Andare oltre il silicio: 1,5 miliardi di dollari stanziati per stimolare nuovi design di chip per computer

Le tecnologie al silicio non saranno più scalabili in futuro: si punta ad andare oltre tramite nuovi design

Un wafer contiene centinaia di minuscoli chip di computer realizzati con nanotubi di carbonio, che lavorano più velocemente e in modo più efficiente rispetto ai transistor in silicio(credit: STANFORD ENGINEERING)

I chip al silicio sono ormai sul mercato da circa mezzo secolo, e le proprie caratteristiche stanno migliorando sempre di più. Ma il ritmo dell’innovazione sta rallentando. Oggi la Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) dell’esercito statunitense ha assegnato decine di nuove sovvenzioni per un totale di 75 milioni di dollari ad un programma che mira a rilanciare l’industria dei chip con la ricerca di base su nuovi design e materiali, come i nanotubi di carbonio. Nei prossimi anni, il programma DARPA, che sostiene sia gli scienziati del mondo accademico e dell’industria, crescerà a 300 milioni di dollari l’anno fino ad un totale di 1,5 miliardi di dollari in 5 anni.

“È un momento critico”, afferma Erica Fuchs, esperta di politiche informatiche presso la Carnegie Mellon University di Pittsburgh, Pennsylvania.

Nel 1965, il co-fondatore di Intel, Gordon Moore, postulò la famosa “legge di Moore” ossia, ipotizzò che il numero di transistor sui chip sarebbe raddoppiato ogni 2 anni, e in seguto tale periodo si sarebbe ridotto a 18 mesi. Ma i vantaggi derivanti dalla miniaturizzazione dei chip si stanno riducendo. Oggi, la velocità dei chip è bloccata e ogni nuova generazione di chip migliora solo del 30% l’efficienza energetica, afferma Max Shulaker, un ingegnere elettrico del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge.

I produttori si stanno avvicinando ai limiti fisici del silicio, dice Gregory Wright, esperto di comunicazioni wireless presso i Nokia Bell Labs di Holmdel, nel New Jersey. Gli elettroni sono confinati in aree del silicio larghe solo 100 atomi, dice, ciò porta ad un enorme complessità nei design di progettazione al fine di evitare che gli elettroni scappino via e causino errori. “Siamo a corto di spazio”, dice.

Inoltre, solo poche aziende possono permettersi gli impianti di produzione da miliardi di dollari che producono i chip, soffocando l’innovazione in un settore un tempo dominato da piccole startup, afferma Valeria Bertacco, una scienziata informatica dell’Università del Michigan di Ann Arbor. E alcune grandi aziende stanno percorrendo strade separate, progettando chip specializzati per compiti specifici, dice Fuchs. Ciò ha ridotto l’incentivo a pagare per la ricerca di base condivisa e precompetitiva. Il numero di aziende coinvolte nella Semiconductor Research Corporation di Durham, North Carolina, che sostiene tale lavoro, è sceso da 80 nel 1996 a meno della metà nel 2013, secondo uno studio di Fuchs e dei suoi colleghi.

DARPA sta ora cercando di colmare questa lacuna con borse di studio destinate a ricercatori come Shulaker. Sta realizzando chip 3D con transistor in nanotubi di carbonio, che lavorano in modo più rapido ed efficiente rispetto ai transistor in silicio. Le aziende di oggi producono già chip 3D con silicio per accelerare l’elaborazione delle funzioni logiche e di memoria. Ma i chip sono rallentati da cablaggio ingombrante e sparso che trasporta le informazioni tra gli strati di chip. E poiché gli strati 2D di silicio su chip devono essere fabbricati separatamente a più di 1000°C, non c’è modo di costruire chip 3D in un piano di produzione integrato senza fondere gli strati inferiori.

Secondo Shulaker, i transistor nanotubi in carbonio, che possono essere realizzati quasi a temperatura ambiente, offrono un percorso migliore ai chip 3D integrati e densi. Anche se i chip 3D del suo team avranno caratteristiche 10 volte più grandi dei dispositivi al silicio all’avanguardia, la loro velocità ed efficienza energetica dovrebbero essere 50 volte migliori, un vantaggio potenziale per i data center che consumano molta energia.

Il programma DARPA sostiene inoltre la ricerca sulle architetture di chip flessibili. Daniel Bliss, un esperto di comunicazioni wireless della Arizona State University di Tempe, e i suoi colleghi vogliono migliorare le comunicazioni wireless con chip che possono essere riconfigurati al volo per svolgere compiti specializzati. Bliss sta lavorando su chip radio che mixano e filtrano i segnali utilizzando software piuttosto che hardware, un progresso che permetterebbe a un maggior numero di dispositivi di trasmettere e ricevere segnali senza interferenze. Questo potrebbe migliorare le comunicazioni mobili e satellitari, oltre a consentire una rapida crescita dell IoT, dove una miriade di dispositivi comunicano tra loro, dice.

Un’altra sovvenzione DARPA, destinata ai ricercatori della Stanford University di Palo Alto, California, è destinata al miglioramento degli strumenti informatici utilizzati nella fabbricazione di chip. Questi strumenti testano i nuovi progetti di chip con una forma di intelligenza artificiale chiamata machine learning. Essi contribuirebbero ad automatizzare il processo in gran parte manuale di rilevamento dei bug di progettazione nei chip composti da miliardi di transistor e potrebbero accelerare la capacità delle aziende di progettare, testare e fabbricare nuove architetture di chip.

Se anche una frazione dei nuovi progetti avrà successo, il progetto DARPA “rivoluzionerà completamente il modo in cui progettiamo l’elettronica”, dice Subhasish Mitra, un ingegnere elettrico e informatico di Stanford, e un ricercatore sui nanotubi di carbonio 3D e sui progetti di validazione dei circuiti. Dice che stimolerà anche gli ingegneri a guardare oltre il silicio, che ha dominato la ricerca per decenni. “Quando ero studente, la vita era noiosa”, dice Mitra. “Era chiaro che il silicio sarebbe andato avanti lungo un percorso noto. Ora, è assolutamente chiaro che non è quello il futuro”.


Tradotto in Italiano. Articolo originale: Sciencemag


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