatto nelle progettazioni precedenti, il rumore è ridotto in modo significativo.
Questi risultati sperimentali consentiranno l’incremento dell’utilizzo del grafene al posto del silicio, per realizzare semiconduttori più efficienti da destinare alla fabbricazione di sensori, di sistemi informatici e di comunicazione.

DNA Origami aiuterà la legge di Moore.

Origami è una parola giapponese che può essere tradotta in "piegatura della carta"; questa tecnica utilizzata su scala nanometrica, consiste nel flettere, congiungere e ripiegare su se stessi, dei filamenti di DNA.
Il DNA Origami è la prima dimostrazione di un possibile utilizzo di molecole biologiche per l'industria dei semiconduttori. L’industria nanoelettronica sta affrontando difficili sfide centrate sullo sviluppo della tecnologia litografica per dimensioni inferiori ai 22 nm, esplorando obbligatoriamente nuove classi di transistori come i nanotubi al carbonio o nanofili al silicio. Un altro filone di ricerca ha pensato di usare molecole di DNA come impalcature, dette DNA origami, dove milioni di nanotubi al carbonio avrebbero la possibilità di depositarsi e assemblarsi in modelli precisi.
Il declino della legge di Moore è una convinzione che coinvolge numerose personalità del settore elettronico, che sempre più spesso mettono in discussione gli enunciati della celebre regola.
La legge di Moore, definibile più come una supposizione che non una legge scientifica, afferma che l'evoluzione elettronica porta ad un raddoppio della capacità elaborativa dei microprocessori ogni 18 mesi; ad oggi tale supposizione si è dimostrata esatta, ma con il passare del tempo lo scaling tende ad avvicinarsi sempre di più ai limiti fisici della materia, creando i presupposti per nuove sfide tecnologiche, che potrebbero consolidare l’intuizione di Moore.
Infatti, la principale tecnica impiegata per tentare di aumentare le capacità di calcolo dei microprocessori è stata quella di ridurre lo spessore dello strato di ossido che costituisce la giunzione dei transistor e di limitare al massimo lo strato isolante che divide un transistor dall'altro. Esistono, però, dei limiti dimensionali sotto ai quali non è possibile scendere senza compromettere l'effettiva funzionalità del transistor stesso.
Molti sono i pareri che questo processo produttivo, di tipo top down, non possa essere sensibilmente migliorato, e che quindi vada sostituito, determinando conseguentemente un preciso punto di criticità della tecnologia al silicio.
La nascita di nuovi problemi e nuove sfide porterà alla progettazione di innovativi sistemi tecnologici quali il DNA Origami, basato sulle sopra citate impalcature di DNA.
Queste impalcature di DNA sono formate da un filamento che spontaneamente si piega a formare un ottaedro di dimensioni nanoscopiche grande quanto altre strutture biologiche come piccoli virus e ribosomi, costituendo una specie di reticolo tridimensionale molto compatto, formato da dodici bordi, sei spigoli e otto facce triangolari.
La tecnica dei nano-origami è quella di fabbricare i cardini della struttura a partire da una coppia di strati di materiale con spaziature atomiche leggermente differenti. La mancata corrispondenza strutturale provoca una tensione meccanica che flette il cardine, determinando la piegatura spontanea del filamento.
Si è notato come tutti i dodici bordi abbiano la medesima sequenza di neuclotidi, determinando in questo modo delle strutture molto uniformi, adatte ad essere impiegate come elementi base di sistemi più complessi.
Per la cronaca, tra le prossime tecnologie studiate ed analizzate da molti esperti del settore nanoelettronico che potranno avere una crescita esponenziale, convalidando ancora i presupposti della legge di Moore, ci sono le connessioni ottiche, che aumenteranno di otto volte, rispetto ai tradizionali microcircuiti in rame, la velocità di spostamento dei dati tra i semiconduttori; e i chip 3D (quelli realizzati su tre dimensioni), capaci di sfruttare al meglio lo spazio, incrementando la densità dei circuiti, riducendo i consumi energetici ed aumentando le performance; a queste tecnologie aggiungerei anche quella, altrettanto promettente, del DNA Origami.

Grafene: un possibile futuro per l’elettronica

Il grafene è una molecola bidimensionale spessa un solo atomo, ovvero 0,35 nm, o 3,5 10-10m. Si può desumere dalla desinenza -ene che gli atomi sono ibridati e disposti in modo da formare esagoni con angoli di 120°. La presenza di imperfezioni rappresentate da pentagoni o ettagoni al posto degli esagoni deforma la sua struttura, con maggiore precisione possiamo dire che quando ci sono 12 pentagoni, si ha un fullerene, uno dei vari allotropi del carbonio, mentre in presenza di singoli pentagoni o ettagoni il grafene rivela solo alcune increspature della superficie.
La struttura cristallina di questa membrana di carbonio non è immobile ma grazie ad un impercettibile movimento oscillatorio acquista una terza dimensione che le permette di restare integra anziché frantumarsi, resistendo, così, maggiormente agli effetti del calore.
Sapendo che la frequenza operativa di un transistor è determinata dalla sua dimensione e dalla velocità con la quale gli elettroni si spostano al suo interno, si può capire per quale motivo nell'industria vi sia questa irrefrenabile corsa alla miniaturizzazione dei transistor in silicio.
Un aspetto chiave del grafene si trova nell'elevata velocità con la quale gli elettroni possono muoversi al suo interno, permettendo così la realizzazione di transistor ad elevate prestazioni.
Questo materiale, per quanto detto, è costituito da un singolo strato di atomi, tutti di carbonio che sono legati tra loro esagonalmente a nido d'ape, costituendo una specie di sottilissimo velo atomico. Proprio in virtù di questa disposizione gli elettroni possono muoversi al suo interno con estrema mobilità, spostandosi come particelle del tutto prive di massa.
Un ostacolo nella produzione di questi transistor basati sul grafene è rappresentato dal reperimento della stessa grafite, che è un minerale, in natura, molto meno presente del silicio e dall’altissima temperatura necessaria per poter modellare il grafene stesso. Si può dire di conseguenza che oggi produrre grafene in quantità e in modo riproducibile e' molto complicato.
Da qui l’idea di alcuni gruppi di ricerca che hanno pensato di ottenere grafene artificiale replicando la famosa struttura geometrica a nido d'ape in un semiconduttore all'arseniuro di gallio, creando in questo modo un semiconduttore fuori dal comune, che alle precedenti sue proprietà associa quelle straordinarie del grafene, il tutto all’interno di un materiale abitualmente usato nell'industria elettronica, facilmente lavorabile e scalabile.
Un’ altra soluzione per la produzione su larga scala del grafene si ottiene con lo sviluppo di un processo in cui un foglio di ossido di grafite è posto in una soluzione di idrazina pura, sostanza molto corrosiva, che lo riduce ad un sottilissimo strato di grafene, costituendo, di fatto, il futuro della ricerca del grafene nanoelettronico.
Un esempio di dispositivo ricavato da un singolo foglio di grafene può essere rappresentato da un “quantum dot”, ovvero una nanostruttura formata dall’inclusione di un materiale semiconduttore con una certa banda proibita all'interno di un altro semiconduttore con banda proibita più grande, costituito da quattro anelli di benzene connessi ad elettrodi di grafene, con un gate complanare che controlla il flusso di carica attraverso il circuito. Per l’utilizzazione come componente di transistor è tuttavia necessario indurre un gap fra banda di conduzione e banda di valenza, che si può ottenere drogando opportunamente il grafene oppure confinando la sua geometria, o in alternativa facendo crescere il grafene su un apposito substrato.
Queste ricerche hanno fatto ravvedere tutti i professionisti del settore elettronico che non ritenevano la legge di Moore, basata sul raddoppio ogni 18 mesi delle prestazioni dei microprocessori, ancora valida ed applicabile, poiché i transistor al silicio avrebbero ormai raggiunto la loro massima miniaturizzazione e il massimo livello di prestazioni.

Viaggio nel mondo delle memorie flash

Avere un’idea chiara su come le memorie flash ci possono aiutare ad ottimizzare l’utilizzo degli svariati dispositivi portatili è una condizione assolutamente irrinunciabile.
Le caratteristiche tecniche da osservare si possono sintetizzare in tre fattori fondamentali: la prima cosa da notare è il formato fisico, ossia le sue dimensioni, e la compatibilità con lo slot dell’apparecchio con cui la memoria si deve interfacciare. Il secondo fattore da considerare in fase di scelta è la capienza, in altre parole la quantità di dati che una memoria flash è in grado di ospitare. Il terzo aspetto è la velocità di accesso ai dati, che deve permettere al dispositivo di prelevare le informazioni nel modo più celere possibile.
Tecnicamente si distinguono due tipi di memoria flash: la NOR e la NAND.
La NOR chiamata in questo modo per via del tipo di funzione logica che utilizza nel processo di funzionamento, ha una bassa velocità di accesso alla scrittura e alla cancellazione, ma permette una localizzazione delle informazioni memorizzate di tipo random, in altre parole qualsiasi dato può essere recuperato in qualsiasi momento indipendentemente da tutti gli altri. Per queste caratteristiche le memorie flash sono perfette per l’utilizzo in casi in cui le informazioni memorizzate non devono essere continuamente aggiornate.
Se consideriamo le memorie NOR, le prime ad essere state prodotte, ogni cella è simile ad un MOSFET ma con due gate anziché uno soltanto. Uno è il solito CG (Control Gate) mentre l'altro è chiamato Floating Gate (FG), che risulta essere completamente isolato da uno strato di ossido. Il floating gate si trova tra il CG e il substrato. Poiché il FG è isolato, ogni elettrone che gli passa sopra è intrappolato permettendo così di conservare il bit di informazione.
Ricordiamo che la somma logica negata NOR si esegue su due o più variabili, l’uscita assume lo stato logico 0 se almeno una variabile di ingresso è allo stato logico 1. In tutti gli altri casi Y=1.
Le memorie flash di tipo NAND, che come le NOR prendono il nome dal tipo di operazione logica impiegata nel processo di funzionamento, sono più rapide in fase di cancellazione e scrittura, hanno una capacità di memorizzazione maggiore e un costo per byte minore rispetto alla memoria NOR. Lo svantaggio di queste memorie è che possono accedere ai dati solo in modo sequenziale, ovvero che possono recuperare l’informazione in un ordine prestabilito. Le NAND sono adatte per un impiego sulle memory card dei PC o di altri dispositivi portatili, perché non è necessaria un’estrema velocità nel recupero delle informazioni registrate.
Ricordiamo che il prodotto logico negato NAND si esegue su due o più variabili, l’uscita assume lo stato logico 0 se tutte le variabili di ingresso sono allo stato logico 1. In tutti gli altri casi Y=1.
Attualmente le memorie flash più diffuse sul mercato mondiale, per la loro semplicità ed universalità di impiego, sono le USB Flash Drive.
Queste memorie sono di tipo NAND, la loro capienza può raggiungere i 64 GB e la loro velocità i 10 MBps.
In Italia queste cartucce sono chiamate in vari modi, i più frequenti sono Pen Drive, Chiave USB, Pocket Drive, USB Drive, USB Stick, Flash Disk.
Le USB Flash Drive non sono le uniche memorie flash, ne esistono molte altre con varie caratteristiche tecniche come ad esempio: Miniature Card, SmartMedia, MultiMediaCard (MMC), RS-MMC (Reduced-Size Multi Media Card), SD (Secure Digital), MiniSD, MicroSD, Memory Stick, Compact Flash, xD-Picture Card (Extreme Digital Picture Card).
L’approfondimento delle caratteristiche tecnologiche di ognuna di queste memorie flash sopra citate saranno oggetto di prossimi articoli tematici su questo variegato mondo della nanoelettronica.

Il futuro dei PC passa anche per gli smartphone.

“Silverthorne”, è il nuovo processore mobile della multinazionale Intel di Santa Clara, destinato a costituire la base per i dispositivi UMP (Ultra Mobile Platform).
Grazie ai miglioramenti introdotti nel processo produttivo, questo processore sarà in grado di assicurare performance superiori, infatti, avrà un profilo energetico incredibilmente basso, compreso fra 0,6 e 2 watt, tutto ciò consentirà un suo impiego non solo nei dispositivi subnotebook di categoria UMP tra cui i PC ultramobili (UMPC) e i Mobile Internet Device (MID), ma anche negli smartphone.
Questo sviluppo tecnologico, imprevedibile fino a qualche tempo fa, apre scenari completamente nuovi, possiamo facilmente immaginare quali applicazioni potrebbe avere un processore così potente all'interno di un telefono cellulare.
Silverthorne avrà le dimensioni di un francobollo, grazie alla tecnologia di processo high-k metal gate a 45 nanometri, fornendo all'incirca le stesse performance di un Pentium M di prima generazione, basato su tecnologia a 90 nanometri e con un consumo medio di circa 21 watt.
Da un singolo wafer da 300 mm sarà possibile ricavare circa 2500 processori Silverthorne, grazie alla maggiore miniaturizzazione rispetto ai suoi predecessori, rendendo questi chip i più economici mai realizzati dalla multinazionale americana.
Vediamo più nel dettaglio cosa sono i subnotebook e gli smartphone.

Il Mini-portatile o Subnotebook è un computer portatile di peso e dimensioni limitati, possiede solo le capacità essenziali di un portatile ma è notevolmente meno ingombrante e più leggero. Comunemente offre uno schermo con diagonale da 26,5cm = 10.4″ o meno, e una massa da meno di 1 kg, in contrapposizione al portatile full-size che ha uno schermo da 30,5cm =12″ o 38cm = 15″ e un peso superiore a 2 kg. La misura ed il peso contenuti usualmente sono il risultato dell'omissione di porte o drive, infatti, i subnotebook possono essere spesso accoppiati con stazioni base fisse per compensare le caratteristiche mancanti.
Per smartphone generalmente si considera ogni dispositivo portatile che integra un sistema di gestione di informazioni personali e funzionalità di telefonino nello stesso apparecchio.
Questo succede aggiungendo le funzioni di cellulari ai PDA (Personal Digital Assistant) ovvero computer palmari, oppure aggiungendo funzionalità "intelligenti", come le funzioni di PDA, ad un cellulare.
Sugli smartphone opera un sistema operativo, il più comune è il Symbian, gli altri sono il Pam OS, Windows CE e sue evoluzioni, e Linux.
La funzionalità di uno smartphone è completa, infatti, si passa dal ricevitore GPS, alla connessione WiFi e Bluetooth, dalla push email (la possibilità di un apparecchio come uno smartphone o un palmare di trasferire email in tempo reale) alla connettività 3G HSDPA e HSUPA, in particolare con l’utilizzo delle tecnologie HSDPA (High Speed Downlink Packet Access ) e HSUPA (High Speed Uplink Packet Access ), le velocità di Download possono arrivare fino a 7.2 Mega, mentre la velocità di Upload fino a 2Mega.
In informatica viene chiamata upload, che in italiano vuol dire caricamento, l'azione di invio alla rete di un file, mentre l'azione inversa è definita download.
Tutte queste sigle, acronimi, terminologie in inglese sono entrate nel linguaggio comune dei più esperti utenti della rete, ma è importante comprendere, anche ad un semplice livello divulgativo, per una più consapevole gestione di questi strumenti, il funzionamento della componentistica nanoelettronica che gestisce tutto ciò: il transistor.