Un minuscolo dispositivo piezoelettronico accelera i chip CMOS
Gli utenti dei computer si sono abituati al fatto che ogni nuova generazione di chip è più veloce della precedente. I miglioramenti nella velocità derivano dalla riduzione delle dimensioni dei chip di memoria CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor, semiconduttori a metallo ossido complementari), fondamentali per tutti i computer e i dispositivi basati su computer. Con il diminuire delle dimensioni, anche le tensioni diminuiscono, consentendo una più rapida commutazione dei transistor. Tuttavia, al di sotto di una certa dimensione, si iniziano ad applicare gli effetti quantistici. I chip CMOS diventano sempre più inefficienti dal punto di vista energetico. L’aumento della velocità richiede più energia elettrica, rendendo i dispositivi costosi da utilizzare. Pertanto l’aumento esponenziale della velocità dei chip che ha definito l’intera era dei microchip si è concluso intorno al 2003. Da allora gli apparenti miglioramenti delle prestazioni sono il risultato di una maggiore densità di transistor e di core multipli del processore, piuttosto che di veri e propri miglioramenti della velocità. L’industria elettronica ha bisogno di una nuova tecnologia per i transistor CMOS e il progetto PETMEM (Piezoelectronic Transduction Memory Device), finanziato dall’UE, si è impegnato a svilupparla. L’alternativa risultante, chiamata transistor a trasduzione piezoelettronica (PET), si prevede che sia più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alle alternative convenzionali a transistor CMOS.
Nuovo transistor
Il transistor PET è un nuovo tipo di interruttore elettronico che funziona secondo l’effetto piezoelettrico. In sostanza, quando un materiale adatto viene schiacciato, produce elettricità; al contrario, applicando elettricità a quel materiale cambia la sua forma, producendo un effetto meccanico. Il transistor PET utilizza questo effetto in entrambe le direzioni, utilizzando due materiali legati tra loro. In primo luogo, il dispositivo converte un segnale elettronico in un’onda sonora (pressione). La pressione comprime un materiale piezoresistivo e la compressione attiva e disattiva la resistenza elettrica del materiale. Considerando il dispositivo nel suo complesso, il collegamento o lo scollegamento di una tensione attiva l’interruttore. La quantità di tensione dipende dalle proprietà piezoelettriche dei materiali. Alcuni materiali sviluppati negli ultimi anni richiedono tensioni molto basse. Bassa tensione significa velocità di commutazione rapida. Come illustrato dal coordinatore del progetto Nick Chadwick: «Se chiudiamo l’intero panino insieme e accorciamo tutte le dimensioni, possiamo realizzare un piccolo interruttore elettronico da 100 nanometri».
Commutazione ad alte prestazioni
Un transistor così piccolo dovrebbe essere in grado di commutare 10 miliardi di volte al secondo. Ciò si tradurrebbe in dispositivi a 10 GHz dopo la prossima fase di sviluppo tecnologico del progetto. I primi clienti industriali apparterranno probabilmente al settore delle telecomunicazioni. I dispositivi di comunicazione mobile hanno bisogno di interruttori veloci e a basso consumo energetico per sfruttare appieno il potenziale dei servizi 5G. Il PET è in grado di fornire le prestazioni necessarie. Nel lungo periodo, i chip dei computer hanno bisogno di una memoria del processore a bassissimo consumo energetico, che anche in questo caso il PET sarebbe in grado di fornire. «All’inizio ci mancavano impianti per la produzione, un flusso di processo maturo e strumenti di collaudo. Quindi abbiamo dovuto sviluppare prima tutto questo e poi il transistor PET», afferma Chadwick. Il team si aspetta che i primi dimostratori operativi siano ultimati nel corso del 2020. Una volta completati i prototipi, il team potrà procedere a una valutazione commerciale completa per le applicazioni di telecomunicazione mobile. In seguito, il gruppo esplorerà eventuali possibilità di lavorare con laboratori più grandi e le opzioni di finanziamento, per co-sviluppare la tecnologia. Alla fine del progetto PETMEM e del suo nuovo dispositivo CMOS, saranno superati gli attuali limiti di velocità per processori più veloci. I dispositivi elettronici accelereranno di nuovo.
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